Все электронные устройства и схемы генерируют избыточное тепло и, таким образом, требуют управления температурой для повышения надежности и предотвращения преждевременного отказа . Количество выделяемого тепла равно потребляемой мощности , если нет других взаимодействий энергии. [1] Существует несколько методов охлаждения, включая различные типы радиаторов , термоэлектрические охладители , системы принудительной подачи воздуха и вентиляторы , тепловые трубки и другие. В случаях экстремально низких температур окружающей среды может фактически потребоваться нагрев электронных компонентов для достижения удовлетворительной работы. [2]
Обычно это указывается как тепловое сопротивление от перехода к корпусу полупроводникового прибора. Единицы измерения — °C/Вт. Например, радиатор с номиналом 10 °C/Вт нагреется на 10 °C по сравнению с окружающим воздухом, когда он рассеивает 1 Вт тепла. Таким образом, радиатор с низким значением °C/Вт более эффективен, чем радиатор с высоким значением °C/Вт. [3] При наличии двух полупроводниковых приборов в одном корпусе более низкое сопротивление перехода к окружающей среде (R θJ-C ) указывает на более эффективное устройство. Однако при сравнении двух приборов с различными тепловыми сопротивлениями без кристалла (например, DirectFET MT против wirebond 5x6 мм PQFN) их значения сопротивления перехода к окружающей среде или перехода к корпусу могут не коррелировать напрямую с их сравнительной эффективностью. Различные корпуса полупроводников могут иметь различную ориентацию кристалла, различную массу меди (или другого металла), окружающей кристалл, различную механику крепления кристалла и различную толщину формовки, все это может привести к существенно разным значениям сопротивления перехода к корпусу или перехода к окружающей среде и, таким образом, может скрыть общие показатели эффективности.
Тепловая масса радиатора может рассматриваться как конденсатор (хранящий тепло вместо заряда), а тепловое сопротивление как электрическое сопротивление (определяющее, насколько быстро может рассеиваться накопленное тепло). Вместе эти два компонента образуют тепловую RC-цепь с соответствующей постоянной времени, заданной произведением R и C. Эту величину можно использовать для расчета динамической теплоотдачи устройства, аналогично электрическому случаю. [4]
Материал теплового интерфейса или мастика (он же TIM ) используется для заполнения зазоров между поверхностями теплопередачи , например, между микропроцессорами и радиаторами , с целью повышения эффективности теплопередачи . Он имеет более высокое значение теплопроводности в направлении Z, чем в направлении xy.
Благодаря последним технологическим разработкам и общественному интересу рынок розничных радиаторов достиг исторического максимума. В начале 2000-х годов выпускались процессоры , которые выделяли все больше тепла, чем раньше, что повышало требования к качеству систем охлаждения.
Разгон всегда означал большую потребность в охлаждении, а изначально более горячие чипы означали больше беспокойств для энтузиастов. Эффективные радиаторы жизненно важны для разогнанных компьютерных систем, поскольку чем выше скорость охлаждения микропроцессора, тем быстрее компьютер может работать без нестабильности; как правило, более быстрая работа приводит к более высокой производительности. Многие компании теперь конкурируют, чтобы предложить лучший радиатор для энтузиастов разгона ПК . Известные производители радиаторов на вторичном рынке включают: Aero Cool, Foxconn , Thermalright , Thermaltake , Swiftech и Zalman . [ требуется цитата ]
Временные радиаторы иногда использовались при пайке плат, предотвращая повреждение чувствительной близлежащей электроники чрезмерным теплом. В простейшем случае это означает частичный захват компонента с помощью тяжелого металлического зажима типа «крокодил» или аналогичного зажима. Современные полупроводниковые приборы, которые предназначены для сборки методом пайки оплавлением , обычно выдерживают температуру пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как магнитные герконы, могут выйти из строя, если подвергаются воздействию более мощных паяльников, поэтому эта практика все еще широко используется. [5]
В аккумуляторах, используемых в электромобилях, номинальная производительность аккумулятора обычно указывается для рабочих температур в диапазоне от +20 °C до +30 °C; однако фактическая производительность может существенно отличаться от этой, если аккумулятор работает при более высоких или, в особенности, более низких температурах, поэтому некоторые электромобили имеют подогрев и охлаждение для своих аккумуляторов. [6]
Радиаторы широко используются в электронике и стали неотъемлемой частью современной микроэлектроники. В общем случае это металлический предмет, который контактирует с горячей поверхностью электронного компонента, хотя в большинстве случаев тонкий материал теплового интерфейса служит посредником между двумя поверхностями. Микропроцессоры и силовые полупроводники являются примерами электроники, которым необходим радиатор для снижения температуры за счет увеличения тепловой массы и рассеивания тепла (в основном за счет проводимости и конвекции и в меньшей степени за счет излучения ). Радиаторы стали практически неотъемлемой частью современных интегральных схем, таких как микропроцессоры , цифровые сигнальные процессоры , графические процессоры и многое другое.
