Эффективность охлаждения естественной конвекции тем выше чем
Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 05.11.2013 2013-11-05
Статья просмотрена: 4800 раз
Библиографическое описание:
Меркульев, А. Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2013. — № 11 (58). — С. 143-145. — URL: https://moluch.ru/archive/58/8228/ (дата обращения: 26.12.2021).
Статья содержит обзор методов охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий (ЭРИ). Приведена сравнительная характеристика различных систем охлаждения. Показаны преимущества и недостатки различных способов охлаждения.
Ключевые слова: охлаждение, ЭРИ, характеристика, система охлаждения, преимущества, недостатки.
The article provides an overview of methods to cool semiconductor products. The comparative characteristics of different cooling systems. The advantages and disadvantages of different methods of cooling.
Keywords:cooling, ERI, characterization, cooling system, advantages, disadvantages.
Одна из тенденций современной электроники — уменьшение габаритов устройств при одновременном росте требований к их производительности и надежности. Но размещение большого числа электронных модулей на малой площади приводит к интенсивному нагреву. Поэтому, чем миниатюрней электронное устройство, тем актуальнее для него проблема эффективного охлаждения [1]. Следствием этого является необходимость в развитии надежных систем отвода тепла от электронных компонентов. Существующие в настоящий момент системы охлаждения принято разделять на две основные группы: пассивные системы охлаждения; активные системы охлаждения [2, 7].
Существующие системы охлаждения
Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла — конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.
Самый простой способ охлаждения ЭРИ — пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [3]. Размеры полупроводникового кристалла слишком малы, чтобы конвекции было достаточно для его охлаждения. При закреплении корпуса ЭРИ на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса микросхемы передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом. По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые радиаторы (рис. 1). Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция.
Рис.1. Конструкция радиаторов: а- ребристый; б — игольчатый.
Более эффективное охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ЭРИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов. В условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, так как на его долю приходится около 3 % отводимого тепла. Для повышения качества обдува можно использовать один или нескольких методов: увеличение количества вентиляторов; увеличение скорости вращения крыльчатки вентилятора; установка вентиляторов большего диаметра; увеличение количества лопастей, а также изменение их формы (т. е. замена существующих вентиляторов на более «продвинутые» модели); разработка более эффективной схемы движения воздушных масс; устранение препятствий на пути отвода воздуха. К достоинствам такой системы охлаждения относят: низкую стоимость; простоту установки и обслуживания. Однако у данной системы есть и существенные недостатки: вращающаяся крыльчатка является основным источником шума в устройстве; скромные, в сравнении с другими активными системами, показатели эффективности; небольшой потенциал для покрытия постоянно возрастающих потребностей в охлаждении; вентиляторы обладают крайне невысокой надежностью [4].
Более эффективным считается жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ЭРИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов: скорости охлаждающей жидкости; состава охлаждающей жидкости; наличия турбулентности; количества каналов охлаждения в радиаторе; материала радиатора. Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых трубок целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения или охлаждения с применением вентилятора. Тепловая трубка представляет собой тонкостенный металлический сосуд. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла, а другой — к приемнику — радиатору, будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.
Современной технологией охлаждения является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло. Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы– 50 тысяч). Существенными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением ТЭМ является [5]: малые габариты и вес определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фото-электронике; высокая надежность; высокая охлаждающая способность на единицу веса и объёма; возможность плавного и высокоточного регулирования холодопроизводительности и температурного режима; малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева; отсутствие рабочих жидкостей и газов и др.
Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток — низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25–30 2 см. Наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума. Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3А [5]. Результаты обзора представлены в таблице.
Основы охлаждения компьютера
в разделе «Охлаждение компьютера» на сайте
www.electrosad.ru
Основные понятия
Все перечисленные выше элементы нагреваются по нескольким причинам.
В любом случае температура элемента не должна превышать его максимальной рабочей температуры.
