Все электронные устройства и схемы выделяют избыточное тепло и поэтому требуют управления температурным режимом для повышения надежности и предотвращения преждевременного выхода из строя . Величина тепловыделения равна подводимой мощности , если нет других энергетических взаимодействий. [1] Существует несколько методов охлаждения, включая различные типы радиаторов , термоэлектрические охладители , системы принудительной подачи воздуха и вентиляторы , тепловые трубки и другие. В случае экстремально низких температур окружающей среды может потребоваться нагрев электронных компонентов для достижения удовлетворительной работы. [2]
Обычно под ним понимают тепловое сопротивление от перехода до корпуса полупроводникового устройства. Единицы измерения: °C/Вт. Например, радиатор с номинальной теплоотдачей 10 °C/Вт будет нагреваться на 10 °C выше, чем окружающий воздух, если он рассеивает 1 Вт тепла. Таким образом, радиатор с низким значением °C/Вт более эффективен, чем радиатор с высоким значением °C/Вт. [3] Учитывая два полупроводниковых устройства в одном корпусе, более низкое сопротивление перехода к окружающей среде (R θJ-C ) указывает на более эффективное устройство. Однако при сравнении двух устройств с разными тепловыми сопротивлениями корпуса без кристалла (например, DirectFET MT и Wirebond 5x6 мм PQFN) значения сопротивления их перехода к окружающей среде или перехода к корпусу могут не коррелировать напрямую с их сравнительной эффективностью. Различные полупроводниковые корпуса могут иметь разную ориентацию кристалла, разную массу меди (или другого металла) вокруг кристалла, разную механику крепления кристалла и разную толщину формовки, и все это может привести к значительно разным значениям сопротивления перехода к корпусу или переходу к окружающей среде, а также может таким образом скрываются общие показатели эффективности.
Тепловую массу радиатора можно рассматривать как конденсатор (хранящий тепло вместо заряда), а тепловое сопротивление — как электрическое сопротивление (показатель того, насколько быстро может рассеиваться накопленное тепло). Вместе эти два компонента образуют тепловую RC-цепь с соответствующей постоянной времени, определяемой произведением R и C. Эту величину можно использовать для расчета динамической способности рассеивания тепла устройством аналогично электрическому случаю. [4]
Материал термоинтерфейса или мастика (он же TIM ) используется для заполнения зазоров между поверхностями теплопередачи , например, между микропроцессорами и радиаторами , чтобы повысить эффективность теплопередачи . Он имеет более высокое значение теплопроводности в направлении Z, чем в направлении xy.
Благодаря последним технологическим разработкам и общественному интересу розничный рынок радиаторов достиг рекордно высокого уровня. В начале 2000-х годов выпускались процессоры , выделявшие все больше тепла, чем раньше, что повышало требования к качественным системам охлаждения.
Разгон всегда означал большую потребность в охлаждении, а более горячие чипы по своей сути вызывали больше беспокойства у 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 сейчас конкурируют за право предложить лучший радиатор для энтузиастов разгона ПК . В число известных производителей радиаторов вторичного рынка входят: Aero Cool, Foxconn , Thermalright , Thermaltake , Swiftech и Zalman . [ нужна цитата ]
При пайке печатных плат иногда использовались временные радиаторы , чтобы предотвратить 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 устройства, предназначенные для сборки методом пайки оплавлением , обычно выдерживают температуры пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как магнитные герконы, могут выйти из строя под воздействием паяльников с более высокой мощностью, поэтому эта практика все еще широко используется. [5]
Для аккумуляторов, используемых в электромобилях, номинальные характеристики аккумулятора обычно указываются для рабочих температур в диапазоне от +20 °C до +30 °C; однако фактическая производительность может существенно отличаться от этой, если батарея работает при более высоких или, в частности, более низких температурах, поэтому некоторые электромобили имеют подогрев и охлаждение своих батарей. [6]
Радиаторы широко используются в электронике и стали неотъемлемой частью современной микроэлектроники. Обычно это металлический предмет, контактирующий с горячей поверхностью электронного компонента, хотя в большинстве случаев между двумя поверхностями выступает тонкий термоинтерфейсный материал . Микропроцессоры и силовые полупроводники являются примерами электроники, которой необходим радиатор для снижения их 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 незаменимыми для современных интегральных схем, таких как микропроцессоры , DSP , графические процессоры и т. д.
