Устройства и системы охлаждения электронных средств

Основные способы охлаждения РЭС

Распространённость систем охлаждения

Показатели эффективности способов
охлаждения
Таблица 1 ‒ Эффективность основных способов охлаждения

Показатели эффективности способов
охлаждения

Естественное воздушное охлаждение (ЕВО)
Естественное воздушное охлаждение внутри корпуса: тепло от деталей за счет конвективной теплоотдачи и излучения передается герметичному корпусу, а от него таким же способом – в окружающую среду.
Естественная вентиляция ЭС происходит за счет разности плотностей холодного и нагретого внутреннего воздуха. Для прохода воздуха в корпусе имеются вентиляционные отверстия (перфорация), при этом часть тепла отдается воздуху, проходящему через аппарат, часть рассеивается от корпуса в окружающую среду.
- это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду.

Принудительное воздушное охлаждение (ПВО)
Внутреннее перемешивание воздуха вентилятором в объеме герметичного корпуса.
Принудительная вентиляция. Применяется в тех случаях, если интенсивная вентиляция и внутреннее перемешивание не обеспечивают нормальный тепловой режим РЭС. Наружный обдув корпуса. Применяется для охлаждения герметичных блоков.
Локальная принудительная вентиляция – обдув отдельных, наиболее нагретых, элементов.
- охлаждение потоком воздуха, объем, и скорость которого определяется специальными устройствами.

Приточная система воздушного охлаждения
Достоинства приточной системы:
повышенное давление воздуха на выходе, что способствует улучшению теплообмена;
на входе могут быть установлены фильтры для защиты от пыли.
Недостатки приточной системы:
дополнительный нагрев поступающего воздуха двигателем вентилятора;
существует возможность образования застойных воздушных зон.
характеризуется тем, что холодный воздух под давлением, создаваемым нагнетателем, поступает в конструкцию, отбирает тепло от элементов и выбрасывает в окружающую среду или поступает в вытяжной воздуховод (коллектор).

Вытяжная система воздушного охлаждения
Преимущества вытяжной системы:
наиболее мощные источники тепла конструкции могут быть максимально приближены к входным отверстиям;
тепло, выделяемое электродвигателем вентилятора, не влияет на работу изделия.
Недостатки вытяжной системы:
из-за наличия разряжения воздух менее эффективен как теплоноситель, пыль активно всасывается внутрь изделия (фильтрация воздуха в данном случае невозможна);
вентилятор работает в струе горячего воздуха, поэтому его надежность снижается.
В вытяжной системе вентилятор, устанавливаемый на выходе воздуха, отсасывает воздух создавая под кожухом конструкции некоторое разряжение.

Приточно-вытяжная система охлаждения
Преимущества приточно-вытяжной системы:
утечки воздуха в несколько раз ниже, чем в других системах;
Недостатки приточно-вытяжной системы:
значительно проигрывает другим схемам по материальным показателям (масса, габариты, стоимость).
В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе и выходе воздуха.

Воздушные системы охлаждения (аэрогенные системы)

Простая модель блока с ПВО
По тепловой схеме составляются уравнения:
P = P1 + P2,
Р2 = Р3 + Р4,
В этой системе:
Р4 = бк-с(tк‒tс),
Р3 = бз-в(tк‒tв),
Р2 = бз-к(tз‒tк),
P1 = бз-в(tз‒tв),
Третье уравнение записывается в предположении, что все тепло, кроме рассеиваемого в окружающем пространстве, расходуется на повышение теплосодержания воздушного потока:
Р ‒ Р4 = бвп(tвых ‒ tвх).

Модель блока с учетом теплообмена в нагретой зоне
1 – корпус блока
2 – печатные узлы (модули)
3 – воздухораспределительное устройство
Каждая из трех ячеек отдает тепло воздушному потоку (тепловая проводимость бэ-) кожуху (бз-к), часть тепла с кожуха уносится воздушным потоком (бк-в), оставшаяся часть рассеивается в окружающем пространстве (бк-с). Кроме того, осуществляется взаимный обмен между функциональными ячейками через тепловые проводимости бб.
Фрагмент эквивалентной схемы для трех плат

Вентиляторы
Для охлаждения системы используются несколько вентиляторов. Существует несколько способов установки вентиляторов: параллельно или последовательно.
Параллельно – это когда ставится два вентилятора рядом, а последовательно – это два вентилятора друг за другом.