Радиатор обычно состоит из металлической конструкции с одной или несколькими плоскими поверхностями для обеспечения хорошего теплового контакта с охлаждаемыми компонентами, а также ряда выступов в виде гребней или ребер для увеличения поверхности контакта с воздухом и, следовательно, скорости рассеивания тепла.
Радиатор иногда используется в сочетании с вентилятором для увеличения скорости воздушного потока через радиатор. Это поддерживает больший градиент температуры, заменяя нагретый воздух быстрее, чем это сделала бы конвекция. Это известно как система принудительной подачи воздуха.
Размещение проводящей толстой металлической пластины, называемой холодной пластиной, в качестве интерфейса теплопередачи между источником тепла и холодной текущей жидкостью (или любым другим теплоотводом) может улучшить эффективность охлаждения. При таком расположении источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не охлаждается в прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано, что толстая пластина может значительно улучшить теплопередачу между источником тепла и охлаждающей жидкостью путем проведения теплового тока оптимальным образом. Два наиболее привлекательных преимущества этого метода заключаются в том, что не требуется дополнительная мощность накачки и дополнительная площадь поверхности теплопередачи, что существенно отличается от ребер (расширенных поверхностей).
Радиаторы функционируют путем эффективной передачи тепловой энергии («тепла») от объекта с высокой температурой ко второму объекту с более низкой температурой и гораздо большей теплоемкостью . Эта быстрая передача тепловой энергии быстро приводит первый объект в тепловое равновесие со вторым, понижая температуру первого объекта, выполняя роль радиатора как охлаждающего устройства. Эффективная функция радиатора основана на быстрой передаче тепловой энергии от первого объекта к радиатору, а от радиатора ко второму объекту.
Наиболее распространенная конструкция радиатора представляет собой металлическое устройство с множеством ребер. Высокая теплопроводность металла в сочетании с большой площадью поверхности приводит к быстрой передаче тепловой энергии в окружающий, более холодный, воздух. Это охлаждает радиатор и все, с чем он находится в прямом тепловом контакте. Использование жидкостей (например, охлаждающих жидкостей в холодильной технике) и материала теплопроводности (при охлаждении электронных устройств) обеспечивает хорошую передачу тепловой энергии к радиатору. Аналогичным образом вентилятор может улучшить передачу тепловой энергии от радиатора к воздуху.
Радиатор обычно состоит из основания с одной или несколькими плоскими поверхностями и массива гребенчатых или ребристой формы выступов для увеличения площади поверхности радиатора, контактирующей с воздухом, и, таким образом, увеличения скорости рассеивания тепла. Хотя радиатор является статическим объектом, вентилятор часто помогает радиатору, обеспечивая увеличенный поток воздуха над радиатором, тем самым поддерживая больший температурный градиент , заменяя нагретый воздух быстрее, чем пассивная конвекция, — это известно как система с принудительной подачей воздуха .