Радиатор обычно состоит из металлической конструкции с одной или несколькими плоскими поверхностями, обеспечивающими хороший тепловой контакт с охлаждаемыми компонентами, и набора гребешковых или ребристых выступов для увеличения контакта поверхности с воздухом и, следовательно, скорости охлаждения. рассеивание тепла.
Радиатор иногда используется вместе с вентилятором для увеличения скорости воздушного потока над радиатором. Это поддерживает больший градиент температуры за счет замены нагретого воздуха быстрее, чем это сделала бы конвекция. Это известно как система принудительной подачи воздуха.
Размещение проводящей толстой металлической пластины, называемой холодной пластиной, в качестве поверхности раздела теплопередачи между источником тепла и холодной текущей жидкостью (или любым другим радиатором) может улучшить эффективность охлаждения. В такой конструкции источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не при прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано, что толстая пластина может значительно улучшить теплообмен между источником тепла и охлаждающей жидкостью за счет оптимального проведения теплового потока. Двумя наиболее привлекательными преимуществами этого метода являются отсутствие дополнительной мощности накачки и дополнительной площади поверхности теплопередачи, что сильно 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, снижая температуру первого объекта и выполняя роль радиатора в качестве охлаждающего устройства. Эффективное функционирование радиатора зависит от быстрой передачи тепловой энергии от первого объекта к радиатору и от радиатора ко второму объекту.
Самая 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 окружающему, более прохладному воздуху. Это охлаждает радиатор и все, с чем он находится в прямом тепловом контакте. Использование жидкостей (например, охлаждающих жидкостей в холодильных установках) и материалов термоинтерфейса (при охлаждении электронных устройств) обеспечивает хорошую передачу тепловой энергии к радиатору. Аналогично, вентилятор может улучшить передачу тепловой энергии от радиатора к воздуху.
Радиатор обычно состоит из основания с одной или несколькими плоскими поверхностями и набора гребнеобразных или ребристых выступов для увеличения площади поверхности радиатора, контактирующей с воздухом, и, таким образом, увеличения скорости рассеивания тепла. Хотя радиатор является статичным объектом, вентилятор часто помогает радиатору, обеспечивая увеличенный поток воздуха над радиатором, поддерживая таким образом больший температурный градиент за счет замены нагретого воздуха быстрее, чем достигается только пассивной конвекцией. Это называется принудительной конвекцией. -воздушная система .
В идеале радиаторы изготавливаются из хорошего теплопроводника, такого как серебро , золото , медь или алюминиевый сплав. 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 теплопроводника . Алюминий имеет значительное преимущество: его можно легко формовать путем экструзии , что делает возможным создание сложных поперечных сечений. Алюминий также намного легче меди, что обеспечивает меньшую механическую нагрузку на хрупкие электронные компоненты. Некоторые радиаторы из алюминия в качестве компромисса имеют медный сердечник. Контактная поверхность радиатора (основание) должна быть плоской и гладкой, чтобы обеспечить наилучший тепловой контакт с объектом, нуждающимся в охлаждении. Часто для обеспечения оптимального теплового контакта используется теплопроводящая смазка ; такие соединения часто содержат коллоидное серебро . Кроме того, зажимной механизм, винты или термоклей плотно удерживают радиатор на компоненте, но без давления, которое могло бы раздавить компонент.
Производительность радиатора (включая свободную конвекцию, принудительную конвекцию, жидкостное охлаждение и любую их комбинацию) зависит от материала, геометрии и общего коэффициента теплопередачи поверхности. Как правило, тепловые характеристики радиатора с принудительной конвекцией улучшаются за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно за счет добавления расширенных поверхностей, таких как ребра или пенопласт) и за счет увеличения коэффициента теплопередачи общей площади (обычно за счет увеличения скорости жидкости, например, путем добавления вентиляторов, насосов и т. д.).
