Способы отвода избыточного тепла
Любой корпус современного системного блока разрабатывается с расчетом на процедуры по эффективному отводу тепла. Уже давно начали производить корпуса, поддерживающие сквозное охлаждение плат компьютера. Воздушные потоки направляются от передней стенки к задней с дополнительным охлаждением сквозь левую боковую стенку корпуса. Минимальная конфигурация такой системы подразумевает наличие одного вентилятора (в блоке питания). Добавление дополнительных вентиляторов позволяет не только увеличить интенсивность охлаждения ПК, но и уменьшить количество шума за счет снижения скорости вращения каждой из крыльчаток.
Самым распространённым методом отвода избыточного тепла является воздушное охлаждение, в котором тепло отводится сильным воздушным потоком. Рекомендуется сквозное охлаждение, то есть один вентилятор должен работать на вдув, а другой – на выдув.
Также для отвода тепла повсеместно используются радиаторы. В пассивных системах охлаждения они являются фактически единственным элементом, выполняющим охлаждающие функции. Тем не менее, для более эффективного охлаждения используются активные радиаторы – со встроенными вентиляторами. По сути радиатор является устройством для рассеивания тепла. Принцип его действия таков: металл с большей теплопроводимостью (как правило, медь) отводит тепло с процессора или с других сильно нагревающихся элементов и рассеивает это тепло через ребра в воздух. Для увеличения полезной площади рёбер радиатора (повышения теплоотдачи) производители прибегают к различным уловкам, из-за чего радиаторы часто имеют необычную форму. Чем больше площадь радиатора и чем больше меди в его составе, тем лучше осуществляется отвод тепла.
Для отвода избыточного тепла можно использовать и тепловые трубки, которые иногда выделяют и в отдельную разновидность систем охлаждения или в подвид жидкостных систем. Тепловую трубку можно описать как проводник тепла, предназначенный для эффективного перемещения тепла из одной точки в другую. Типичная тепловая трубка представляет герметичную трубку определенной структуры с двойными стенками. В процессе производства из трубки сначала удаляется воздух, после чего она заполняется специальной жидкостью и герметизируется. Тип жидкости и низкое давление внутри трубки обеспечивают закипание жидкости при относительно малых температурах. Когда трубка нагревается с одного конца, жидкость изменяет свое состояние на парообразное, поглощая при этом немало тепла. Пар поднимается к другому концу трубки, где конденсируется, превращается в жидкость, выделяя при этом тепло, после чего по внутренним стенкам трубки быстро стекает к ее исходному концу благодаря капиллярным явлениям. Сами по себе тепловые трубки не используются. Одним концом они закрепляются на процессоре или другом тепловыделяющем устройстве, а другим — на обычном радиаторе, часто активном.
Другим распространённым способом отвода тепла (который также можно использовать и как дополнение к другим методам) является использование термоинтерфейсов. Так, воздушное охлаждение не всегда может быть эффективным. Например, даже в самых продуманных системах радиатор никогда не прилегает к процессору настолько плотно, чтобы воздух не мог попасть между ними. Воздух, обладая высокой проникающей способностью, заполняет любые микроскопические неровности между соприкасающимися поверхностями. В итоге образуется тонкая воздушная прослойка между кулером и процессором. Поскольку воздух очень плохо проводит тепло, он существенно мешает нормальному протеканию теплообменных процессов между ядром ЦПУ и радиатором кулера. Результат этого — тепло от процессора отводится плохо, и он перегревается. Использование термоинтерфейсов и является решением данной проблемы: между процессором и радиатором помещают слой какого-нибудь вязкого вещества с низким термосопротивлением. Оно и заполняет собой полости между основанием радиатора и поверхностью процессора, с которой тот соприкасается, обеспечивая таким образом путь отводимому теплу. Обычно подобный слой и называют тепловым интерфейсом. Существуют четыре вида тепловых интерфейсов: термопасты, теплопроводящие прокладки, теплопроводящие клейкие пленки и термические смеси.
Существуют и другие методы отвода избыточного тепла от охлаждаемых деталей. В частности, к ним относится экстремальное термоэлектрическое охлаждение с использованием элементов Пельтье, использование жидкостей и хладагентов в системах охлаждения.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .
Источник
Новые методы отвода тепла в электронике
Не секрет, что в настоящее время приблизительно половина потребляемой серверами энергии тратится на их охлаждение. Поэтому поиск эффективных систем охлаждения — актуальный вопрос.
Исследователи из Технического университета Чалмерса (Гётеборг, Швеция) разработали метод эффективного охлаждения электроники с помощью графеновой пленки. Оказалось, что она проводит тепло в четыре раза лучше меди и легко прикрепляется к электронным компонентам, сделанным из кремния. Однако несколько слоев атомов не в состоянии обеспечить отвод большого объема тепла. С увеличением же числа слоев растет и риск отрыва пленки от основы. Решить эту проблему удалось, добавив в графеновую пленку силан APTES (вещество, традиционно применяемое для усиления сцепления битума со щебнем в асфальте). Подвергнутый нагреву и гидролизу он не только улучшает сцепление, но и вдвое увеличивает плоскостную (in-plane) теплопроводность графеновой пленки: до 1600 Вт/мК, при толщине пленки 20 мкм.
На другом континенте сотрудники Университета Райса (Хьюстон, Техас) Ружбе Шахсавари и Навид Сакхаванд завершили первый теоретический анализ возможности применения трехмерного нитрида бора в качестве настраиваемого материала для отвода тепла от электронных устройств.
В двумерной форме гексагональный нитрид бора (или белый графен) выглядит так же, как монослой атомов углерода. Но h-BN является не проводником, а естественным изолятором. Проведенные симуляции показали, что 3D-структуры из плоскостей h-BN, соединенных нанотрубками нитрида бора, будут способны переносить фононы во всех направлениях, как параллельно, так и перпендикулярно плоскости. При этом, чем больше нанотрубок или чем они короче, тем медленнее распространяется тепло, а длинные трубки ускоряют теплообмен.
Этот тип системы объемного управления теплообменом открывает возможности создания тепловых вентилей или тепловых выпрямителей, в которых поток тепла в одном направлении будет отличаться от встречного потока. Благодаря изолирующим свойствам нитрида бора, он может стать удачным дополнением к графену в будущих устройствах трехмерной наноэлектроники.
Применение этих технологий сделает возможным появление более быстрой, миниатюрной и экономичной мощной электроники – светодиодов, лазеров и радиочастотных компонентов.
Источник
19.Способы отвода избыточного тепла
Любой корпус современного системного блока разрабатывается с расчетом на процедуры по эффективному отводу тепла. Уже давно начали производить корпуса, поддерживающие сквозное охлаждение плат компьютера. Воздушные потоки направляются от передней стенки к задней с дополнительным охлаждением сквозь левую боковую стенку корпуса. Минимальная конфигурация такой системы подразумевает наличие одного вентилятора (в блоке питания). Добавление дополнительных вентиляторов позволяет не только увеличить интенсивность охлаждения ПК, но и уменьшить количество шума за счет снижения скорости вращения каждой из крыльчаток.
Самым распространённым методом отвода избыточного тепла является воздушное охлаждение, в котором тепло отводится сильным воздушным потоком. Рекомендуется сквозное охлаждение, то есть один вентилятор должен работать на вдув, а другой – на выдув.
Также для отвода тепла повсеместно используются радиаторы. В пассивных системах охлаждения они являются фактически единственным элементом, выполняющим охлаждающие функции. Тем не менее, для более эффективного охлаждения используются активные радиаторы – со встроенными вентиляторами. По сути радиатор является устройством для рассеивания тепла. Принцип его действия таков: металл с большей теплопроводимостью (как правило, медь) отводит тепло с процессора или с других сильно нагревающихся элементов и рассеивает это тепло через ребра в воздух. Для увеличения полезной площади рёбер радиатора (повышения теплоотдачи) производители прибегают к различным уловкам, из-за чего радиаторы часто имеют необычную форму. Чем больше площадь радиатора и чем больше меди в его составе, тем лучше осуществляется отвод тепла.