В идеале радиаторы изготавливаются из хорошего теплопроводника, такого как сплав серебра , золота , меди или алюминия . Медь и алюминий являются одними из наиболее часто используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (401 Вт/(м·К) при 300 К) значительно дороже алюминия (237 Вт/(м·К) при 300 К), но также примерно в два раза эффективнее как теплопроводник . Алюминий имеет существенное преимущество в том, что его можно легко формировать методом экструзии , что делает возможным получение сложных поперечных сечений. Алюминий также намного легче меди, что обеспечивает меньшую механическую нагрузку на чувствительные электронные компоненты. Некоторые радиаторы, изготовленные из алюминия, имеют медный сердечник в качестве компромисса. Контактная поверхность радиатора (основание) должна быть плоской и гладкой, чтобы обеспечить наилучший тепловой контакт с объектом, требующим охлаждения. Часто для обеспечения оптимального теплового контакта используется теплопроводящая смазка ; такие соединения часто содержат коллоидное серебро . Кроме того, зажимной механизм, винты или термоклей надежно удерживают радиатор на компоненте, но при этом не оказывают давления, которое могло бы раздавить компонент.
Эффективность теплоотвода (включая свободную конвекцию, принудительную конвекцию, жидкостное охлаждение и любую их комбинацию) зависит от материала, геометрии и общего коэффициента теплопередачи поверхности. Как правило, тепловые характеристики теплоотвода с принудительной конвекцией улучшаются за счет увеличения теплопроводности материалов теплоотвода, увеличения площади поверхности (обычно путем добавления расширенных поверхностей, таких как ребра или вспененный металл) и увеличения общего коэффициента теплопередачи поверхности (обычно путем увеличения скорости жидкости, например, путем добавления вентиляторов, насосов и т. д.).
Онлайн-калькуляторы теплоотводов от таких компаний, как Novel Concepts, Inc. и www.heatsinkcalculator.com [7] могут точно оценить производительность теплоотвода с принудительной и естественной конвекцией. Для более сложных геометрий теплоотводов или теплоотводов с несколькими материалами или несколькими жидкостями рекомендуется анализ вычислительной гидродинамики (CFD) (см. графики на этой странице). [ необходима цитата ]
Этот термин описывает охлаждение устройства посредством конвекционных потоков теплого воздуха, который может выходить за пределы компонента и заменяться более холодным воздухом. Поскольку теплый воздух обычно поднимается, этот метод обычно требует вентиляции в верхней части или по бокам корпуса, чтобы быть эффективным.
Если в систему нагнетается больше воздуха, чем откачивается (из-за дисбаланса в количестве вентиляторов), это называется «положительным» потоком воздуха, поскольку давление внутри устройства выше, чем снаружи.
Сбалансированный или нейтральный поток воздуха является наиболее эффективным, хотя слегка положительный поток воздуха может привести к меньшему скоплению пыли при условии надлежащей фильтрации.
Тепловая трубка — это устройство для передачи тепла, которое использует испарение и конденсацию двухфазной «рабочей жидкости» или хладагента для транспортировки большого количества тепла с очень небольшой разницей температур между горячим и холодным интерфейсами. Типичная тепловая трубка состоит из герметичной полой трубки, изготовленной из теплопроводного металла, такого как медь или алюминий , и фитиля для возврата рабочей жидкости из испарителя в конденсатор. Трубка содержит как насыщенную жидкость, так и пар рабочей жидкости (например, воду , метанол или аммиак ), все другие газы исключены. Наиболее распространенная тепловая трубка для терморегулирования электроники имеет медную оболочку и фитиль, а вода является рабочей жидкостью. Медь/метанол используется, если тепловой трубке необходимо работать ниже точки замерзания воды, а алюминий/аммиачные тепловые трубки используются для охлаждения электроники в космосе.
