schatting benodigd vermogen koeling

[Benm]

Het komt ook door ontbrekende data  - als in een datasheet alleen waarden staan voor een hete kan van zeg 27 en 50 graden met daarbij nog alleen nog een COP curve kun je eigenlijk niet zoveel rekenen. De eigenschappen met een hete kant verschillen al aanzienlijk tussen 27 en 50 graden, terwijl de hete kant van jouw binnenste TEC eerder rond 0 graden of zelfs een stukje lager moet uitkomen. 
 
Vermenigvuldiging van de invloed van zo'n stack maakt het denk ik vrijwel onmogelijk dit echt te modelleren - 5 watt meer voor de binnenste TEC levert je gerust 25W meer op voor het hele systeem. En voor die 5 watt krijg je misschien maar 1 of 2 watt koelvermogen afhankelijk van de COP bij die lage temperaturen (weten we niet). 

[Pinokkio]

Als er 300 W afgevoerd moet worden dan zal een 3 mm dikke grondplaat alleen al een ΔT veroorzaken van bijna 3 graden. Daarbovenop komt nog de temperatuur gradient over de pilaren, en de ΔT benodigd voor warmteoverdracht van pilaren naar water.
 
Als de pilaren niet vierkant maar rond zouden zijn zou men voor warmteoverdracht dezelfde correlaties kunnen gebruiken als voor buizenwarmtewisselaars.
Als ik dat doe dan bereken ik een warmteoverdrachtcoefficient α = 7500 W/m².K voor een debiet van 2 L/min.
Maar de pilaren zijn niet rond maar vierkant, dus zal α wat anders zijn, misschien beter, misschien slechter. Het geeft een orde van grootte.
 
Totaal oppervlak voor warmteoverdracht is ongeveer 0.014 m². Als daar 300 W doorheen moet dan is dat een flux van 21400 W/m². Met bovengenoemde α betekent dat een ΔT van ongeveer 3 graden tussen pilaren en water.
 
Alles bij elkaar een totale ΔT van ruwweg 10 graden tussen TEC en waterinlaat.
 
Als het debiet slechts 0.5 L/min zou zijn dan wordt het problematisch omdat niet alleen α halveert, maar er dan bovendien een groot verschil in wateruitlaat- en inlaattemperatuur zou zijn waardoor de TEC dan aan de wateruitlaatzijde aanmerkelijk heter zou worden dan aan de waterinlaatzijde.

[Michel Uphoff]

Alles bij elkaar een totale ΔT van ruwweg 10 graden tussen TEC en waterinlaat.

 

Ok, dat wordt samen met een ΔT van 10 graden bij de radiator en daarbij nog overgangsweerstanden tussen de tecs en aluminium mij wel wat te krap.

 

Van de case modders weet ik dat ze hun overgeklokte cpu's waterkoelen met pompen die tot wel een bar persdruk leveren. Nadeel is dat dat veel lawaai maakt. Maar dat ik met een half litertje per minuut niet weg ga komen is zo wel duidelijk geworden.

Ik riep 300 W, maar wat ik er niet bij zei is dat ik dan uitga van ten minste twee TEC stacks en twee koelblokken, mogelijk zelfs 4 om de ΔT over de grondplaat van de cloud chamber zo klein mogelijk te houden.

 

Jouw schets kan ik niet in detail zo maken, ik denk dat ik redelijk in de buurt kom met dit ?

 

Koelblok concept 2.jpg (234.32 KiB) 677 keer bekeken

klik om te vergroten

 

[Benm]

Misschien is het ook wel helemaal niet zo belangrijk, neem een commercieel product als dit: https://www.ekwb.com/shop/ek-supremacy-evo-amd
 
Dat is voor de looks een versie met transparante bovenkant, wat uiteraard geen optimale prestaties levert, maar er lijkt weinig complex gedaan te zijn met het metaal in het blok afgezien van wat ribbeltjes aan de zijkanten. Wel een bepaald vloeipatroon door het plastic, maar niets in de zin van slim ontworpen pinnen/paaltjes/etc. 
 
Er zal een balans zitten in hoeveel stroomweerstand iets oplevert versus hoe goed de thermische geleiding zou zijn bij een oneindige stroomsnelheid/drukval over het blokje. Wellicht is het toch wel zo dat die pinnetjes dusdanig weerstand voor het water opleveren dat je met onpraktisch hoge druk moet werken. 
 
Maar mocht het allemaal geen soelaas bieden dan zou je uiteindelijk nog kunnen kiezen voor phase change koeling aan de warme kant van de TECs. Dat is een stuk complexer om te bouwen, maar voert je koelcapaciteit in theorie op tot richting oneindig. 