Задачи по недопущению перегрева элементов схемы и призвана решать система охлаждения, в данном случае ПК. А поскольку температура элемента (например процессора) есть величина переменная (зависит от его режима работы), система охлаждения должна обеспечивать охлаждение до температуры порядка 50-:-70% от максимальной. Так чтобы в пиковых тепловыделениях (вычислительных нагрузках на процессор) его температура не превышала максимальной рабочей температуры. Известно, что ее превышение чревато сбоями.
За счет чего охлаждаются элементы?
Если не вдаваться в научные термины, любая местная (точечная) неоднородность (в нашем случае избыточность тепла) стремиться равномерно распределиться в окружающей ее среде. Так и избыточность тепла нагретого элемента схемы стремиться равномерно распределиться в окружающем пространстве. Это перенос тепла от горячего тела к холодному, в том числе и окружающей среде и происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения.
Все три вида теплообмена описываются следующим выражением:
Важную роль играет и коэффициент теплообмена, для разных способов теплообмена он существенно отличается.
Чем сильнее нагрето охлаждаемое тело (чем выше t нагр ) тем эффективнее отводится от него выделяемая им мощность.
Теплопроводность
Т. это способность материала проводить тепло от нагретой поверхности к более холодной. Для теплопроводности коэффициент теплообмена α T равен
где 
— коэффициент теплопроводности металла Вт/(м К); 
— толщина материала м.
При расчетах переноса тепла за счет теплопроводности используют понятия тепловой проводимости и теплового сопротивления.
 -теплопроводность |  -тепловое сопротивление |
Конвекция
Конвективный теплообмен является основным видом теплопереноса применяемым в системах охлаждения РЭА. К. это передача тепла от тела к теплоносителю (например воздуху).
Существует два вида конвекции, это естественная конвекция и принудительная конвекция.
Естественная конвекция обеспечивает охлаждение устройств воздушными потоками создаваемым за счет естественных процессов подъема нагретого воздуха, как более легкого, вверх.
Теплосъем при этом способе сильно зависит от температуры охлаждаемого объекта и максимален при максимальной температуре.
При принудительной конвекции охлаждение осуществляется созданными с помощью внешних устройств (вентиляторов) направленных потоков воздуха с заданными скоростями движения и объемами за единицу времени.
Эффективность охлаждения при этом способе определяется температурой охлаждаемого устройства, скоростью и объемом прокачиваемого воздуха.
Теплообменники в свою очередь могут быть пассивными и активными. Пассивные работают только на теплопроводности материала теплообменника. Поэтому температура охлаждаемого устройства, при пассивном теплообменнике, не может быть ниже температуры воздуха.
К онвективный коэффициент теплообмена зависит более чем от десятка переменных, его расчет составляет достаточно сложную задачу для специалистов. Рассмотрение зависимостей здесь я делать не буду именно по этой причине.
Вы можете ознакомиться с методикой расчета одного частного случая, в журнале РАДИО №4, 2005 или «Расчет вентилируемого ребристого теплоотвода.» Там дан расчет типового теплообменника с принудительной вентиляцией подобного кулеру процессора.
Тепловое излучение
Эффективность охлаждения посредством теплового излучения для полупроводниковых приборов невелика. Так от радиатора процессора, при 55 град.С, через излучение отводится только около 2 процента выделяемой мощности. Но уже при температуре 150 градусов она составляет более 30 процентов. Только при температурах выше 150-200 град.С, имеет смысл увеличение излучательной способности радиатора с помощью специальной обработки поверхности радиатора. Это видно на рисунке приведенном ниже.
Здесь показана зависимость коэффициента Кизл характеризующего плотность потока излучаемой нагретым телом энергии от температуры тела t град. С.
А при температурах более 600 град С большая часть энергии нагретого тела отводится через излучение.
