CC BY
143
Разновидности систем охлаждения и их устройство теплоотвода
Горожанин Алексей
Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический
университет)
Кафедра Информационных Технологий в Автоматизированных Системах
Аннотация
В данной статье рассмотрены различные типы систем охлаждения радиоэлектронных средств, приведена классификация систем охлаждения по типу применяемого холодоносителя.
Введение
Исходя из современных тенденций развития мобильных радиоэлектронных средств (МРЭС) видно, что в настоящее время основными источниками тепловыделений и объектами охлаждения в их конструкциях являются тепловые электрические зоны, представляющие собой совокупность печатных плат с установленными на них элементами. Поэтому при конструировании систем охлаждения МРЭС приходится ограничиваться определённым классом устройств теплоотвода.
Общая характеристика систем охлаждения
Системы охлаждения и кондиционирования классифицируются по следующим признакам: по типу применяемого холодоносителя (воздух, жидкость, хладагент); по виду физического явления, используемого для обеспечения процесса охлаждения (конвекция, теплопроводность, испарение); по месту получения холода и подготовки холодоносителя (централизованное, автономное, местное, локальное); по способу регулирования (количеством подаваемого холодоносителя, изменением его температуры, комплексное).
Самый главный тип классификации - по типу применяемого холодоносителя. В первую очередь это воздушные системы охлаждения, широко
применяющиеся из-за доступности и экономической выгодности воздуха при естественной и принудительной конвекции.
В жидкостных системах охлаждения холодоносителем являются различные капельные жидкости, не доведённые до кипения, а передача теплоты от тепловыделяющих элементов происходит в основном конвекцией. В жидкостно-испарительных системах используются легкокипящие жидкости и жидкости, доведённые до кипения. В кондуктивных системах передача теплоты к её стоку осуществляется, в основном, теплопроводностью по кондуктивным теплоотводам, являющимся конструктивными элементами конструкции МРЭС и системы охлаждения. В комбинированных системах используются сочетания различных способов передачи теплоты.
Системы охлаждения и кондиционирования разделяются на центральные и автономные в зависимости от использования централизованных и автономных установок и агрегатов системы охлаждения, а также от объёмной компоновки конструкции МРЭС и наличия в ней источника холодоносителя. Автономность здесь предполагает наличие отдельного источника холодоносителя для каждого отдельно выполненного функционально законченного узла или устройства в конструкции МРЭС. Централизованные системы охлаждения предполагают обеспечение холодоносителем всей конструкции МРЭС в целом.
По числу теплопередающих контуров в конструкции МРЭС различают одно-и многоконтурные системы охлаждения и кондиционирования. В зависимости от пути прохождения холодоносителя и возможности его взаимодействия с окружающей средой системы охлаждения бывают замкнутые, открытые (разомкнутые) и комбинированные.
Классификация систем охлаждения
Теперь рассмотрим основную классификацию систем охлаждения МРЭС -по типу используемого холодоносителя.
Воздушные системы с естественной конвекцией
Системы, использующие явление естественного конвективного охлаждения -
основной тип систем охлаждения, используемый в МРЭС, т.к. на практике доказано, что в замкнутом пространстве при суммарной рассеиваемой мощности 1-2 Вт и
расстоянии между блоками внутри конструкции МРЭС до 20мм, принудительное воздушное охлаждение применять не имеет смысла.
Воздушные системы с принудительной конвекцией
Принудительная конвекция обеспечивает большую интенсивность отвода теплоты по сравнению с естественной конвекцией, давая возможность располагать плотностью тепловых потоков на поверхности микросхем от 0,02 до 1 Вт/см .
Возможны различные варианты подобных систем. При централизованном источнике движения воздуха для обеспечения принудительной конвекции внутри конструкции МРЭС возможны следующие варианты использования воздуха: от автономного кондиционера; от центральной установки кондиционирования через окружающую среду. Последние обычно называют совмещёнными системами охлаждения. Несовмещённые системы охлаждения работают от собственных установок кондиционирования.
Основное устройство системы принудительного воздушного охлаждения -вентилятор (нагнетатель). Есть несколько методов их расположения - создание общего охлаждающего потока, его распараллеливание, "сталкивание", зонирование и т.п..
Сочетание способа подачи воздуха в МРЭС и его последующее вытягивание (удаление) может быть определено как одноконтурное и двухконтурное. Системы охлаждения первого типа производят этот цикл последовательно за один раз. Наиболее эффективный в некоторых случаях вариант - отвод нагретого воздуха по специальным герметичным воздухоотводам, т.е. без контакта с окружающей средой. Системы охлаждения, в которых отводимый воздух для повышения эффективности процесса удаляется через специальные "зоны" называются зональными.