Онлайн-калькуляторы радиатора от таких компаний, как Novel Concepts, Inc. и www.heatsinkcalculator.com [7] , могут точно оценить эффективность радиатора с принудительной и естественной конвекцией. Для радиаторов более сложной геометрии или радиаторов с несколькими материалами или несколькими жидкостями рекомендуется анализ вычислительной гидродинамики (CFD) (см. графики на этой странице). [ нужна цитата ]
Этот термин описывает охлаждение устройства за счет конвекционных потоков теплого воздуха, которые позволяют выйти за пределы компонента, заменяемого более холодным воздухом. Поскольку теплый воздух обычно поднимается вверх, для эффективности этого метода обычно требуется вентиляция сверху или по бокам корпуса.
Если в систему нагнетается больше воздуха, чем выкачивается (из-за дисбаланса количества вентиляторов), это называется «положительным» воздушным потоком, поскольку давление внутри устройства выше, чем снаружи.
Сбалансированный или нейтральный воздушный поток является наиболее эффективным, хотя слегка положительный воздушный поток может привести к меньшему скоплению пыли при правильной фильтрации.
Тепловая трубка — это устройство теплопередачи, которое использует испарение и конденсацию двухфазного «рабочего тела» 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 из теплопроводного металла, такого как медь или алюминий , и фитиля для возврата рабочей жидкости из испарителя в конденсатор. Труба содержит как насыщенную жидкость, так и пары рабочей жидкости (например, воды , метанола или аммиака ), все остальные газы исключены. Наиболее распространенная тепловая трубка для терморегулирования электроники имеет медную оболочку и фитиль, а в качестве рабочей жидкости используется вода. Медь/метанол используется, если тепловая трубка должна работать при температуре ниже точки замерзания воды, а тепловые трубки из алюминия/аммиака 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 / воспользоваться эффектом Пельтье для создания теплового потока между местом соединения двух разных проводников электричества путем подачи электрического тока. [9] Этот эффект обычно используется для охлаждения электронных компонентов и небольших инструментов. На практике многие такие переходы могут быть расположены последовательно, чтобы увеличить эффект до требуемой величины нагрева или охлаждения.
В нем нет движущихся частей, поэтому пластина Пельтье не требует обслуживания. Он имеет относительно низкий КПД, поэтому термоэлектрическое охлаждение обычно используется для электронных устройств, таких как инфракрасные датчики, которым необходимо работать при температурах ниже температуры окружающей среды. При охлаждении этих устройств твердотельная природа пластин Пельтье перевешивает их низкую эффективность. Термоэлектрические спаи обычно примерно на 10% эффективнее идеального холодильника с циклом Карно по сравнению с 40%, достигаемыми обычными системами с циклом сжатия.
Синтетическая струя создается непрерывным потоком вихрей, которые образуются в результате попеременного кратковременного выброса и всасывания воздуха через отверстие, так что чистый поток массы равен нулю. Уникальной особенностью этих струй является то, что они полностью сформированы из рабочей жидкости проточной системы, в которой они развернуты, и могут создавать чистый импульс потоку системы без впрыска чистой массы в систему.
Синтетические струйные пневмодвигатели не имеют движущихся частей и поэтому не требуют технического обслуживания. Благодаря высоким коэффициентам теплопередачи, высокой надежности, но более низкой общей скорости потока, синтетические струйные воздушные двигатели обычно используются для охлаждения на уровне чипа, а не на уровне системы. Однако в зависимости от размера и сложности систем их можно использовать одновременно и для того, и для другого. [ нужна цитата ]
Электростатический жидкостный ускоритель (EFA) — это устройство, которое перекачивает 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 нейтрально заряжены, EFA сначала должна создать несколько заряженных молекул или ионов. Таким образом, процесс ускорения жидкости состоит из трех основных этапов: ионизировать молекулы воздуха, использовать эти ионы, чтобы подтолкнуть еще больше нейтральных молекул в желаемом направлении, а затем повторно захватить и нейтрализовать ионы, чтобы устранить любой суммарный заряд.
Основной принцип был понятен уже некоторое время, но только в последние годы произошли изменения в разработке и производстве устройств EFA, которые могут позволить им найти практическое и экономичное применение, например, в микроохлаждении электронных компонентов.