Преимущество тепловых трубок заключается в их высокой эффективности передачи тепла. Теплопроводность тепловых трубок может достигать 100 000 Вт/м К, в отличие от меди, теплопроводность которой составляет около 400 Вт/м К. [8]
Охлаждающие пластины Пельтье / ˈ p ɛ l t i . eɪ / используют эффект Пельтье для создания теплового потока между соединением двух различных проводников электричества путем подачи электрического тока. [9] Этот эффект обычно используется для охлаждения электронных компонентов и небольших приборов. На практике многие такие соединения могут быть расположены последовательно, чтобы увеличить эффект до требуемого количества нагрева или охлаждения.
В нем нет подвижных частей, поэтому пластина Пельтье не требует обслуживания. Она имеет относительно низкую эффективность, поэтому термоэлектрическое охлаждение обычно используется для электронных устройств, таких как инфракрасные датчики, которым необходимо работать при температурах ниже температуры окружающей среды. Для охлаждения этих устройств твердотельная природа пластин Пельтье перевешивает их низкую эффективность. Термоэлектрические соединения обычно примерно на 10% так же эффективны, как идеальный холодильник с циклом Карно , по сравнению с 40%, достигаемыми обычными системами компрессионного цикла.
Синтетическая струя создается непрерывным потоком вихрей, которые формируются путем чередования кратковременного выброса и всасывания воздуха через отверстие таким образом, что чистый поток массы равен нулю. Уникальной особенностью этих струй является то, что они полностью формируются из рабочей жидкости системы потока, в которой они развернуты, и могут создавать чистый импульс для потока системы без чистого впрыска массы в систему.
Синтетические струйные воздушные двигатели не имеют подвижных частей и, таким образом, не требуют обслуживания. Благодаря высоким коэффициентам теплопередачи, высокой надежности, но более низким общим расходам, синтетические струйные воздушные двигатели обычно используются на уровне чипа, а не на системном уровне для охлаждения. Однако в зависимости от размера и сложности систем они могут использоваться для обоих случаев. [ необходима цитата ]
Электростатический ускоритель жидкости (EFA) — это устройство, которое качает жидкость, например воздух, без каких-либо движущихся частей. Вместо использования вращающихся лопастей, как в обычном вентиляторе, EFA использует электрическое поле для приведения в движение электрически заряженных молекул воздуха. Поскольку молекулы воздуха обычно имеют нейтральный заряд, EFA должен сначала создать несколько заряженных молекул или ионов. Таким образом, существует три основных этапа в процессе ускорения жидкости: ионизировать молекулы воздуха, использовать эти ионы, чтобы подтолкнуть еще больше нейтральных молекул в желаемом направлении, а затем снова захватить и нейтрализовать ионы, чтобы устранить любой чистый заряд.
Основной принцип был понятен уже давно, но только в последние годы появились разработки в области проектирования и производства устройств EFA, которые могут позволить найти им практическое и экономичное применение, например, для микроохлаждения электронных компонентов.
Совсем недавно были исследованы материалы с высокой теплопроводностью, такие как синтетические алмазы и арсенид бора, охлаждающие радиаторы, чтобы обеспечить лучшее охлаждение. Сообщалось, что арсенид бора обладает высокой теплопроводностью и высокой тепловой граничной проводимостью с транзисторами из нитрида галлия и, таким образом, лучшей производительностью, чем технологии охлаждения на основе алмаза и карбида кремния. Например, финансируемые Министерством обороны США исследования проводились с использованием транзисторов из нитрида галлия с высокой плотностью мощности с синтетическими алмазами в качестве теплопроводников. [10] [11] Кроме того, некоторые радиаторы изготавливаются из нескольких материалов с желаемыми характеристиками, такими как материалы с изменением фазы , которые могут хранить большое количество энергии из-за их теплоты плавления . [ требуется ссылка ]
Тепловое моделирование дает инженерам визуальное представление о температуре и потоке воздуха внутри оборудования. Тепловое моделирование позволяет инженерам проектировать систему охлаждения; оптимизировать конструкцию для снижения энергопотребления, веса и стоимости; и проверять тепловой дизайн, чтобы убедиться в отсутствии проблем при сборке оборудования. Большинство программ для теплового моделирования используют методы вычислительной гидродинамики для прогнозирования температуры и потока воздуха в электронной системе.