[Pinokkio]

Jouw schets kan ik niet in detail zo maken, ik denk dat ik redelijk in de buurt kom met dit ?

Met driehoekige pinnen links en rechts zal het in theorie inderdaad niet veel verschil maken, maar ik vraag me wel af hoe lang die driehoekige aluminium pinnetjes van goed 1 mm dik aan de waterinlaatkant in de praktijk overeind blijven in het stromingsgeweld.
 
Ondanks de transparante bovenkant is het niet erg duidelijk hoe dat ding van ekwb.com werkt. Ik zie een koperen plaat maar verder?
 
The cooling liquid accelerates through jet plate's nozzle and turbulently continues its path through numerous very thin channels, which provide an extreme heat dissipating surface area. Specifically designed and carefully machined copper base (sometimes referred to as ‘cold plate’) is made from purest copper available on the market and is further polished to absolute mirror finish. This alone greatly improves the cooling performance of EK-Supremacy EVO.
 
Blijkbaar zit er een extreem groot warmtewisselend oppervlak in de koperen plaat in de vorm van erg dunne kanaaltjes.
Dat zal dan een forse stromingsweerstand geven en is bovendien gevoelig voor vervuiling.

[Pinokkio]

Ik schreef eerder:

maar ik vraag me wel af hoe lang die driehoekige aluminium pinnetjes van goed 1 mm dik aan de waterinlaatkant in de praktijk overeind blijven in het stromingsgeweld.

De instroomsnelheid uit de 5 mm aansluiting is bijna een factor 10 hoger dan de snelheid tussen de pilaren en daarom was ik bezorgd dat de zijwaardse kracht die dat veroorzaakt op de driehoekige pinnen dicht bij de inlaat.
Inmiddels denk ik dat we die kracht kunnen verwaarlozen, maar het kan nooit kwaad om de toppen van de driehoeken aan de inlaatzijde met een druppeltje soldeer te verbinden met de naastgelegen vierkante pilaren, zoals met rood aangegeven in dit plaatje:
 

soldeerverstevigingen in rood.jpg (126.55 KiB) 682 keer bekeken

 
Na wat rekenwerk schat ik dat de drukval door stroming langs de 18 versprongen rijen pilaren in de orde van 0.003 bar zal zijn bij 2 L/min. Per pilaar rij is dat amper 0.0002 bar bij lage stroomsnelheid.
Bij een factor 10 hogere snelheid uit de inlaat is dat een factor 100 hoger dus zeg 0.02 bar op de pinnen die direct door die hoge inlaatsnelheid geraakt worden, maar ook dat geeft slechts een zeer kleine buigkracht.
 
Michel's ontwerp met pinnen heeft een veeeeel lagere drukval dan een plaat met daardoorheen kanaaltjes met een heel kleine diameter, wat een drukval in de orde van 1 bar kan hebben, zoals Benm eerder noemde.
 
Nadeel van Michel's ontwerp is echter de relatief grote ΔT over het metaal (de 3 mm dikke grondplaat en de 10 mm hoge pinnen daarop). Door koper i.p.v. aluminium te gebruiken kan die ΔT met een factor 2 verlaagd worden.
 
Zo'n commerciële koeler met een dunne koperen plaat met daarin kanaaltjes zal, denk ik, een factor 5 - 10 kleinere ΔT over het metaal hebben.

[Benm]

The cooling liquid accelerates through jet plate's nozzle and turbulently continues its path through numerous very thin channels, which provide an extreme heat dissipating surface area. Specifically designed and carefully machined copper base (sometimes referred to as ‘cold plate’) is made from purest copper available on the market and is further polished to absolute mirror finish. This alone greatly improves the cooling performance of EK-Supremacy EVO.
 
Blijkbaar zit er een extreem groot warmtewisselend oppervlak in de koperen plaat in de vorm van erg dunne kanaaltjes.
Dat zal dan een forse stromingsweerstand geven en is bovendien gevoelig voor vervuiling.

 
Helaas is daar ondanks de transparante bovenkant niet zoveel van te zien... maar het is wellicht een idee zo'n commercieel model aan te schaffen om 'af te kijken' hoe zij het doen. Ik kan me voorstellen dat het optimale ontwerp voor zoiets inmiddels aardig is uitgewerkt. Ze zijn overigens wel opvallend prijzig, geen idee of dat met marketing of met materiaal/fabricagekosten van doen heeft. 