Для отвода избыточного тепла можно использовать и тепловые трубки, которые иногда выделяют и в отдельную разновидность систем охлаждения или в подвид жидкостных систем. Тепловую трубку можно описать как проводник тепла, предназначенный для эффективного перемещения тепла из одной точки в другую. Типичная тепловая трубка представляет герметичную трубку определенной структуры с двойными стенками. В процессе производства из трубки сначала удаляется воздух, после чего она заполняется специальной жидкостью и герметизируется. Тип жидкости и низкое давление внутри трубки обеспечивают закипание жидкости при относительно малых температурах. Когда трубка нагревается с одного конца, жидкость изменяет свое состояние на парообразное, поглощая при этом немало тепла. Пар поднимается к другому концу трубки, где конденсируется, превращается в жидкость, выделяя при этом тепло, после чего по внутренним стенкам трубки быстро стекает к ее исходному концу благодаря капиллярным явлениям. Сами по себе тепловые трубки не используются. Одним концом они закрепляются на процессоре или другом тепловыделяющем устройстве, а другим — на обычном радиаторе, часто активном.
Другим распространённым способом отвода тепла (который также можно использовать и как дополнение к другим методам) является использование термоинтерфейсов. Так, воздушное охлаждение не всегда может быть эффективным. Например, даже в самых продуманных системах радиатор никогда не прилегает к процессору настолько плотно, чтобы воздух не мог попасть между ними. Воздух, обладая высокой проникающей способностью, заполняет любые микроскопические неровности между соприкасающимися поверхностями. В итоге образуется тонкая воздушная прослойка между кулером и процессором. Поскольку воздух очень плохо проводит тепло, он существенно мешает нормальному протеканию теплообменных процессов между ядром ЦПУ и радиатором кулера. Результат этого — тепло от процессора отводится плохо, и он перегревается. Использование термоинтерфейсов и является решением данной проблемы: между процессором и радиатором помещают слой какого-нибудь вязкого вещества с низким термосопротивлением. Оно и заполняет собой полости между основанием радиатора и поверхностью процессора, с которой тот соприкасается, обеспечивая таким образом путь отводимому теплу. Обычно подобный слой и называют тепловым интерфейсом. Существуют четыре вида тепловых интерфейсов: термопасты, теплопроводящие прокладки, теплопроводящие клейкие пленки и термические смеси.
Существуют и другие методы отвода избыточного тепла от охлаждаемых деталей. В частности, к ним относится экстремальное термоэлектрическое охлаждение с использованием элементов Пельтье, использование жидкостей и хладагентов в системах охлаждения.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Отвод — избыточное тепло
Отвод избыточного тепла в некоторых конструкциях осуществляется в выносном котле-утилизаторе. В большинстве случаев регенераторы не имеют внутри и снаружи специальных устройств для отвода тепла, и оно полностью используется на нагрев катализатора. [1]
Для отвода избыточного тепла , особенно в зонах плавления и дозирования, а также обеспечения необходимого режима движения материала в зоне загрузки применяется охлаждение цилиндра: воздушное с помощью вентиляторов ( так называемое мягкое охлаждение со скоростью 2 5 град / мин при температуре цилиндра 470 К); водяное охлаждение ( так называемое жесткое охлаждение) при переработке материалов с большим диссипативным тепловыделением или у машин с D120 мм. [3]
Для отвода избыточного тепла аппарат снабжен вторым змеевиком, через который пропускают воду. [5]
Для отвода избыточного тепла применяют обычно жидкие аммиак или пропан. Хладоагент подается через верхний штуцер в распределительную камеру, проходит по внутренним трубам до заглушенных концов наружных труб и, испаряясь за счет отнимаемого тепла, поднимается в приемную камеру по межтрубному пространству, откуда через специальный штуцер отводится на прием компрессора. Эффективность теплообмена можно увеличить, собрав охлаждающий змеевик из сребренных труб. [6]
Для отвода избыточного тепла из реакционной зоны было предложено использовать различные теплоносители: металлические расплавы, расплавы солей, ртуть, доутерм. Высокой теплопроводностью должен обладать носитель катализатора, чтобы обеспечить быстрый теплоотвод с катализирующей поверхности зерен катализатора. [7]
Для отвода избыточного тепла во второй зоне устанавливают охлаждающий змеевик, в который подается вода с температурой T i 373 К. Из змеевика выходит насыщенный водяной пар с параметрами л 3 92 — 106 Па, П 522 К. [8]