Правильное охлаждение электроники
Естественное конвекционное охлаждение
При выборе типа охлаждения, необходимого для конкретного применения, существует два ключевых фактора, которые следует учитывать: максимально допустимая температура компонента (определяется суммарной потерей мощности) и основные условия окружающей среды в месте установки. Использование естественного конвекционного охлаждения является наиболее экономически эффективным методом отвода тепла от корпуса или шкафа. Как правило, это весьма действенный метод, но он работает только тогда, когда наружному воздуху передается достаточное количество энергии, препятствующее превышению максимально допустимых значений температуры компонентов. В случае замкнутых шкафов или корпусов движение воздуха происходит преимущественно вдоль боковых стенок, которые должны обеспечивать его свободную циркуляцию как вдоль внутренней, так и внешней стороны корпуса. Температура окружающей среды должна быть значительно ниже требуемой температуры внутри корпуса. Свободная конвекция в качестве решения данной проблемы предусматривает свои ограничения, когда нужно отвести большое количество тепла. Это происходит потому, что количество рассеиваемого тепла (энергии) имеет линейную зависимость от площади поверхности корпуса и разницы между внешней и внутренней температурой.
Принудительная конвекция с использованием вентилятора
Рис. 1. 19″-кассета вентиляторов
Наиболее распространенной формой охлаждения является принудительное воздушное охлаждение — метод, достаточный для большинства корпусных решений. Здесь естественная конвекция усиливается за счет использования вентиляторов или кассеты вентиляторов (рис. 1). Иногда вентиляторы применяются, если аэродинамическое сопротивление воздуха внутренних компонентов существенно снижает эффективность естественной конвекции. Температура внешней среды, как и в предыдущем случае, должна быть значительно ниже, чем требуемая температура системы. Принудительные методы охлаждения можно разделить на два основных подхода: «на вдув» и «на выдув». При работе «на вдув» вентиляторы располагаются перед компонентами, которые необходимо охлаждать, и толкают воздух по направлению и вдоль нагревающихся элементов. В случае работы «на выдув», напротив, вентиляторы устанавливаются за компонентами, они вытягивают воздух, проходящий вдоль компонентов. Возможно также объединение обоих типов охлаждения. Какое из двух решений эффективнее, определяется исходя из окружающих условий. Если используется вариант «на вдув», в расчет должно быть добавлено тепло, вырабатываемое вентилятором. Для метода «на выдув» следует принимать во внимание и воздействие на него тепла компонентов (что приводит к снижению срока службы вентилятора).
В выборе подходящих вентиляторов решающую роль играют следующие параметры:
Охлаждение за счет теплопроводности
Охлаждение за счет теплопроводности относится к передаче тепла внутри корпуса или шасси, при котором применяется непосредственный контакт между двумя телами, без использования воздуха в качестве проводящей среды. Каждый контакт обладает определенным тепловым сопротивлением. Это значение влияет на передачу тепла по всей цепочке охлаждения за счет теплопроводности. Технические средства реализации охлаждения за счет теплопроводности имеют несколько форм.
Технология теплоотводящих кожухов (clamshell)
Технология Clamshell от Pentair — один из доступных вариантов специальных теплоотводящих кожухов. Такие кожухи оснащены распорными клиновыми зажимами Wedge-Loks/Card-Loks в верхней и нижней части, а также специальными ручками для вставки/изъятия модулей из шасси. Это гарантирует, что в полностью собранном виде данная конфигурация обеспечивает надежную фиксацию печатных плат в шасси, а также теплопроводность благодаря контакту металл-металл. Компоненты на печатных платах обычно располагаются с обеих сторон, поэтому теплоотводящие кожухи устанавливаются с двух сторон платы. Предлагаются два варианта поставки кожухов: с плоской внутренней поверхностью и поверхностью, фрезерованной по чертежам заказчика. При фрезеровке создается поверхность такой конфигурации, которая позволяет прижать кожух ко всем тепловыделяющим компонентам и обеспечить максимальную площадь теплового контакта. Для оптимальной теплопередачи дополнительно предусмотрены специальные эластичные теплопроводящие прокладки. Благодаря этой технологии тепло практически беспрепятственно передается на внешние поверхности кожухов, вот почему ограничивающим фактором является передача тепла от шасси воздуху. Есть целый ряд решений подобной проблемы, например, с помощью вентиляторов, обеспечивающих принудительное воздушное охлаждение через гладкие или ребристые поверхности.