Совсем недавно исследуются материалы с высокой теплопроводностью, такие как охлаждающие радиаторы из синтетического алмаза и арсенида бора, для обеспечения лучшего охлаждения. Сообщается, что арсенид бора обладает высокой теплопроводностью и высокой тепловой граничной проводимостью с транзисторами из нитрида галлия и, следовательно, имеет лучшие характеристики, чем технологии охлаждения из алмаза и карбида кремния. Например, при финансовой поддержке Министерства обороны США проводятся исследования по использованию транзисторов из нитрида галлия высокой мощности с синтетическими алмазами в качестве теплопроводников. [10] [11] Кроме того, некоторые радиаторы изготавливаются из нескольких материалов с желаемыми характеристиками, таких как материалы с фазовым переходом , которые могут хранить большое количество энергии за счет теплоты плавления . [ нужна цитата ]
Тепловое моделирование дает инженерам визуальное представление о температуре и воздушном потоке внутри оборудования. Тепловое моделирование позволяет инженерам проектировать систему охлаждения; оптимизировать конструкцию для снижения энергопотребления, веса и стоимости; и проверить тепловой расчет, чтобы убедиться в отсутствии проблем при сборке оборудования. Большинство программ для теплового моделирования используют методы вычислительной гидродинамики для прогнозирования температуры и воздушного потока в электронной системе.
Тепловое моделирование часто требуется, чтобы определить, как эффективно охлаждать компоненты в рамках проектных ограничений. Моделирование позволяет проектировать и проверять тепловой расчет оборудования на очень ранней стадии, а также на протяжении всего проектирования электронных и механических частей. Проектирование с учетом тепловых свойств с самого начала снижает риск внесения изменений в конструкцию в последнюю минуту для устранения тепловых проблем.
Использование теплового моделирования в процессе проектирования позволяет создать оптимальную и инновационную конструкцию продукта, которая соответствует спецификациям и требованиям клиентов к надежности. [12]
Легко спроектировать систему охлаждения практически для любого оборудования, если есть неограниченное пространство, мощность и бюджет. Однако большая часть оборудования будет иметь жесткую спецификацию, оставляющую ограниченную вероятность ошибки. Существует постоянная необходимость снижения требований к питанию, веса системы и стоимости деталей без ущерба для производительности и надежности. Тепловое моделирование позволяет экспериментировать с оптимизацией, например изменять геометрию радиатора или снижать скорость вращения вентилятора в виртуальной среде, что быстрее, дешевле и безопаснее, чем физические эксперименты и измерения.
Традиционно первая проверка теплового расчета оборудования проводится после создания прототипа. Устройство включается, возможно, внутри климатической камеры, и температура критических частей системы измеряется с помощью датчиков, таких как термопары. Если обнаруживаются какие-либо проблемы, проект откладывается на время поиска решения. Для устранения проблемы может потребоваться изменение конструкции печатной платы или части корпуса, что займет время и будет стоить значительную сумму денег. Если тепловое моделирование используется как часть процесса проектирования оборудования, проблемы теплового расчета будут выявлены до того, как будет построен прототип. Исправить проблему на этапе проектирования быстрее и дешевле, чем вносить изменения в конструкцию 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 температурным режимом для размещения оборудования с высоким тепловыделением в телекоммуникационных помещениях. Жизнеспособными решениями являются общие методы дополнительного/точечного охлаждения, а также готовые решения по охлаждению, разработанные производителями оборудования. Такие решения могут позволить разместить оборудование с очень высоким тепловыделением в центральном офисе, плотность тепла которого равна или близка к холодопроизводительности центрального кондиционера.
