Виды теплоотвода

Основным показателем, определяющим область целесообразного применения способа охлаждения, принимается значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

где Р - суммарная мощность, рассеиваемая РЭС с поверхности теплообмена; S_n - поверхность теплообмена РЭС.

Вторым показателем является минимально допустимый перегрев компонентов в блоке РЭС:

где T_min - допустимая температура поверхности наименее теплостойкого элемента; T_c - температура окружающей среды.

Радиаторы

Повышение плотности компоновки приводит к тому, что естественное воздушное охлаждение становится неэффективным. Интенсификация охлаждения достигается увеличением теплоотводящей поверхности – созданием на ней ребер. Ребра выполняются как на кожухе и шасси, так и в виде самостоятельных конструктивных деталей, называемых радиаторами. Теплоотводящие радиаторы различаются между собой формой ребер и мощностью теплового рассеяния. Наибольшее распространение в РЭС получили радиаторы с ребрами пластинчатой, ребристой, штырьковой, игольчатой форм и спиральной.

• Ребристые радиаторы эффективнее пластинчатых. Изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов.
• Штырьковые радиаторы имеют более высокий коэффициент теплообмена, чем ребристые. Изготавливаются литьем под давлением.
• Пластинчатые радиаторы изготавливают из стали или алюминия толщиной от 2 до 6 мм. Из-за малой эффективности применяют для небольших мощностей.
• Игольчатые радиаторы эффективнее штырьковых, но сложнее в изготовлении и дороже.

Радиаторы рассеивают тепло в воздухе излучением и конвекцией.

Расчет радиаторов сводится к определению их геометрических размеров по заданной мощности теплового рассеивания, максимально допустимом нагреве охлаждаемого элемента и температуре окружающей среды. Эффективность радиаторов находится в прямой зависимости от количества и размера ребер и их расположения. Минимальная толщина ребра определяется технологическими возможностями литья. Для улучшения теплового контакта радиаторы устанавливают на алюминиевые, свинцовые, оловянные прокладки, а для электроизоляции - оксидируют контактную поверхность или ставят на прокладки из оксидированного алюминия. Для улучшения турбулентности воздуха ребра покрывают лакокрасочным покрытием.

Зная все основные тепловые параметры, несложно подобрать подходящий радиатор. Достаточно лишь выяснить максимальную температуру окружающей среды, в которой будет работать транзистор, мощность, которую должен будет рассеивать транзистор, затем подсчитать температуру переходов транзистора с учетом тепловых сопротивлений соединений кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-окружающая среда, после чего останется выбрать радиатор, с которым температура транзистора будет хотя бы немного ниже максимально допустимой.

Формула для расчёта теплового сопротивления теплоотвода:

,

где Т₂ - максимальная температура кристалла транзистора по справочнику, Т₁ - максимально допустимая температура в коробке с нашим устройством, P - рассеиваемая на транзисторе мощность, Q₁ - тепловое сопротивление кристалл-корпус по справочнику, Q₂ - тепловое сопротивление корпус-радиатор.

Скорость воздушного потока от вентилятора задаётся непосредственно при наличии вентилятора. Для этого нужно разделить производительность на сечение воздуховода, продуваемого вентилятором, данные параметры также приводятся в справочнике.

Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом для силовых элементов обычно приводится в справочнике. Обычно в справочниках приведено максимально возможное значение этой величины с учетом технологического разброса. Она нам и нужно, так как мы должны проводить расчет для худшего случая. Значение этой величины в основном зависит от типа корпуса и у современных транзисторов составляет величину 0,4-1,5 (°С/Вт) или (К/Вт).

Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором зависит от типа корпуса, оно также приводится в справочнике. Значение стремится к нулю в тех случаях, когда мы прикручиваем транзистор к отполированной поверхности радиатора без изолирующих прокладок, или используем тонкие современные подложки из из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), или оксида бериллия (BeO). В случае применения слюды значение теплового сопротивления может составлять 0.2-1.5 (°С/Вт), в зависимости от толщины прокладки.

Значение берётся из справочника, это максимально допустимая температура внутри корпуса, в котором находится радиатор, либо максимальная температура окружающей среды, если рёбра радиатора выведены наружу.

Максимальная температура кристалла транзистора, составляет для мощных транзисторов величину 120-175°С. Значение по возможности указываем на 20-30% ниже максимального, приведённого в справочнике на полупроводник.

Рассеиваемая мощность. Рассчитывается по формуле

,

где U - напряжение на кристалле, I - сила тока через кристалл.