Тепловое моделирование часто требуется для определения того, как эффективно охлаждать компоненты в рамках ограничений конструкции. Моделирование позволяет проектировать и проверять тепловой дизайн оборудования на очень ранней стадии и на протяжении всего проектирования электронных и механических деталей. Проектирование с учетом тепловых свойств с самого начала снижает риск внесения изменений в конструкцию в последнюю минуту для устранения тепловых проблем.
Использование термического моделирования в процессе проектирования позволяет создать оптимальную и инновационную конструкцию продукта, которая соответствует спецификациям и отвечает требованиям надежности клиентов. [12]
Легко спроектировать систему охлаждения практически для любого оборудования, если есть неограниченное пространство, мощность и бюджет. Однако большая часть оборудования будет иметь жесткую спецификацию, которая оставляет ограниченный запас для ошибки. Существует постоянное давление с целью снижения требований к мощности, веса системы и стоимости деталей без ущерба для производительности или надежности. Тепловое моделирование позволяет экспериментировать с оптимизацией, например, изменять геометрию радиатора или уменьшать скорость вращения вентилятора в виртуальной среде, что быстрее, дешевле и безопаснее, чем физический эксперимент и измерение.
Традиционно первый раз тепловая конструкция оборудования проверяется после создания прототипа. Устройство включается, возможно, внутри климатической камеры, и температуры критических частей системы измеряются с помощью датчиков, таких как термопары. Если обнаруживаются какие-либо проблемы, проект откладывается, пока идет поиск решения. Для устранения проблемы может потребоваться изменение конструкции печатной платы или части корпуса, что займет время и будет стоить значительных денег. Если тепловое моделирование используется как часть процесса проектирования оборудования, проблема тепловой конструкции будет выявлена до создания прототипа. Устранение проблемы на этапе проектирования и быстрее, и дешевле, чем изменение конструкции после создания прототипа.
Существует широкий спектр программных инструментов, предназначенных для теплового моделирования электроники, включая 6SigmaET, Ansys 'IcePak и Mentor Graphics 'FloTHERM.
Необходимо принять меры по управлению температурой для размещения оборудования с высоким тепловыделением в телекоммуникационных помещениях. Общие методы дополнительного/точечного охлаждения, а также готовые решения по охлаждению, разработанные производителями оборудования, являются жизнеспособными решениями. Такие решения могут позволить размещать оборудование с очень высоким тепловыделением в центральном офисе, имеющем плотность тепла на уровне или около охлаждающей способности, доступной от центрального кондиционера.
Согласно Telcordia GR-3028, «Управление температурой в центральных офисах телекоммуникаций», наиболее распространенным способом внутреннего охлаждения современного телекоммуникационного оборудования является использование нескольких высокоскоростных вентиляторов для создания принудительного конвекционного охлаждения. Хотя в будущем может быть внедрено прямое и косвенное жидкостное охлаждение, текущая конструкция нового электронного оборудования ориентирована на сохранение воздуха в качестве охлаждающей среды. [13]
Для понимания текущих и будущих проблем терморегулирования необходим хорошо разработанный «целостный» подход. Охлаждение пространства, с одной стороны, и охлаждение оборудования, с другой, нельзя рассматривать как две изолированные части общей тепловой проблемы. Основная цель системы распределения воздуха в помещении с оборудованием — распределять кондиционированный воздух таким образом, чтобы эффективно охлаждать электронное оборудование. Общая эффективность охлаждения зависит от того, как система распределения воздуха перемещает воздух через помещение с оборудованием, как оборудование перемещает воздух через рамы оборудования и как эти потоки воздуха взаимодействуют друг с другом. Высокие уровни рассеивания тепла в значительной степени зависят от бесшовной интеграции конструкций охлаждения оборудования и охлаждения помещения.