[Michel Uphoff]

Dank!
 
Die commerciële koelers hebben als nadeel dat ze ontworpen zijn voor processors met een 'die' van ruwweg 20*20 mm of kleiner (Core i7 160 mm²). De koeling wordt vaak vooral geconcentreerd rond dit kleine oppervlak in het centrum, zoals bijvoorbeeld uit deze koelplaatjes valt op te maken:
 

wb2.jpg (94.22 KiB) 684 keer bekeken

wb1.jpg (101.58 KiB) 680 keer bekeken

 
Ik streef natuurlijk naar een zo gelijkmatig mogelijke koeling van het hele 40*40 mm vlak. Los hiervan kan de maatvoering een probleem worden.
 

maar het kan nooit kwaad om de toppen van de driehoeken aan de inlaatzijde met een druppeltje soldeer te verbinden

 
Ik denk niet dat die halve zuiltjes last krijgen van de waterdruk, maar vrees met grote vreze dat het frezen ze makkelijk zal verbuigen. Ik kan desgewenst tijdens het 'solderen' ook het deksel en de toppen van de zuilen met elkaar verbinden.
 
Ook ik zou bij voorkeur koper gebruiken, bijna twee keer zo grote warmtegeleiding, maar koper is (zonder nevelsmering/koeling) erg lastig te frezen. Puur aluminium overigens ook (ook te taai), maar bijna alle aluminium voor platstaf en plaatwerk is gelegeerd, waardoor het prima te bewerken valt.
 
Ik zou de dikte van de basis van de koelplaat nog wel wat kunnen verminderen, maar lager dan 2 mm durf ik niet te gaan.

[Pinokkio]

Het is mij inmiddels duidelijk hoe zo'n EK Supremacy EVO er van binnen uitziet.

Het hart is is een koperen plaatje van pakweg 3 bij 3 cm met daarin een stuk of 50 groeven. Daarbovenop wordt een metalen plaatje geplaatst met de vorm van een scheermesje. De watertoevoer is via de spleet in het midden van het scheermesje en vandaar stroomt het water naar beide zijden. Het water verdeelt zich zodoende dus over ongeveer 100 groeven van het midden naar de randen van het koperen plaatje.
 

EK Supremacy EVO 1.jpg (29.62 KiB) 685 keer bekeken

 

EK Supremacy EVO 2.jpg (213.36 KiB) 685 keer bekeken

 
 
 

EK Supremacy EVO 3.jpg (127.15 KiB) 685 keer bekeken

 

In feite helemaal niet zo moeilijk om zoiets zelf te maken. Met een dun zaagje zoveel mogelijk parallelle groeven zagen in een plaatje koper lijkt me niet zo moeilijk.
 

Grootste probleem lijkt me de afdichting tussen wateraanvoer, scheermesje en koper. Ik vraag me af hoeveel procent van het water daadwerkelijk door de groeven stroomt en hoeveel gewoon over het scheermesje naar de uitlaat stroomt zonder iets nuttigs te doen.
 

De drukval van de EK Supremacy EVO bedraagt bijna 11 psi bij 4 GPM, dat is 0.75 bar bij 15 L/min. Die dingen zijn blijkbaar bedoeld voor enorme waterdebieten zodat de α zo groot mogelijk is, en de temperatuurstijging van het water verwaarloosbaar. Bij lager debiet neemt de drukval kwadratisch af, dus bij 2 L/min (0.53 GPM) is het nog maar 0,014 bar (0.2 psi) maar dan zal de alfa ook laag zijn.
 
Ik ga later eens proberen om α te berekenen.
 
https://www.tweaktown.com/reviews/6743/ek-supremacy-evo-clean-csq-cpu-water-block-review/index3.html
 

[Benm]

Interessant hoe die dingen in elkaar steken
 
Wellicht is het inderdaad een factor dat men de beste koeling in het midden wil hebben voor een chip, terwijl je het hier juist zo gelijkmatig wilt hebben. Anderzijds zit er 3 mm alu plaat onder, dat lijkt me wel een aardige heatspreader. 
 
Maar goed, ik denk dat je zult moeten wachten tot je de TECs hebt, en dan uiteindelijk moet gaan meten en kiezen voor de koeloplossing. Als je 300 W energie wilt afvoeren met 10 graden temperatuurverschil heb je een bizar goede koeling van 0.03 K/W nodig. Blijkt het maar 50 watt te zijn dan is het opeens nog maar 0.2 K/W, iets dat met een (toegegeven enorm) 'gewoon' koelblok te realiseren is.