Воздушно-жидкостные системы охлаждения
Системы охлаждения, использующие два вида холодоносителя - воздух и жидкость, и принудительный конвективный процесс теплоотдачи, называются воздушно-жидкостными. Такие системы относятся к комбинированным и являются многоконтурными. Существенный недостаток таких систем - связь по трубопроводам
с центральным источником холодоносителя. Однако их автономность даёт и преимущества - например, так называемые системы охлаждения с "холодной плитой".
С точки зрения системной организации подачи и удаления жидкости в конструкции МРЭС существуют следующие разновидности систем: одноконтурные и многоконтурные, замкнутые и разомкнутые, но все они централизованного снабжения. Кроме того, многоконтурные системы можно подразделять в зависимости от способа поддержания температуры подаваемой жидкости. Если поддержание температуры жидкости в первичном контуре обеспечивается вторичным контуром, основным теплообменным аппаратом которого служит испаритель холодильной компрессионной машины, выполненный в виде теплообменника жидкость -жидкость, то система двухконтурная, замкнутого типа. Третьим контуром является контур сброса теплоты от конденсатора холодильной машины. Если же поддержание температуры подаваемой жидкости обеспечивается во вторичном контуре путём смеси сброшенной жидкости с жидкостью в смесительных баках, в которых охлаждение также осуществляется с помощью холодильных установок, такая система - двухконтурная, разомкнутого типа.
В воздушно-жидкостных и жидкостных системах охлаждения МРЭС в качестве холодоносителя часто применяется вода. Для эффективного охлаждения она должна иметь следующие характеристики:
1. pH от 7 до 8;
2. удельное электрическое сопротивление 20 - 50 кОм*см;
3. хлоридов при температуре 25С не менее 0,002%;
4. нитридов не более 0,001%;
5. сульфатов не более 0,01%;
6. твёрдых осадков не более 0,025%;
7. марганца не более 0,00003%;
8. жёсткость воды от 0,025 до 0,01%.
В отличие от разомкнутой системы замкнутая жидкостная система охлаждения позволяет не только регулировать температуру жидкости, но и сохранять использованную жидкость и её свойства, изменять скорость потока. В замкнутой
системе можно вводить в воду ингибиторы коррозии для обеспечения стойкости материалов трубопроводов. В них холодоноситель служит промежуточным переносчиком теплоты (термин "теплоноситель" наиболее здесь употребим), отбираемой от электронного устройства, поэтому он сам нуждается в охлаждении. Для этого применяют теплообменники "жидкость - жидкость", "жидкость - воздух" или теплообменник - испарители холодильных установок.
В качестве холодоносителей используются также различного рода жидкости, такие, как этиленгликоль, антифризы и хладагенты, фторсодержащие жидкости и т.д., области применения которых ограничены их теплоёмкостью, диэлектрическими и другими характеристиками.
Жидкостные и жидкостно-испарительные системы охлаждения
Жидкостные системы с естественной конвекцией погружного типа представляют собой конструктивный объём с диэлектрической жидкостью с погружёнными в неё платами и элементами. В результате выделения теплоты от частей, элементов и узлов конструкции МРЭС вся жидкость не доводится до кипения. Отвод теплоты производится из-за естественной конвекции жидкости (холодоносителя) около поверхности элементов, которая в свою очередь отдаёт теплоту через стенки конструктивного объёма окружающей среде или специальному вторичному холодоносителю. Теплообмен может происходить и при поверхностном кипении жидкости. В этом случае в части объёма жидкости происходит процесс активного кипения жидкости с последующим испарением и холодоноситель в паровой и жидкой фазе переносит теплоту от места её подвода к месту сброса.
Подобный тип систем охлаждения целесообразен для герметичных МРЭС при сравнительно не очень высоких плотностях теплового потока до 0,2 - 0.3 Вт/см при применении диэлектрических холодоносителей. Но такие системы обладают большим достоинством - обеспечивают равномерность температурного поля всего устройства блока (узла), конструктивно просты. Затруднения вызывают требования по герметичности, подводу электропитания и ремонтоспособности. Такие системы могут использоваться как для охлаждения отдельных элементов конструкции МРЭС, так и всего объёма устройства.
В случае активного процесса поверхностного пузырькового кипения с последующим испарением первичной диэлектрической жидкости, перемещающейся путём естественной конвекции в замкнутой, герметичной конструкции МРЭС, что происходит при более высоких (чем 0,2 - 0,3 Вт/см ) плотностях теплового потоках на рабочих поверхностях, необходимо располагать специально подобранной площадью зоны конденсации для паровой фазы жидкости. Кроме того, такой тип жидкостной системы охлаждения должен быть оборудован сбросным предохранительным клапаном на случай повышения внутреннего давления.