Последовательное включение вентиляторов
Последовательная установка увеличивает статическое давление и больше подходит к системам с высоким внутренним сопротивлением (например, когда у вас очень плотная установка элементов в корпусе и вентиляционная перфорация не впечатляет).

Параллельное включение вентиляторов
Параллельная установка больше подходит для систем с низким сопротивлением воздушному потоку и используется для увеличения массового расхода.

Жидкостное принудительное охлаждение
Рис. – Схема системы водяного охлаждения:
1 – первичный теплообменник; 2 – процессор;
3 – бачок с водой; 4 – насос; 5 – радиатор;
6 – соединительные шланги
Рис. 1.18 – Конструкция
первичного теплообменника:
1-контактная пластина;
2-штыри;
3-крышка;
4- штуцер
Высокая тепловая эффективность, низкое тепловое сопротивление, небольшой уровень шумов
Необходим компрессор, возможны утечки, относительно высокая цена

Жидкостная система охлаждения компьютера

Очень высокая эффективность
Необходима хорошая изоляция электрических деталей и узлов от контакта с жидкостью
Иммерсионные (испарительные) системы

Разработка компании 3М
Для сокращения затрат на охлаждение серверов и снижения вредного воздействия выбросов в окружающую среду компания 3М разработала революционный метод охлаждения для дата-центров технические жидкости для иммерсионного охлаждения однофазных и двухфазных системах. Внедрение такого метода позволяет сократить энергозатраты на 97% (!) при уменьшении площадей серверных помещений на порядок и поддержке оптимальной рабочей температуры процессоров.
В 2014 году компания 3М получила бронзовую медаль Эдисона за технологию двухфазного охлаждения посредством жидкостей Novec.

Технические жидкости Novec
Технические жидкости Novec обладают преимуществами перед другими диэлектрическими жидкостями, например минеральным маслом. Помимо того что жидкости 3М являются невоспламеняющимися и невзрывоопасными, они имеют необходимую точку кипения и термостабильность для построения двухфазной системы охлаждения. Обслуживание и ремонт оборудования не вызовет проблем — ведь погруженные в жидкость платы остаются чистыми и сухими.
Диэлектрические жидкости 3М совместимы с любыми материалами.

Преимущества двухфазного охлаждения перед воздушным

Схема однофазного типа охлаждения без фазового перехода

Механизм двухфазного охлаждения
1 – пар конденсируется на крышке или катушке радиатора;
2 – жидкость стекает в резервуар;
3 – пар поднимается вверх;
4 – жидкость, нагретая от работы компонентов переходит в пар

Пример внедрения иммерсионного охлаждения
Суперкомпьютер Suiren, разработанный японской компанией PEZY Computing и ExaScaler Inc., использует однофазное охлаждение на основе жидкости 3М Fluorinert, что помогло ему войти в лист Green 500 самых высокопроизводительных компьютеров.

Термоэлектрическое охлаждение
Низкий КПД, значительная удельная масса
Малые размеры, нет зависимости от окружающей температуры, реверс работы
Основные эффекты, которые лежат в основе термоэлектрического охлаждения:
Пельтье
Зеебека
Термоэлектрический модуль (ТЭМ)

Выбор способа охлаждения на ранних стадиях проектирования
Цель выбора: определить способ охлаждения, который необходим и достаточен
для обеспечения нормального теплового режима разрабатываемого изделия.
Выбор осуществляется по диаграмме на рис. 1
Рис. 1
Незаштрихованные зоны относятся к способам охлаждения: 1 - естественное воздушное, 3 - принудительное воздушное, 5 - принудительное жидкостное, 9 - принудительное испарительное.
Заштрихованным зонам соответствуют: 2 - естественное и принудительное воздушное охлаждение, 4 - принудительное воздушное и жидкостное, 6 - принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 - принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8 - естественное и принудительное испарительное