Согласно Telcordia GR-3028, «Управление температурным режимом в центральных телекоммуникационных офисах», наиболее распространенным способом внутреннего охлаждения современного телекоммуникационного оборудования является использование нескольких высокоскоростных вентиляторов для создания принудительного конвекционного охлаждения. Хотя в будущем может быть введено прямое и непрямое жидкостное охлаждение, нынешняя конструкция нового электронного оборудования ориентирована на использование воздуха в качестве охлаждающей среды. [13]
Для понимания текущих и будущих проблем управления температурным режимом необходим хорошо разработанный «целостный» подход. Охлаждение помещений, с одной стороны, и охлаждение оборудования, с другой, нельзя рассматривать как две изолированные части общей тепловой проблемы. Основная цель системы воздухораспределения объекта оборудования — распределять кондиционированный воздух таким образом, чтобы электронное оборудование эффективно охлаждалось. Общая эффективность охлаждения зависит от того, как система распределения воздуха перемещает воздух через аппаратную, как оборудование перемещает воздух через каркасы оборудования и как эти воздушные потоки взаимодействуют друг с другом. Высокий уровень тепловыделения во многом зависит от плавной интеграции систем охлаждения оборудования и помещений.
Существующие экологические решения на телекоммуникационных объектах имеют свои ограничения. Например, в большинстве зрелых центральных офисов имеется ограниченное пространство для установки крупных воздуховодов, необходимых для охлаждения аппаратных помещений с высокой плотностью тепла. Более того, в случае отключения охлаждения быстро возникают резкие температурные градиенты; это было хорошо задокументировано посредством компьютерного моделирования и прямых измерений и наблюдений. Хотя могут существовать системы резервного копирования окружающей среды, бывают ситуации, когда они не помогут. В недавнем случае телекоммуникационное оборудование в главном центральном офисе было перегрето, а критически важные услуги были прерваны из-за полного отключения охлаждения, вызванного ложным срабатыванием дымовой сигнализации.
Основным препятствием для эффективного управления температурным режимом является способ представления данных о тепловыделении в настоящее время. Поставщики обычно указывают максимальное (на паспортной табличке) тепловыделение оборудования. В действительности конфигурация оборудования и разнообразие трафика приведут к значительному снижению количества тепловыделений.
Как указано в GR-3028, в большинстве сред с оборудованием поддерживаются прохладные передние проходы (техническое обслуживание) и горячие задние проходы (проводка), 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 высокий тепловой КПД.
В традиционном классе охлаждения помещений, используемом большинством поставщиков услуг, охлаждение оборудования будет лучше за счет мест забора и вытяжки воздуха, которые помогают перемещать воздух из переднего прохода в задний проход. Однако в некоторых устройствах традиционная схема расположения потоков воздуха «спереди-снизу вверх-назад» была заменена другими схемами воздушного потока, которые могут не обеспечить адекватное охлаждение оборудования в зонах с высокой плотностью тепла.
Классификация оборудования (полок и шкафов) по классам охлаждения оборудования (EC) служит для классификации оборудования по местам забора охлаждающего воздуха и отвода горячего воздуха, т. е. по схемам или протоколам воздушного потока оборудования.
Синтаксис EC-класса 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 мощности инфраструктуры. HRT учитывают физические ограничения окружающей среды и базовые критерии окружающей среды, включая пропускную способность приточного воздуха, диффузию воздуха в пространство с оборудованием и взаимодействие воздухораспределения и оборудования. Классификацию ЕС можно использовать не только для разработки HRT, но и для демонстрации соответствия на листах продукции, предоставления внутренних проектных спецификаций или указания требований в заказах на поставку.
Классификация охлаждения помещения (RC-класс) относится к тому, как все помещение с оборудованием кондиционируется (охлаждается). Основная цель RC-классов — обеспечить логическую классификацию и описание устаревших и устаревших схем или протоколов охлаждения помещений в среде центрального офиса. Классификация RC не только используется для разработки HRT, но и может использоваться во внутренних спецификациях центрального офиса или в заказах на поставку.
Классы дополнительного охлаждения (SC-класс) представляют собой классификацию методов дополнительного охлаждения. Поставщики услуг используют решения дополнительного/точечного охлаждения для дополнения охлаждающей способности (например, для устранения «горячих точек»), обеспечиваемой общим протоколом охлаждения помещения, как это выражено в классе 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 уходит на охлаждение аппаратной, экономический эффект от повышения энергоэффективности электронного оборудования будет значительным для компаний, которые используют и эксплуатируют телекоммуникационное оборудование. Это позволит снизить капитальные затраты на вспомогательные системы и улучшить тепловой режим в аппаратной.