Kaksifaasijäähdytysjärjestelmään liittyvien pumppujen vertailu ja kehittäminen sarjatuotannon tarpeisiin

Abstract

Tehoelektroniikalta vaaditaan nykyään parempaa suorituskykyä entistä pienemmässä tilassa. Tämä luo haasteen riittävälle jäähdytykselle. Eräs ratkaisu on käyttää kaksifaasijäähdytystä, jolla aikaansaadaan tehokas lämmönsiirto komponenttien pinnalta. Lämmönsiirtonesteinä voidaan käyttää kylmäaineita tai muita alhaisessa lämpötilassa kiehuvia nesteitä. Tällaisille nesteille on tyypillistä alhainen höyrynpaine sekä matala viskositeetti. Nämä ominaisuudet tuovat haasteita nesteen pumppaukseen. Tässä työssä tarkastellaan R-134A:ta sekä Novec 7000:ta, perehdytään niiden fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä materiaaliyhteensopivuuksiin ja näiden tietojen pohjalta etsitään sopivaa pumpputyyppiä kaksifaasijäähdytysjärjestelmään. Tehoelektroniikan jäähdytysjärjestelmän pumpun on oltava edullinen muuhun järjestelmään nähden. Tyypillinen kiertopumppu nestejäähdytysjärjestelmässä on pieni keskipakopumppu. Alhaisen kiehumispisteen vuoksi kavitointiriski kasvaa ja tämä voi vahingoittaa pumppua. Myös matala viskositeetti tuo haasteita vuotoherkkyyden kasvamisen myötä, joten mekaanisilla aksiaalitiivisteillä varustetut pumput eivät ole pitkäikäisiä. Kylmäainejärjestelmiin tarkoitetut pumput ovat arvokkaita, eikä näin ollen sovellu edullisiin jäähdytysjärjestelmiin. Tässä työssä käydään läpi erilaisia pumpputyyppejä, jotka voisivat soveltua pitkäikäiseen pumppaukseen ilman huoltotöitä. Näiden tietojen perusteella kehitetään edullista ja pitkäikäistä pumppua pieniin kaksifaasijäähdytysjärjestelmiin nesteiden fysikaaliset ominaisuudet huomioon ottaen. Kehitetyn pumpun ominaisuuksia ja kustannuksia vertaillaan kaupallisiin ratkaisuihin ottaen huomioon sarjavalmistus. Itse valmistettuna pienelle sisäryntöiselle hammaspyöräpumpulle jää hintaa alle kymmenesosa markkinoilta löytyviin kylmäaineille soveltuviin pumppuun.

Thermal management of power electronics has become an important issue. Component sizes are decreasing and thermal loads are increasing so demands for cooling systems are high. One solution for an effective cooling system is to use two-phase cooling which is more effective in small areas with high thermal load. With two-phase cooling there is a need for special liquids with low boiling point, for example refrigerants or thermal management fluids. These liquids typically have low vapor pressure and low viscosity. These properties have degrading effect to pumping and pumping performance. In this work the design process is based on liquids R-134A and Novec 7000. In power electronic systems the circulation pump of cooling systems has to be low-price considering the whole system. Typical circulation pump of water cooled system is small centrifugal pump. Liquid used in two-phase cooling system has low boiling point which increases the risk of cavitation and it can affect the efficiency of the pump and lead to pump damage. Also low viscosity of fluid increases leaking with mechanical seal so a pump with long lifetime has to have hermetical sealing. Pumps designed for refrigerant systems are typically very expensive and large. This master’s thesis describes the design process of a new, low-price pump for two-phase cooling system with long life-time. All possibilities are taken in count to choose the right pump type and materials to these liquids. The pump is manufactured and tested during this work. The test results and manufacturing costs are compared to commercial products.