Теплоотводы Flexible Heat Conductor
Рис. 2. Корпус Schroff Interscale C со встроенным теплопроводником FHC
Для корпусов небольших размеров или встраиваемых систем, которые из-за областей применения должны быть замкнутыми, тепло от сильно нагревающихся источников (например, процессоров) также отводят с помощью охлаждения за счет теплопроводности. До настоящего времени в качестве теплопроводника обычно использовались твердые металлические элементы с термопрокладками или термопастами, которые передавали тепло к поверхности корпуса прибора. Для подобных применений компания Pentair разработала теплоотвод FHC (Flexible Heat Conductor), показанный на рис. 2. Такие теплоотводы изготовлены из алюминия, имеющего очень высокий коэффициент теплопроводности, и могут изменять свою высоту. Это позволяет FHC обеспечивать хороший тепловой контакт, в частности с процессорами. FHC устраняет любые проблемы, связанные с допусками по высоте: теплоотводы либо присоединяются к процессорам посредством существующих монтажных креплений на печатной плате, либо, в случае небольших процессоров, монтируются с помощью тонкой теплопроводной двухсторонней клейкой ленты.
Охлаждение стойки с оборудованием
При установке в одну стойку нескольких корпусов или шасси для обеспечения требуемого воздушного потока могут понадобиться дополнительные меры. Обычно это принудительное охлаждение всей стойки. В большинстве случаев для такого охлаждения устанавливают вентиляторы на задней двери стойки или в верхней панели. В особых случаях используются дополнительные нагнетающие вентиляторы на передней панели стойки, подводятся существующие системы кондиционирования. Иногда для охлаждения стойки применяют воздушные и воздушно-водяные теплообменники и кондиционеры.
Критическими факторами для выбора подходящей стратегии охлаждения являются место установки (офис, лаборатория или промышленная среда с соответствующими требованиями к уровню шума или к IP), инженерная инфраструктура (наличие фальшпола, подключение к холодной воде, система кондиционирования) и влияние окружающей среды (температура окружающей среды, тепловое излучение, загрязнение воздуха, повышенная влажность). Различные элементы системы охлаждения всегда следует выбирать в соответствии с требованиями к их производительности и с учетом их взаимодействия с другими компонентами системы. Например, вентиляторы переменного тока являются источниками электромагнитных помех.
Программное обеспечение для теплового анализа
Рис. 3. Распределение температуры в трехмерной модели, полученной с использованием 6Sigma
В некоторых случаях для разработки эффективной системы охлаждения нужно выполнить численное моделирование, для которого применяется специальное программное обеспечение.
При разработке своих корпусов, стоек и шасси Pentair работает с двумя пакетами программ трехмерного моделирования и анализа: 6Sigma (рис. 3) и FloTHERM. Компания предлагает своим клиентам, занимающимся созданием собственного оборудования, использовать свою испытательную лабораторию, оснащенную большой климатической камерой и аэродинамической трубой, пригодной для теплового анализа, а также помощь экспертов.
