Правильне охолодження електроніки

1. Природне конвекційне охолодження При виборі типу охолодження, необхідного для конкретного застосування,...
2. Охолодження за рахунок теплопровідності
3. Технологія тепловідвідних кожухів (clamshell)
4. Тепловідводи Flexible Heat Conductor
5. Охолодження стійки з обладнанням
6. Програмне забезпечення для теплового аналізу
7. Не забуваючи про енергоефективність

Природне конвекційне охолодження

При виборі типу охолодження, необхідного для конкретного застосування, існує два ключові чинники, які слід враховувати: максимально допустима температура компонента (визначається сумарною втратою потужності) і основні умови навколишнього середовища в місці установки. Використання природного конвективного охолодження є найбільш економічно ефективним методом відведення тепла від корпусу або шафи. Як правило, це дуже дієвий метод, але він працює тільки тоді, коли зовнішнього повітря передається достатня кількість енергії, що перешкоджає перевищення максимально допустимих значень температури компонентів. У разі замкнутих шаф або корпусів рух повітря відбувається переважно уздовж бічних стінок, які повинні забезпечувати його вільну циркуляцію як уздовж внутрішньої, так і зовнішньої сторони корпуса. Температура навколишнього середовища повинна бути значно нижче необхідної температури всередині корпусу. Вільна конвекція в якості вирішення даної проблеми передбачає свої обмеження, коли потрібно відвести велику кількість тепла. Це відбувається тому, що кількість розсіюється тепла (енергії) має лінійну залежність від площі поверхні корпусу і різниці між зовнішньою і внутрішньою температурою.

У такому випадку може допомогти підвищення коефіцієнта теплопередачі? (Для позначення коефіцієнта теплопередачі часто використовується h), для цього буде потрібно перехід від природної конвекції до примусової. Примусовий потік повітря уздовж внутрішньої сторони корпусу або шафи може збільшити кількість розсіюється тепла на 50%.

Примусова конвекція з використанням вентилятора

Мал. 1. 19 "-кассета вентиляторів

Найбільш поширеною формою охолодження є примусове повітряне охолодження - метод, достатній для більшості корпусних рішень. Тут природна конвекція посилюється за рахунок використання вентиляторів або касети вентиляторів (рис. 1). Іноді вентилятори застосовуються, якщо аеродинамічний опір повітря внутрішніх компонентів істотно знижує ефективність природної конвекції. Температура зовнішнього середовища, як і в попередньому випадку, має бути значно нижчою, ніж необхідна температура системи. Примусові методи охолодження можна розділити на два основних підходи: «на вдув» і «на видув». При роботі «на вдув» вентилятори розташовуються перед компонентами, які необхідно охолоджувати, і штовхають повітря у напрямку і вздовж нагріваються елементів. У разі роботи «на видув», навпаки, вентилятори встановлюються за компонентами, вони витягують повітря, що проходить уздовж компонентів. Можливо також об'єднання обох типів охолодження. Яке з двох рішень ефективніше, визначається виходячи з навколишніх умов. Якщо використовується варіант «на вдув», в розрахунок має бути додано тепло, вироблене вентилятором. Для методу «на видув» слід брати до уваги і вплив на нього тепла компонентів (що призводить до зниження терміну служби вентилятора).

У виборі відповідних вентиляторів вирішальну роль відіграють такі параметри:

• Вентилятори повинні забезпечувати максимальний необхідний потік повітря з урахуванням необхідної надмірності. Також повинна бути врахована максимальна висота експлуатації. Навіть на висоті 1000 м над рівнем моря повітряний потік повинен бути збільшений приблизно на 18%.
• Потужність системи живлення повинна відповідати сумарної максимальної потужності всіх вентиляторів.
• При загальному розрахунку теплового балансу слід брати до уваги тепло, вироблене вентиляторами (особливо в разі роботи «на вдув»).
• Розмір, геометрія і повітряний потік повинні відповідати доступному простору. Це часто спричиняє необхідність вибору між осьовими і радіальними вентиляторами.
• Вентилятори повинні відповідати доступним параметрами електроживлення (наприклад, 230 VAC або 24 VDC і т. Д.), Необхідним сигналів тривоги і типу управління (наприклад, регулювання частоти обертання в залежності від температури).
• Вибір вентиляторів повинен грунтуватися на максимальному рівні шуму, визначеного і / або дозволеного для місця роботи. При цьому недостатньо знати рівень шуму, зазначений виробником вентилятора. Повинні бути враховані турбулентні потоки повітря, які часто і створюють основний шум.

Охолодження за рахунок теплопровідності

Охолодження за рахунок теплопровідності відноситься до передачі тепла всередині корпусу або шасі, при якому застосовується безпосередній контакт між двома тілами, без використання повітря як провідного середовища. Кожен контакт має певний тепловим опором. Це значення впливає на передачу тепла по всьому ланцюжку охолодження за рахунок теплопровідності. Технічні засоби реалізації охолодження за рахунок теплопровідності мають кілька форм.

Технологія тепловідвідних кожухів (clamshell)

Технологія Clamshell від Pentair - один з доступних варіантів спеціальних тепловідвідних кожухів. Такі кожухи оснащені розпірні клиновими зажимами Wedge-Loks / Card-Loks у верхній і нижній частині, а також спеціальними ручками для вставки / вилучення модулів з шасі. Це гарантує, що в повністю зібраному вигляді дана конфігурація забезпечує надійну фіксацію друкованих плат в шасі, а також теплопровідність завдяки контакту метал-метал. Компоненти на друкованих платах зазвичай розташовуються по обидва боки, тому тепловідвідні кожухи встановлюються з двох сторін плати. Пропонуються два варіанти поставки кожухів: з плоскою внутрішньою поверхнею і поверхнею, фрезерованной за кресленнями замовника. При фрезеруванні створюється поверхню такої конфігурації, яка дозволяє притиснути кожух до всіх тепловиділяючим компонентів і забезпечити максимальну площу теплового контакту. Для оптимальної теплопередачі додатково передбачені спеціальні еластичні теплопроводящие прокладки. Завдяки цій технології тепло практично безперешкодно передається на зовнішні поверхні кожухів, ось чому обмежуючим фактором є передача тепла від шасі повітрю. Є цілий ряд рішень подібної проблеми, наприклад, за допомогою вентиляторів, що забезпечують примусове повітряне охолодження через гладкі або ребристі поверхні.

Тепловідводи Flexible Heat Conductor

Мал. 2. Корпус Schroff Interscale C з вбудованим теплопровідником FHC

Для корпусів невеликих розмірів або вбудовуваних систем, які через областей застосування повинні бути замкнутими, тепло від сильно нагріваються джерел (наприклад, процесорів) також відводять за допомогою охолодження за рахунок теплопровідності. До теперішнього часу в якості теплопровідником зазвичай використовувалися тверді металеві елементи з Термопрокладки або термопасту, які передавали тепло до поверхні корпусу приладу. Для подібних застосувань компанія Pentair розробила тепловідвід FHC (Flexible Heat Conductor), показаний на рис. 2. Такі тепловідводи виготовлені з алюмінію, що має дуже високий коефіцієнт теплопровідності, і можуть змінювати свою висоту. Це дозволяє FHC забезпечувати хороший тепловий контакт, зокрема з процесорами. FHC усуває будь-які проблеми, пов'язані з допусками по висоті: тепловідводи або приєднуються до процесорів за допомогою існуючих монтажних кріплень на друкованій платі, або, в разі невеликих процесорів, монтуються за допомогою тонкої теплопровідної двосторонньої клейкої стрічки.