Для своевременного отвода избыточного тепла полимеризаторы оборудуют мешалками и рубашками охлаждения, в качестве хладоагента используют воду или холодильный рассол. Своевременно очищают теплооб-менную поверхность от полимерных отложений. Полимеризаторы оборудуют системами автоматического контроля и регулирования температуры. Обеспечивают точную дозировку всех компонентов реакционной смеси. Особый контроль устанавливают за концентрацией инициатора. [9]
Для отвода избыточного тепла реакции и охлаждения обжиговых газов в печь встроен котел-утилизатор с естественной циркуляцией. В среднем и боковых отсеках пылеосадительной камеры размещена теплообменная поверхность котла-утилизатора, которая вместе с охлаждающими элементами в кипящем слое образуют общую систему использования тепла. [10]
Для отвода избыточного тепла реакции применяют кипящий и подвижный поток твердых теплоносителей — песок, пем -: зу, высокоглиноземистые керамические шарики. [12]
Для отвода избыточного тепла реакций под колосниковой решеткой вмонтирован коллектор для подачи холодного ВСГ. [13]
Для отвода избыточного тепла реакции и охлаждения обжиговых газов в печь встроен котел-утилизатор с естественной циркуляцией. В среднем и боковых отсеках пылеосадительной камеры размещена теплообменная поверхность котла-утилизатора, которая вместе с охлаждающими элементами в кипящем слое образуют общую систему использования тепла. [14]
При отводе избыточного тепла реакции за счет испарения воды или другой жидкости необходимо следить за ее уровнем в аппарате. [15]
Источник
Обеспечение эффективного отвода тепла
При миниатюризации электронных компонентов проблема рассеяния тепла и охлаждения элементов становится острее. В статье приводятся основные рекомендации по отводу тепла, и рассматривается несколько типов компаундов с высокой теплопередачей.
Маломощные электронные компоненты практически не нагреваются во время работы. Другие же, например силовые транзисторы, процессоры или силовые диоды, наоборот, нагреваются в значительной мере. Их необходимо охлаждать, чтобы увеличить срок службы и повысить надежность системы.
Если рассматривать рассеивающий тепло элемент в отдельности, то во время работы его температура поднимается до тех пор, пока выделяемое им количество тепла не сравнится с количеством тепла, рассеиваемым в окружающей среде. В этом случае элемент окажется в состоянии теплового равновесия. Скорость потери теплоты нагретым объектом описывается законом Ньютона, который гласит, что эта скорость пропорциональна разности температур между телом и окружающей средой и площади поверхности тела. При повышении температуры тела увеличивается его теплоотдача. Как только скорость потери тепла сравнивается со скоростью его генерации, устройство достигает теплового равновесия.
Температура равновесия может быть достаточно высокой, что существенно сокращает срок службы компонента и приводит к отказу. Таким образом, следует принимать меры по охлаждению компонента. Эти же соображения применимы ко всей схеме или устройству с несколькими компонентами, выделяющими тепло.
Скорость теплоотдачи тем выше, чем больше площадь поверхности компонента. Миниатюрный элемент, выделяющий 10 Вт, нагревается до большей температуры, чем элемент с большей площадью поверхности. Один из способов уменьшения нагрева состоит в увеличении площади поверхности компонента путем присоединения к нему металлического теплоотвода (см. рис. 1). Теплоотводы изготавливаются методами штамповки, экструзии или литья. Обычно они состоят из меди, алюминия или их сплавов. Теплоотвод должен хорошо проводить тепло. Как правило, он имеет ребристую структуру, чтобы площадь его поверхности была максимальна.
Отвод тепла станет более интенсивным, если воздух вблизи устройства хорошо вентилируется. Поскольку невозможно изготовить теплоотвод или электронные компоненты с идеально ровными соприкасающиеся поверхностями, то на достаточно большой контактной площади возникает воздушный зазор между компонентом и теплоотводом. В силу того, что воздух плохо проводит тепло, появляется тепловой барьер, снижающий эффективность теплоотдачи устройства.
Для устранения воздушного зазора применяются компаунды, обладающие высокой теплопередачей. Они заполняют те участки, где контакт между поверхностями компонента и теплоотвода отсутствует, тем самым уменьшая тепловое сопротивление. Тепло быстрее передается в теплоотвод, и компонент охлаждается лучше.
Существует несколько видов теплопередающих компаундов. Компания Electrolube производит проводящие пасты, которые состоят из теплопроводных неорганических наполнителей и связующей жидкости. Они делятся на те, которые содержат и не содержат кремний.