Принцип действия программы моделирования относительно прост. Пользователь строит трехмерную геометрическую модель своей системы, состоящую из набора компонентов. Модель также может быть импортирована из других программ. Когда программа применяется при разработке стандартных корпусов, внутрь корпусов для теплового расчета помещаются типовые компоненты (жесткие диски, источники питания), обычно установленные в таких корпусах. Когда тепловой расчет выполняется по конкретному заказу, учитываются модели конкретных компонентов. Кроме геометрических моделей, для расчета задаются физические параметры, например материальные константы, мощность тепловыделения компонентов, параметры вентиляторов, окружающей среды и другие подобные факторы. Затем программа генерирует трехмерную сетку, с помощью которой вычисляет распределение температуры и других величин, обусловленных процессами естественной и принудительной конвекции, лучистой теплопередачи и теплопроводности.
Результаты расчета отображаются в виде распределения температуры, давления, скорости воздушного потока. На основании этих данных инженер может определить меры по оптимизации системы охлаждения, такие как замена типа вентиляторов, изменение мест установки вентиляторов и воздухозаборников, установка дефлекторов, изменение взаимного расположения компонентов, изменение толщины теплопроводных элементов и т. д. Оптимизация конфигурации с последующими расчетами может выполняться несколько раз до тех пор, пока не будет найдено идеальное решение. Использование средств моделирования оптимизирует стратегию охлаждения на ранней стадии проектирования и сокращает затраты и время разработки.
Не забывая про энергоэффективность
Ключевым аспектом разработки охлаждения электроники является стремление к более высокой энергоэффективности на ранней стадии. Поскольку снижение тепловых потерь до нуля — недостижимый идеал, выделяемую тепловую мощность нужно рассеять с минимальными затратами. Разработчик должен убедиться, что выбранная система охлаждения и ее компоненты оптимальны с точки зрения энергоэффективности. Оптимизация воздушных потоков при этом иногда может приводить даже к изменению стратегии вентиляции. Кроме того, важно проверить возможность снижения затрат энергии на охлаждение за счет замены большого количества вентиляторов, например водяным или другим типом охлаждения.
Охлаждение электроники: термомоделирование при разработке конструкции корпуса
Электронное устройство обычно состоит из корпуса и внутренних компонентов, которые при работе выделяют тепло. И тут скрыт конфликт: производители стремятся уменьшить корпус (так дешевле и удобнее), но компактный корпус затрудняет отвод тепла. Проблему усугубляет рост вычислительных мощностей: электроника нагревается еще сильнее, а это может привести к сбоям. Как в таких условиях обеспечить достаточное охлаждение еще на стадии разработки новых серийных устройств? Давайте вместе разберемся с разными типами теплоотведения: естественной конвекцией, принудительным охлаждением с помощью вентиляторов и системами жидкостного охлаждения.
Детальной проработкой системы охлаждения и грамотной компоновки устройства занимается инженер-конструктор: он выполняет виртуальное моделирование воздушных потоков и определяет температуру нагреваемой электроники.
При выборе типа охлаждения учитывается максимально допустимая температура компонентов и условия эксплуатации.
Самый простой способ отвода тепла — метод воздушного охлаждения за счет теплоотводов и вентиляторов. Но при невысокой стоимости этот метод имеет ряд недостатков:
высокое тепловое сопротивление,
низкая температура окружающей среды,
увеличение уровня шума.
Не всегда возможно задействовать принудительное или естественное конвекционное охлаждение. Например, такой способ не годится для корпусов с высокой степенью защиты от пыли и влаги (IP) или для необслуживаемых корпусов, т.е. неразборных или тех, что устанавливаются в труднодоступных местах.
Повысить эффективность и ускорить процесс охлаждения можно за счет охлаждения с помощью тепловых трубок. Для реализации этого метода используется конструкция из алюминиевого радиатора и основания с медными трубками. Такая технология имеет важные преимущества: оптимально отводит тепло, занимает минимальный объем, не создает шума и не требует обслуживания. Но при этом надо помнить, что усложняется конструкция и увеличивается стоимость устройства.
Для силовой электроники применяется метод жидкостного охлаждения. Эта система эффективна и надежна, занимает малый объем, не создает шума, но при этом значительно увеличивает стоимость и усложняет обслуживание (есть риск утечек жидкости). Для реализации этого метода необходим компрессор.