Существующие экологические решения в телекоммуникационных объектах имеют неотъемлемые ограничения. Например, большинство зрелых центральных офисов имеют ограниченное пространство для больших воздуховодных установок, которые требуются для охлаждения помещений с оборудованием с высокой плотностью тепла. Кроме того, резкие температурные градиенты быстро развиваются в случае отключения охлаждения; это было хорошо задокументировано с помощью компьютерного моделирования и прямых измерений и наблюдений. Хотя резервные системы защиты окружающей среды могут быть установлены, существуют ситуации, когда они не помогут. В недавнем случае телекоммуникационное оборудование в крупном центральном офисе перегрелось, и критически важные службы были прерваны полным отключением охлаждения, инициированным ложным срабатыванием дымовой сигнализации.
Основным препятствием для эффективного управления температурой является то, как в настоящее время сообщаются данные о тепловыделении. Поставщики обычно указывают максимальное (заводское) тепловыделение оборудования. В реальности конфигурация оборудования и разнообразие трафика приведут к значительно более низким показателям тепловыделения.
Как указано в GR-3028, большинство сред оборудования поддерживают прохладные передние (технические) проходы и горячие задние (проводка) проходы, где холодный приточный воздух подается в передние проходы, а горячий воздух удаляется из задних проходов. Эта схема обеспечивает множество преимуществ, включая эффективное охлаждение оборудования и высокую тепловую эффективность.
В традиционном классе охлаждения помещений, используемом большинством поставщиков услуг, охлаждение оборудования выиграло бы от мест забора и выпуска воздуха, которые помогают перемещать воздух из переднего прохода в задний проход. Однако традиционная схема спереди-снизу-сверху-сзади была заменена в некотором оборудовании другими схемами воздушного потока, которые могут не обеспечивать адекватного охлаждения оборудования в зонах с высокой плотностью тепла.
Классификация оборудования (полок и шкафов) по классам охлаждения оборудования (EC) служит для классификации оборудования с учетом мест забора охлаждающего воздуха и отвода горячего воздуха, т. е. схем или протоколов воздушного потока оборудования.
Синтаксис EC-Class обеспечивает гибкий и важный «общий язык». Он используется для разработки целевых показателей тепловыделения (HRT), которые важны для надежности сети, планирования оборудования и пространства, а также планирования пропускной способности инфраструктуры. HRT учитывают физические ограничения окружающей среды и базовые экологические критерии, включая пропускную способность потока подаваемого воздуха, диффузию воздуха в пространство оборудования и взаимодействие распределения воздуха и оборудования. Помимо использования для разработки HRT, классификацию EC можно использовать для демонстрации соответствия в листах продукции, предоставления внутренних спецификаций проекта или указания требований в заказах на закупку.
Классификация охлаждения помещений (RC-класс) относится к способу кондиционирования (охлаждения) всего пространства оборудования. Основная цель RC-классов — предоставить логическую классификацию и описание устаревших и не устаревших схем или протоколов охлаждения помещений в среде центрального офиса. Помимо использования для разработки HRT, RC-классификация может использоваться во внутренних спецификациях проектирования центрального офиса или в заказах на закупку.
Классы дополнительного охлаждения (класс SC) предоставляют классификацию дополнительных методов охлаждения. Поставщики услуг используют дополнительные/точечные решения охлаждения для дополнения охлаждающей способности (например, для устранения случаев «горячих точек»), предоставляемых общим протоколом охлаждения помещения, как выражено классом RC.
Потребление энергии телекоммуникационным оборудованием в настоящее время составляет высокий процент от общего объема энергии, потребляемой в центральных офисах. Большая часть этой энергии впоследствии выделяется в виде тепла в окружающее пространство оборудования. Поскольку большая часть оставшейся энергии центрального офиса идет на охлаждение аппаратной, экономический эффект от повышения энергоэффективности электронного оборудования будет значительным для компаний, которые используют и эксплуатируют телекоммуникационное оборудование. Это позволит сократить капитальные затраты на вспомогательные системы и улучшить тепловые условия в аппаратной.