После того, как найдены и посчитаны все тепловые характеристики, посчитаем тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой (теплоотвода):

Далее в зависимости от полученного значения выделяется 4 случая для расчёта площади поверхности радиатора:

Также можно найти Т₃ (температура радиатора):

Для этого сначала найдем температуру, до которой перегреется радиатор по сравнению с окружающей средой:

Далее считаем Т₃:

Жидкостное охлаждение

Принцип работы состоит в передаче тепла от нагревающегося элемента охлаждающему радиатору. Это происходит при помощи рабочей жидкости (обычно воды), которая циркулирует в системе по специальным трубкам.

Плюсы:

• Эффективность охлаждения, лучше традиционного воздушного.
• Качественные системы работают очень тихо.

Минусы:

• Водянка будет стоить всегда дороже, чем вентиляторы.
• Высокие требования к качеству сборки и установки.
• Постоянный контроль за работой системы и ее обслуживание, если что-то пойдет не так и будет протечка жидкости, то можно лишиться дорогостоящего оборудования.

Применение в технике системы жидкостного охлаждения:

• В охлаждении ядерных реакторов чаще всего используется жидкий теплоноситель (вода или металл);
• Большинство современных автомобилей имеют жидкостное охлаждение двигателя;
• Некоторые суперкомпьютеры (как и некоторые игровые персональные) оснащаются жидкостными системами охлаждения;
• Для решения задач при построениях ЦОДов, где есть ограничения, связанные с погодными, температурными и другими ограничениями.

Воздушное охлаждение

Используют конвективный теплообмен. В качестве теплоносителя используется воздух.

Для современных РЭС конвективный теплообмен настолько эффективнее, что излучение не учитывается.

Разновидности воздушных систем:

• Свободное воздушное охлаждение.
• Свободная вентиляция.
• Внутреннее перемешивание воздуха в корпусе.
• Принудительная вентиляция.

Особенностью воздушных систем охлаждения является снижение их эффективности при увеличении высоты над уровнем моря или при снижении атмосферного давления. Так, например, уже на высоте 3500 м эффективность как естественного конвективного, так и принудительного воздушного охлаждения снижается на 25%.

Естественное воздушное охлаждение возможно при атмосферном давлении не ниже 0.5 атм.

Эффективность теплообмена зависит от места расположения элементов в объеме аппаратуры. Так, при вертикальном расположении модулей (плат) воздушному потоку ничего не препятствует и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными.

При горизонтальном расположении плат смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени.

В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит.

Свободное воздушное охлаждение – естественная конвекция в герметичном корпусе.

Свободная вентиляция – естественная конвекция в негерметичном корпусе.

Внутреннее перемешивание воздуха в корпусе – использование вентиляторов в герметичном корпусе.

Принудительная вентиляция – в корпусе делают отверстия, рядом с которыми располагают вентиляторы.

Естественное конвективное охлаждение применяют при излучении не более 0,5 Вт/см² путем равномерного распределения выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты — в нижней части, защищать тепловыми экранами. Также могут быть предусмотрены перфорированные кожухи с вентиляционными отверстиями круглой, квадратной, прямоугольной формы, жалюзи.

Принудительное воздушное охлаждение применяется при излучении более 0,5 Вт/см² и реализуется на основе вентиляторов.

Для охлаждения систем с мощностью теплового излучения более чем 0,5 Вт/см² применяют уже водно-воздушные системы. В таком случае теплоотвод осуществляется не только посредством воздушной среды, но и через холодильный агент.

Фреоновые установки

Принцип работы системы охлаждения на основе фреона, несмотря на внешне сложное устройство, довольно прост.

В замкнутом контуре циркулирует газ (фреон), который забирает тепло. Двигаясь дальше по контуру, он охлаждается в специальном радиаторе. Дальше, охлажденный фреон под давлением, поступает к охлаждаемым компонентам и процесс повторяется снова.

Плюсы:

Можно добиться очень низких температур, что положительно скажется на возможностях разгона.

Минусы:

Сложность монтажа и обслуживания.

При неправильном подходе может образовываться конденсат, что приведет к выходу из строя электроники.

Высокое энергопотребление и цена.

Криогенное или азотное охлаждение

Жидкий азот представляет собой прозрачную жидкость, без цвета и запаха, с температурой кипения -196 градусов по Цельсию!