Ниже рассмотрим примеры разных способов воздушного охлаждения с естественной и принудительной конвекцией.
Естественное конвекционное охлаждение
Начнем с охлаждения корпуса устройства за счет естественной конвекции — самого экономически обоснованного метода отвода тепла.
Пример №1: выбор материала и перфорация корпуса
В одном из проектов мы разработали устройство. В качестве материала корпуса можно было выбрать металл или пластик. После проведения терморасчета стало понятно, что отводить тепло на корпус нет необходимости, поэтому металл нам не нужен, можно использовать более дешевый и практичный вариант — пластмассу + стандартный радиатор.
Внимание, вопрос: где лучше расположить отверстия и в каком количестве, чтобы обеспечить пассивное охлаждение электроники в корпусе? На этот вопрос помогают ответить расчеты с учетом нагрева электронных компонентов.
Посмотрим сравнительные модели пассивного охлаждения для четырех вариантов:
Термомоделирование для корпуса с перфорацией на крышке и на дне
Термомоделирование для корпуса с перфорацией только на дне Термомоделирование для корпуса с перфорацией на дне (другой тип перфорации) Термомоделирование для корпуса без перфорации
Обратите внимание на средние значения температур в градусах цельсия в первой колонке с цифрами. Для центрального процессора они растут со 119.62 градусов до 129.3 при разных типах перфорации.
Расчетные модели помогают выбрать оптимальную модель корпуса. В нашем случае это вторая, с крупной перфорацией на дне.
Как видите, не всегда самые очевидные решения оказываются такими на практике. Могло показаться, что лучшее охлаждение обеспечит полная перфорация, а худшее — ее отсутствие. Но моделирование позволяет узнать настоящий ответ.
На рисунке — выбранный вариант конструкции с перфорацией в донной части
Пример №2: Двойной корпус для конвекции
Ниже — еще один пример естественного конвекционного охлаждения. Конструкция корпуса состоит из двух частей: внутренняя часть с объемной перфорацией по всему контуру для свободного потока охлаждающего воздуха; наружный корпус — декоративный, с перфорацией только на задней стенке.
Внутренний корпус устройства Устройство с двойным корпусом в сборе
Зазор между внутренним и внешним декоративным корпусом обеспечивает беспрепятственную конвекцию.
Охлаждение за счет теплопроводности
Для охлаждения за счет теплопроводности используется прямой контакт металл-металл между двумя телами. Тепло от нагреваемых компонентов за счет теплопроводности передается на внешние поверхности теплоотводящих кожухов.
Пример №3: Защитный экран в роли радиатора
Покажем, как теплопроводность работает на практике: при разработке промышленного коммутатора мы применили нестандартное решение, чтобы справиться с проблемой отвода тепла и защитить плату от помех. Конструктор предложил использовать на одной из плат составной экран, который взял на себя обе задачи — и тепло отвел за счет теплопроводности, и от помех защитил.
Корпус такого экрана был выполнен из алюминиевого сплава методом фрезерования. Фрезеровка позволила создать металлическую поверхность с нужными параметрами и обеспечить плотный контакт с нагреваемыми элементами. Но для оптимальной теплопередачи мы задействовали между корпусом и элементами еще один компонент — специальные термопрокладки с высоким коэффициентом теплопроводности.
Защитный экран для отвода тепла и защиты от помех
Пример №4: Отведение тепла на корпус
Бывает, что для охлаждения используется не только трубки или экраны, но весь корпус устройства принимает на себя «тепловой удар». Конечно, оптимальный материал для такого корпуса — алюминий.
Ниже — пример такого проекта. Результаты термомоделирования показали, что одного стандартного радиатора недостаточно для отвода тепла, поэтому был спроектирован дополнительный алюминиевый корпус.