Такие жидкостные системы охлаждения с пузырьковым кипением на теплоотдающих поверхностях могут применяться для наиболее сложных участков блоков и устройств МРЭС, поверхностная плотность теплового потока в которых доходит до 6 - 10 Вт/см . При этих нагрузках реализуется процесс охлаждения блоков в результате явления фазового изменения жидкостного холодоносителя, находящегося возле нагретых поверхностей блоков и переходящего из жидкого состояния в пар при нормальных условиях для большинства применяемых холодоносителей. В качестве последних могут быть применены хладагенты -хладоны. Однако, как известно, при больших плотностях теплового потока на поверхности нагрева и кипения жидкости, снижается эффективность теплоотдачи за счёт образования на поверхности непрерывного слоя пузырьков. Такой кризисный процесс носит название пузырчато-плёночного, и его возникновение зависит от многих факторов.
Кипение и последующее за ним перемещение холодоносителя может осуществляться в замкнутом объёме конструкции МРЭС и при специально организованной и усиленной в конструкции естественной циркуляции холодоносителя. В системах охлаждения испарительного типа эта вещь активно используется и при таких плотностях потока, при которых ещё невозможен переход от пузырькового режима кипения к пузырчато-плёночному. С помощью высокой скорости циркуляции и недогрева холодоносителя до температуры насыщения предупреждается возникновение кризиса кипения и обеспечивается отвод тепла при достаточно высоких плотностях теплового потока.
Теплопередающие устройства и системы, конструкции которых обеспечивают усиленную естественную циркуляцию жидкости в их замкнутом
контуре, вызванную действием массовых сил из-за разности температур в контуре, относят к однофазным термосифонам. В двухфазном термосифоне естественная циркуляция жидкости осложнена её фазовым превращением.
Элементы МРЭС могут быть размещены как на наружной стенке термосифона, так и погружены в жидкость контура (кондуктивно-жидкостные и кондуктивно-испарительные системы охлаждения соответственно).
Контур жидкостной термосифонной системы полностью заполнен жидкостью. Нагретая жидкость в результате теплообмена с элементами и узлами конструкции МРЭС поднимается в верхнюю часть контура, где охлаждается в теплообменнике вторичной жидкостью. После охлаждения жидкость опускается и поступает в ту часть контура, где расположены тепловыделяющие источники - блоки МРЭС. Циркуляция жидкости в контуре осуществляется за счёт "архимедовых" подъёмных сил, вызванных разностью плотностей горячей и холодной жидкости в контуре.
Контур жидкостно-испарительной термосифонной системы охлаждения заполняется жидкостью до такого уровня, чтобы источники тепла были погружены в жидкость, а не в пар. При выделении достаточного количества тепла на поверхности источников жидкость закипает. Образующийся при этом пар поднимается в верхнюю часть контура, где расположены теплообменник - конденсатор и сепаратор. В сепараторе пар частично разделяется и осуществляется, а отдельная жидкость стекает в нижнюю часть контура. В теплообменнике - конденсаторе пар конденсируется и образовавшийся конденсат стекает вниз, откуда он вновь поступает в нагреваемый участок контура.
Термосифонные системы, особенно второго типа, очень перспективны для современных МРЭС. Они отличаются достаточно высокой плотностью отводимого теплового потока, бесшумностью, возможностью обеспечения автономного охлаждения каждого блока или устройства без разрыва циркуляции жидкости в замкнутом контуре МРЭС, возможностью обеспечения гибкости в конструктивных решениях МРЭС, заключающейся в дальнейшем усилении специализации термосифонов (локальные, макро-, микро-, и т.д.).
Системы с жидкостной принудительной конвекцией
Для интенсификации теплообмена в жидкостных и жидкостно-испарительных системах охлаждения можно применить усиленное принудительное и циркуляционное движение первичного холодоносителя с помощью насоса. Такие системы относятся к группе систем замкнутого типа. В них происходит высокоэффективный теплообмен между источниками тепла и жидкостным холодоносителем в условиях их непосредственного контакта и принудительной конвекции, что позволяет применять элементы с увеличенной поверхностной плотностью теплового потока. В зависимости от типа холодоносителя и скорости его течения процесс охлаждения при принудительной конвекции может обеспечить теплосъём до 6-6,4 Вт/см . Дополнительное кипение холодоносителя позволяет поднять уровень теплосъёма и обеспечивать охлаждение элементов при более высокой плотности теплового потока вплоть до 20 Вт/см2.
Такие системы могут быть автономными при условии применения одного жидкостного холодоносителя и использования насоса, перемешивающего и перемещающего холодоноситель и интенсифицирующего теплообмен.
