2.2 Классификация систем охлаждения

Экспоненциальное, по Муру, увеличение производительности современной электроники накладывает строгие ограничения на требования к максимально допустимому размеру элементной базы. Другими словами, на одинаково малой площади со временем становится размещено в среднем все большее число энергопотребляющих модулей, что приводит к росту тепловых потерь, интенсивному нагреву элементов и модулей, а также, в виду пропорционального увеличения сложности и разнообразия изделий, к ужесточению требований к надежности электронной аппаратуры. В связи с этим все чаще поднимается вопрос об интенсивном охлаждении электронных компонент и добротности систем теплоотвода, использующихся для рассеяния излишков тепловой энергии выделяющейся в процессе эксплуатации.

Различают пассивные и активные системы охлаждения.

Пассивные системы работают на основе отвода тепла путем теплообмена с окружающей средой. При этом используются такие явления, как конвекция, теплопроводность и излучение. В активных же системах используется принудительный теплоотвод с помощью различного рода хладагентов и устройств, воссоздающих либо усиливающих вышеупомянутые явления (чаще всего подразумеваются термоэлементы, вентиляторы и холодильники с жидкостными либо твердотельными хладагентами).

Говоря о пассивном теплоотводе, мы, как правило, подразумеваем теплоотвод с помощью радиатора, говна и палок, крепящегося на корпус ЭРИ. Входящий тепловой поток, в силу высокой теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, рассеивается в окружающую среду в виде излучения. Благодаря естественной конвекции эффективность охлаждения зависит и от геометрических параметров системы. Она пропорциональна площади рассеивающей поверхности.

Сообразно форме рассеивающих элементов радиаторы подразделяют на следующие виды: пластинчатые, ребристые и игольчатые. Для максимально эффективного использования конвекции в окружающей среде лучше всего подходят игольчатые, т.к. эффективная площадь теплоотдачи при такой конфигурации наиболее велика, но они сложны в изготовлении и не обладают ребрами жесткости, что может привести к непредсказуемым деформациям и потере функциональности при приложении нагрузок - у частей такого изделия слишком велико число потенциальных степеней свободы.

Несмотря на такие недостатки, как значительно меньшая по сравнению с активными системами эффективность охлаждения при аналогичных или даже больших размерах, данный метод выигрывает за счет меньшей механической сложности - отсутствуют движущиеся части, как и потребители электрической энергии.

Более эффективна в плане достижения желаемого результата принудительная конвекция за счет продува воздушных масс сквозь радиатор при помощи вентилятора. Такие системы дешевы и просты в монтаже и обслуживании, однако более шумны и не столь надежны из-за наличия подвижных элементов конструкции.

Учитывая, что жидкости проводят тепло на порядки лучше, чем газы, рассмотрим работу жидкостного охлаждения, эффективность которого зависит не только от геометрии и материала радиатора, но и от физико-химических свойств жидкости, прокачиваемой через контактную поверхность, количества каналов в системе и латеральности потока. На поверхности ЭРИ крепится резервуар, через контактную площадь которого идет отбор тепла, уносимого циркулирующей в системе жидкостью. Далее по системе шлангов нагретая жидкость с помощью насоса перекачивается в наружный герметичный радиатор, обдуваемый наружным вентилятором.

Разновидностью жидкостного охлаждения является использование тепловых трубок. Метод основан на том, что один конец тонкостенной трубки из теплопроводящего материала подсоединяется к источнику тепла, а второй к радиатору, за счет чего происходит эффективная передача тепловой энергии и ее рассеяние в окружающую среду. К плюсам таких систем можно причислить отсутствие подвижных частей в системе, к минусам - малую длину и сложность процесса изготовления трубок, отвечающих требуемым допускам.

Особое место в ряду систем охлаждения занимают термоэлементы, или термоохладители, работающие благодаря эффекту Пельтье [3]. В зависимости от знака градиента разности потенциалов, при протекании тока в контакте двух разнородных проводников, тепло либо выделяется, либо поглощается. Ресурс работы таких систем - сотни тысяч часов. Плюсы: малые габариты, надежность, бесшумность и короткое время смены состояний, широкий диапазон генерируемых температур. Минусы: низкая энергоэффективность и потенциально негативное влияние на экологию (типичная рабочая сила тока - до десятков ампер, зачастую в изготовлении используются щелочные металлы, обладающие высокой токсической активностью). [4,5]

Рис. 7. Виды систем охлаждения

Особенности и область применения систем охлаждения представлены в таблице №1.

Таблица 1

Особенности систем охлаждения

Т.к. к прибору предъявлены жесткие требования по надежности, перегрузкам в момент старта и габаритам, то выбираем естественную конвекцию с помощью радиатора.