Корпус для отвода тепла от нагревающихся компонентов
Чтобы увеличить естественную конвекцию воздуха мы добавили отверстия на боковых и верхних гранях корпуса:
Распределение воздушных потоков при горизонтальном положении корпуса
Распределение воздушных потоков при вертикальном положении корпуса Сравнительная таблица расчетных и максимально рекомендованных температур
Сравнивая результаты, полученные при моделировании, и данные из спецификаций на компоненты, мы видим, что такой способ охлаждения позволяет поддерживать температуры элементов устройства в рабочих диапазонах.
Принудительное конвекционное охлаждение
Итак, мы разобрались с естественной конвекцией при охлаждении, а теперь рассмотрим принудительную — более дорогой, но самый распространенный метод отвода тепла.
Для принудительного охлаждения используются вентиляторы.
Пример №5: Охлаждение устройства из 100+ плат
Мы спроектировали сложное промышленное устройство для обработки рентгеновского излучения, которое представляет собой массив из более ста печатных плат, расположенных по рядам кассетным способом. Плотность сенсоров составляет около 4000 шт.
На начальном этапе проектирования был сделан термический расчет, чтобы определить оптимальное расположение компонентов на плате, межплатные зазоры, температуру приточного воздуха и конструкцию корпуса. Из 20 итераций выбрана оптимальная.
Корпус устройства с установленными вентиляторами
Термомоделирование помогло выявить и исправить проблемные места в конструкции задней стенки устройства. Понадобилось перенаправить поток, чтобы он проходил через область плат, и изменить расположение межплатного разъема, чтобы он не препятствовал воздушному потоку.
Температурные срезы в области плат
Итог: средний разброс температур по датчикам составил
12°С, а максимальная температура в области датчиков удержалась на уровне
55°С. Так вентиляторы в паре с оптимальной конструкцией корпуса и учетом достаточного расстояния между платами позволили эффективно охлаждать устройство. На этом примере хорошо видно, почему принудительное охлаждение остается столь популярным в промышленном применении в работе с мощными пользовательскими устройствами.
Пример №6: Охлаждение 1U-корпуса коммутатора
На последнем примере покажем, как работает термомоделирование в проектах с комбинированным охлаждением, где на начальном этапе проектирования используется и теплопроводность, и принудительная конвекция.
Итак, задача: разработать универсальный 1U-корпус для различных модификаций промышленного коммутатора. При проектировании большое значение имел правильный выбор компоновки корпуса. Было сделано порядка 30 итераций термического моделирования. Расчет помог определиться с расположением радиаторов и вентиляторов, их количеством, расположением блока питания, компонентов на плате и перфорацией на передней панели корпуса.
Проработка внутренней компоновки промышленного коммутатора
В итоге проект был реализован в таком виде:
Система охлаждения устройства: 8 вентиляторов и три алюминиевых радиатора
Такая конфигурация — кулер + радиатор — хорошо знакома пользователям стационарных компьютеров. Те, кто сам собирал свое железо, мог обратить внимание на различные термоинтерфейсы: термопасту и термопрокладки между чипами и радиатором, которые используются для более эффективного теплоотведения. Возможно, кто-то читает эту статью со своего игрового компьютера с модной системой жидкостного/водяного охлаждения. 🙂 И все эти методы и компоненты для отвода тепла от электроники объединяет один важный инструмент, который используется еще на начальной стадии проектирования устройств — термомоделирование. Оно помогает выбрать материал корпуса, расположение компонентов на плате и оптимальную систему охлаждения электроники. В результате такое моделирование затачивает под себя и внешний вид устройства.
Вывод: расчет температурных характеристик печатных плат и всего устройства в целом — это неотъемлемый этап проектирования современной серийной электроники, который помогает производителям снизить риски сбоев, сэкономить деньги и время.
Было бы интересно узнать в комментариях, с какими системами охлаждения сталкивались читатели этой статьи и какие выводы для себя сделали.