Система жидкостного и жидкостно-испарительного типов с непосредственным погружением элементов в жидкость при принудительной конвекции отличается обычных двухконтурных насосно-циркуляционных кондуктивно-жидкостных систем, в которых отсутствует непосредственный контакт элементов с жидкостью, не только типом жидкости, но и элементами точного распределения, контроля и регулирования параметров жидкости.
Системы жидкостного охлаждения с принудительной конвекцией, в том числе и при непосредственном погружении элементов в диэлектрическую жидкость и контролируемом процессе кипения, являются наиболее эффективными и перспективными для разработчиков аппаратуры МРЭС в ближайшем обозримом будущем. К их достоинствам следует отнести способность обеспечения равномерности температурного поля всей конструкции МРЭС, и самое главное, на уровне корпусных (очень актуально как раз в нашем случае). Однако существуют трудности эксплуатации, выбора жидкостей, обладающих практически абсолютными диэлектрическими, антикоррозийными и другими свойствами.
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.
В качестве теплоотводов могут использоваться различного рода радиаторы, металлические шины или стержни, тепловые трубы и термосифоны. В качестве активных элементов теплоотвода кондуктивно-воздушных систем охлаждения МРЭС применяются индивидуальные кондуктивно-конвективные теплоотводы для всех элементов и блоков конструкции, в том числе оребрённые и штырьевые, работающие при естественной и принудительной конвекции. Кондуктивно-конвективные теплоотводы, охлаждаемые проточной жидкостью, применяются и в кондуктивно-жидкостных системах охлаждения.
Для современных конструкций МРЭС характерно использование не только индивидуальных теплоотводов, но и групповых, блочных, узловых, ввиду регулярности и стандартизированности деталей и элементов конструкций МРЭС.
В кондуктивных системах такого типа особое внимание приходится обращать на три обстоятельства, которые в значительной мере определяют выбор теплоотводов и в конечном итоге эффективность системы: тепловой контакт корпусов элементов и схем с теплоотводом, передачу теплоты по теплоотводу и тепловой контакт теплоотвода со стоком теплоты. В области механического контакта двух поверхностей тепловой поток преодолевает тепловое сопротивление, обусловленное конструкцией блока, размером и физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей, чистотой обработки плоскостей и усилием прижатия, а также свойствами среды, находящейся в месте контакта: воздух, паста, смазка и т.д.
1—1 с» U с»
Большой удельный вес в общем тепловом сопротивлении при передаче избыточной теплоты до теплостока занимает тепловое сопротивление контакта тепловыделяющих элементов и теплоотводов.
Наиболее перспективны кондуктивно-жидкостные и кондуктивно-испарительные системы охлаждения с использованием в качестве теплоотводов
тепловых труб и одно- и двухфазных испарительных термосифонов соответственно. Такие устройства создают равномерность температурного поля на блоке и высокую плотность теплового потока, отводимого на одну или две стороны блока.
Кондуктивно-испарительная система охлаждения МРЭС с применением хладоновой парокомпрессионной холодильной установки - один из вариантов ближайшего будущего для МРЭС. Применение систем данного типа характеризуется принципиальной возможностью получения с их помощью (при применении специальных криогентов, включающих хладон) низких температур, вплоть до азотных, по отношению к температуре окружающей среды, чего нельзя достичь в других системах. Кроме того, при использовании таких систем отпадает необходимость в промежуточных контурах, как, например, при воздушных, воздушно - жидкостных и жидкостных системах охлаждения, которые в любом из вариантов требуют искусственного источника холода. Здесь же он внесён прямо в конструкцию МРЭС. Однако применение таких систем охлаждения требует тщательного подбора режимов их работы и конструирования её элементов и агрегатов для обеспечения требуемого температурного режима.
К кондуктивному комбинированному охлаждению относится и охлаждение с помощью термоэлектрических охлаждающих устройств. При этом способе охлаждаемая поверхность тепловыделяющих элементов находится в контакте с холодным спаем термобатареи, выполняющим роль стока теплоты. Термобатареи могут применяться при обеспечении на их горячих спаях теплоотвода с использованием жидкости, хладагента или воздуха вторичного контура. Простота в эксплуатации, бесшумность в работе - огромный плюс данного класса устройств. Наряду с хладоновыми установками, тепловыми трубами и термосифонами за термобатареями на эффекте Пельтье - будущее. Литература
1. Методы расчета тепловых режимов прибора/ Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. - М.: Радио и связь, 1998
2. Резников Г.В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1988
3. Андреев А.И. Методы обеспечения и оценки надежности радиоэлектронных средств. - М.: МИРЭА, 2000