Криогенные системы охлаждения с жидким азотом представляют из себя металлический (чаще всего медный) стакан. Радиаторы плотно закрепляются с охлаждаемым элементом. При работе ЭРИ начинает вручную наливаться в стаканы азот. В процессе охлаждения он постепенно испаряется, поэтому его постоянно необходимо подливать.

На охлаждении азотом ставятся все рекорды по разгону железа.

Криогенные установки используются только для экстремального охлаждения.

Плюс у данного вида охлаждения только один — этот способ лучше всего охлаждает.

Остальное — одни минусы. Цена, неудобство, сложность и т. п.

Элемент Пельтье

Термоэлектрический преобразователь (термоэлектрический охладитель), принцип действия которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В принципе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур. Если нагревающуюся сторону элемента Пельтье охлаждать при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны станет ещё ниже. Разность температур может достигать 70 °C.

Плюсы:

Небольшие размеры.

Отсутствие движущихся частей, газов и жидкостей.

Бесшумность.

Минусы:

Более низкий КПД, чем у установок на фреоне. Это ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

Теплоотводящие шины

Теплоотводящие шины и рамка ячейки могут выполняться из алюминиевого, магниевого или титанового сплава.

На рисунке под номером 1 обозначена микросхема, 2 - контактные площадки печатной платы, 3 - печатная плата, а 4 - сама теплоотводящая шина.

Микросборки устанавливают на теплоотводящие шины, соединенные с рамкой ячейки.

Выделяющаяся в микросборках теплота отводится через теплоотводящие шины на рамку, с которой через стяжные болты передается на корпус блока. Блок охлаждается путем естественной конвекции.

Для получения наибольшего эффекта при отводе теплоты от элементов, установленных на теплоотводящие шины или основания, необходимо обеспечить малое тепловое сопротивление между рамой ячейки или корпусом блока с теплоотводящими шинами и основаниями. Выбор варианта обеспечения теплового контакта зависит от конструкции ячеек и блока. В местах контактирования применяются теплоотводящие пасты с коэффициентом теплопроводности не ниже 0.5 Вт/м-град, а при использовании винтовых соединений тепловое сопротивление контакта может быть уменьшено в результате повышения чистоты обработки поверхностей, увеличения усилия сжатия, применения напыленных или гальванических покрытий, мягкометаллических их прокладок.

Для планарной конструкции передача теплоты с помощью теплопроводности подчиняющаяся обобщенному закону Фурье, может быть описана линейным уравнением

,

где Pt – тепловой поток, передаваемый теплопроводностью (кондукцией), Вт;

Kt – коэффициент тепловой проводимости , [Вт/ (м²К)];

λ - коэффициент теплопроводности материала, [Вт/(м*К)];

δ – длина пути теплопотока (в частности, толщина материала, длина теплопроводящей шины);

S – площадь поперечного сечения теплового потока, м².

Отвод теплоты от бескорпусных компонентов, установленных на плату. Бескорпусные компоненты могут устанавливаться на тонкие основания из полиимидной пленки или непосредственно на выступы основания , проходящие через отверстия в платах. Теплоотводящие шины через рамку ячейки или корпус блока соединяются с теплостоком, который может представлять собой тепловые трубы или основание, охлаждаемое жидкостью.

Тепловые трубки

Тепловая труба (ТТ) – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов.

Тепловые трубки – это устройство, которое обеспечивает эффективный перенос тепловой энергии. Обычно он состоит из герметичной металлической трубки с капиллярной структурой внутри, заполненной подходящей рабочей жидкостью. Тепло поглощается на одном конце в результате испарения жидкости, а выделяется на другом в результате конденсации пара. Жидкость транспортируется обратно в испаритель под действием капиллярных сил. Постоянно пульсирующее давление в системе - движущая сила, перемещающая тепло от теплого ее конца к холодному.

Внутри находится рабочая жидкость – вода (аммиак, метанол и этанол), и фитиль - несколько слоев из тонкой проволоки, либо специально спеченная керамическая крошка. Для того, чтобы вода закипала при более низких температурах, из тепловых трубок откачан воздух.

Количество тепла, переносимого трубой, определяется ее конструкцией и размерами. Скорость и мощность теплопередачи, даже в самых простых тепловых трубах в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра. Чтобы заменить даже самую простую трубочку диаметром 6 мм, понадобится медный пруток толщиной в 5 – 7 см.

ТТ сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. в компьютерах и ноутбуках, являясь, одним из наиболее эффективных методов теплопереноса от компактного источника тепла к радиатору с развитой поверхностью. Иногда также применяются в составе смартфонов для перераспределения тепла.