Выбор способа охлаждения на ранних стадиях проектирования
Рис. 2 – Вероятностные кривые для блока в герметичном кожухе с ЕВО (шкала Gуд=0) и с принуди-тельным внутренним перемешиванием воздуха для 3 значений расхода (Gуд =1, Gуд =2 и Gуд =3 кг/с·м²
Если точка попадает в область р ≥ 0,8, то можно остановиться на рассматриваемом способе охлаждения;
Если точка попадает в область 0,8 > р ≥ 0,3, то выбор можно сохранить, но чем меньше P, тем больше внимания следует уделить обеспечению теплового режима в дальнейшем при детальной проработке конструкции;
При попадании в область 0,3 > р ≥ 0,1 не рекомендуется выбирать рассматриваемый метод охлаждения;
При р<0,1 обеспечить нормальный тепловой режим рассматриваемым методом охлаждения практически невозможно.

Кондуктивные системы охлаждения
Традиционно данный метод охлаждения применялся для плат и систем, где невозможно было организовать воздушное охлаждение.
Системы, предназначенные для эксплуатации в суровых климатических условиях также выиграют от применения кондуктивного охлаждения.
Другая область применения, где описываемый метод охлаждения крайне полезен – разработка и производство систем в виде герметично запаянных боксов для защиты электронных компонентов от пыли и загрязнений.
В качестве теплоотводов могут использоваться различного рода радиаторы, металлические шины или стержни, тепловые трубы и термосифоны.

Расположение теплоотводящей пластины на модуле с кондуктивным охлаждением
Пример кондуктивных систем охлаждения
Модуль с кондуктивным теплоотводом, установленным внутри шасси

Разновидности кондуктивных систем охлаждения
Существуют виды кондуктивных систем охлаждения: кондуктивно-воздушные, кондуктивно-жидкостные и кондуктивно-испарительные системы охлаждения.
В этих кондуктивных, комбинированных системах охлаждения передача теплоты от источников осуществляется теплопроводностью по специальным теплоотводам, а затем конвекцией в воздух или жидкость или путём фазового превращения жидкости, окружающей теплоотводы источников тепловыделений, или содержащейся внутри теплоотводов, на которых установлены источники.

Эквивалентная схема кондуктивной системы охлаждения
Кондуктивные системы охлаждения основаны на контактном способе передачи тепла за счет теплопроводности элементов конструкции.
Тепло, выделяемое источником, через неразъемный тепловой контакт, передается на теплоотвод (тепловую шину), с которой через тепловой разъем поступает на тепловой сток (теплообменник).

Тепловой контакт двух поверхностей
Тепловое сопротивление контакта:
Удельное сопротивление фактического контакта:
При расчете удельного сопротивления фактического контакта находят отношение:

Значение коэффициента В находят из графика (рис. 1)
Тогда
Тепловая проводимость прослойки межконтактной среды
Эквивалентное расстояние между контактирующими поверхностями
С помощью графика (рис. 2) находят значение
Рис. 1
Рис. 2

Значение удельной тепловой проводимости для некоторых контактирующих материалов приведены в следующей таблице

Разъемные тепловые контакты
Рассмотрим тепловой контакт, выполненный в виде клина.
Особенность клинового контактного узла: обеспечивают высокие давление в местах контакта.

Радиаторы
Радиатор ‒ устройство с очень развитой теплоотдающей поверхностью. Главным показателем эффективности радиатора является тепловое сопротивление радиатор-среда
Параметры радиатора представлены в таблице.
Рис. 1 – Устройство гибридного радиатора

Виды радиаторов
Рис. 1 – Радиатор игольчатый
Рис. 3 – Оребренный корпус
Рис. 2 – Радиатор штыревой
Рис. 4 – Радиатор пластинчатый

Тепловые трубки
Рис. 1 – Устройство тепловой трубки
Тепловая трубка (ТТ) – высокотехнологичное устройство на фазовом переходе теплоносителя.
Основная функция ТТ – высокоэффективная передача тепла.
Тепловые трубки могут работать при очень малых перепадах температур, поэтому их длина не имеет большого значения.

Характеристики рабочего вещества в тепловых трубках представлены в таблице.

Радиаторы с тепловыми трубками
1 – первичный теплообменник
2 – тепловая трубка
3 – ребро радиатора
4 – кулер

Дополнительное охлаждение ЭРИ на печатных платах
Рис. 1 – Печатный радиатор
Рис. 2 – Тепловой мостик