Охолодження стійки з обладнанням

При установці в одну стійку декількох корпусів або шасі для забезпечення необхідного повітряного потоку можуть знадобитися додаткові заходи. Зазвичай це примусове охолодження всієї стійки. У більшості випадків для такого охолодження встановлюють вентилятори на задніх дверях стійки або у верхній панелі. В особливих випадках використовуються додаткові нагнітають вентилятори на передній панелі стійки, підводяться існуючі системи кондиціонування. Іноді для охолодження стійки застосовують повітряні і повітряно-водяні теплообмінники та кондиціонери.

Критичними факторами для вибору відповідної стратегії охолодження є місце установки (офіс, лабораторія або промислова середу з відповідними вимогами до рівня шуму або до IP), інженерна інфраструктура (наявність фальшпідлоги, підключення до холодної води, система кондиціонування) і вплив навколишнього середовища (температура навколишнього середовища , теплове випромінювання, забруднення повітря, підвищена вологість). Різні елементи системи охолодження завжди слід вибирати відповідно до вимог до їх продуктивності і з урахуванням їх взаємодії з іншими компонентами системи. Наприклад, вентилятори змінного струму є джерелами електромагнітних завад.

Програмне забезпечення для теплового аналізу

Мал. 3. Розподіл температури в тривимірній моделі, отриманої з використанням 6Sigma

У деяких випадках для розробки ефективної системи охолодження потрібно виконати чисельне моделювання, для якого застосовується спеціальне програмне забезпечення.

При розробці своїх корпусів, стійок і шасі Pentair працює з двома пакетами програм тривимірного моделювання та аналізу: 6Sigma (рис. 3) і FloTHERM. Компанія пропонує своїм клієнтам, які займаються створенням власного обладнання, використовувати свою випробувальної лабораторії, оснащену великий кліматичної камерою і аеродинамічною трубою, придатної для теплового аналізу, а також допомогу експертів.

Принцип дії програми моделювання відносно простий. Користувач будує тривимірну геометричну модель своєї системи, що складається з набору компонентів. Модель також може бути імпортована з інших програм. Коли програма застосовується при розробці стандартних корпусів, всередину корпусів для теплового розрахунку поміщаються типові компоненти (жорсткі диски, джерела живлення), зазвичай встановлені в таких корпусах. Коли тепловий розрахунок виконується за конкретним замовленням, враховуються моделі конкретних компонентів. Крім геометричних моделей, для розрахунку задаються фізичні параметри, наприклад матеріальні константи, потужність тепловиділення компонентів, параметри вентиляторів, навколишнього середовища та інші подібні фактори. Потім програма генерує тривимірну сітку, за допомогою якої обчислює розподіл температури та інших величин, обумовлених процесами природної і примусової конвекції, променевої теплопередачі і теплопровідності.

Результати розрахунку відображаються у вигляді розподілу температури, тиску, швидкості повітряного потоку. На підставі цих даних інженер може визначити заходи щодо оптимізації системи охолодження, такі як заміна типу вентиляторів, зміна місць установки вентиляторів і повітрязабірників, установка дефлекторів, зміна взаємного розташування компонентів, зміна товщини теплопровідних елементів і т. Д. Оптимізація конфігурації з подальшими розрахунками може виконуватися кілька разів до тих пір, поки не буде знайдено ідеальне рішення. Використання засобів моделювання оптимізує стратегію охолодження на ранній стадії проектування і скорочує витрати і час розробки.

Не забуваючи про енергоефективність

Ключовим аспектом розробки охолодження електроніки є прагнення до більш високої енергоефективності на ранній стадії. Оскільки зниження теплових втрат до нуля - недосяжний ідеал, що виділяється теплову потужність потрібно розвіяти з мінімальними витратами. Розробник повинен переконатися, що обрана система охолодження і її компоненти оптимальні з точки зору енергоефективності. Оптимізація повітряних потоків при цьому іноді може призводити навіть до зміни стратегії вентиляції. Крім того, важливо перевірити можливість зниження витрат енергії на охолодження за рахунок заміни великої кількості вентиляторів, наприклад водяним або іншим типом охолодження.