Кремнийсодержащие пасты, например HTS и HTSP (см. рис. 2), как правило, работают в более высоком температурном диапазоне. Однако они подходят не для всех типов компонентов, поскольку миграция кремния может привести к неработоспособности отдельных узлов (например, контактов реле). Теплопередача пасты меняется за счет увеличения количества наполнителя. Пасты с буквой “Р” в маркировке содержат больше наполнителя, причем он состоит из нескольких компонентов и имеет высокую теплопередачу.
Как правило, чем выше теплопроводность пасты, тем больше ее вязкость, поэтому ее сложнее наносить. Теплопроводящая паста сохраняет вязкую консистенцию, что облегчает демонтаж компонентов при восстановлении или ремонте. В некоторых случаях желательно использовать материалы, которые полимеризуются до твердого состояния. Паста TCR Electrolube представляет собой кремниевый клей-герметик RTV со смесью наполнителей. При нанесении между радиатором и компонентом он превращается в резину под воздействием атмосферной влаги. В пасту TBS входят два компонента эпоксидной смолы, которая затвердевает и жестко связывает радиатор и компонент. В некоторых случаях это свойство полезно, однако оно может усложнить процесс демонтажа.
Для обеспечения качественного отвода тепла необходимо, чтобы между соединяемыми поверхностями не возникало воздушного зазора. Проводящую пасту наносят на центральную часть поверхности компонента (см. рис. 3) и прижимают его к радиатору так, чтобы контактирующие поверхности были параллельны друг другу. Рекомендуется наносить материал таким образом, чтобы он заполнял весь зазор, а по краям не оставалось излишков. Это достигается с помощью автоматического дозирования в установках для
монтажа.
Исключение воздушного зазора между поверхностями обеспечивает минимальное тепловое сопротивление и, соответственно, предотвращает перегрев компонента. Чем выше теплопроводность пасты или смолы, тем ниже рабочая температура.
Теплопроводная паста имеет меньшую теплопроводность, чем радиатор, поэтому минимальная толщина пленки между компонентом и радиатором уменьшает тепловое сопротивление и рабочую температуру. При этом необходимо также исключить возникновение воздушного зазора. Контроль толщины пленки осуществляется с помощью добавления в пасту стеклянных шариков, диаметр которых равен ширине зазора. Для обеспечения хорошего контакта между устройством и радиатором используются прижимные болты или зажимы.
Зная коэффициент теплопроводности пасты, толщину пленки и площадь контактной поверхности радиатора, можно рассчитать тепловое сопротивление зазора и, соответственно, равновесную рабочую температуру компонента. В некоторых случаях для отвода тепла достаточно металлического корпуса с ребром охлаждения или без него. Компания Electrolube предлагает несколько герметиков, наиболее популярными среди которых являются двухкомпонентные эпоксидные смолы ER 2074 и ER 2183.
Еще раз отметим, что при нанесении компаунда необходимо исключить возможность возникновения воздушного зазора между контактирующими поверхностями, поскольку он препятствует передаче тепла металлическому корпусу. Если конкретное устройство не требует обеспечить значительный отвод тепла, используются пасты общего назначения, например ER 2188. Неорганические наполнители имеют более высокую теплопроводность, чем на основе смолы, поэтому смолы с наполнителем эффективнее проводят тепло.
Существуют и другие, более специализированные методы терморегулирования, например жидкостное охлаждение или эффект Пельтье. Типичная жидкостная система охлаждения основана на циркуляции жидкости в непосредственной близости от компонента. Жидкости являются более хорошими проводниками тепла, чем воздух.
Лучшие результаты достигаются за счет применения тепловых трубок для охлаждения разогретых компонентов. Этот принцип широко применяется в холодильниках. Эффект Пельтье наблюдается в полупроводниковых материалах, когда через контакт двух разнородных металлов проходит постоянный ток. При протекании тока в одном направлении соединение нагревается, в обратном – остывает. Во всех указанных устройствах охлаждения требуются теплопроводные материалы на границе с охлаждаемым компонентом, где при этом исключается образование воздушного зазора. Система охлаждения может потребоваться и для радиатора, если он не справляется с тепловой нагрузкой.
Современные устройства имеют очень малый размер, что существенно усложняет отвод тепла. Более эффективное управление температурным режимом, как правило, обеспечивает высокую надежность и продолжительный срок службы устройств.
Источник
