Анализ систем жидкостного охлаждения электронной аппаратуры



This article is devoted to the analysis of liquid cooling systems for electronic equipment. Emphasis is placed on the liquid cooled PC system unit. The article deals with the classification of liquid cooling systems for a variety of properties, as well as the advantages and disadvantages of this method of cooling electronic equipment. The research conclusions about the feasibility of using liquid cooling.

Keywords:liquid cooling system, personal computer, electronic equipment, cooling systems

Одним из неотъемлемых элементов электронной аппаратуры и в частности персонального компьютера является система его охлаждения. Так как все составляющие ПК работают на электрическом токе, то им свойственно нагреваться, причем степень их нагрева прямо пропорционально зависит от уровня нагрузки на эти составляющие. Таким образом, даже для самой простой электронной аппаратуры нужна базовая система охлаждения.

Базовые принципы проектирования и применения систем охлаждения вычислительной аппаратуры изложены в [1–3]. В [4] рассмотрены методики расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры и их программная реализация. Учет теплового критерия является важным факторов при проектировании высоконадежных сенсорных систем [5]. Вопросам бесконтактного теплового контроля электронной аппаратуры посвящены работы [6–10]. Применимость бесконтактного теплового контроля для изделий электронной промышленности и его достоинства подтверждены экспериментально.

При производстве электронной аппаратуры вопросам ее испытаний на воздействие тепловых факторов уделяется первостепенное значение [11]. Многие типовые дефекты электронных устройств, выявляются тепловым методом контроля.

В [12] рассмотрена методика проведения тепловых испытаний и реализации на ее основе лабораторных работ по исследованию температурных режимов функционирования ЭА. Рассмотрены тепловые режимы работы блока охлаждения РЭС при различных системах охлаждения. Данная методика направлена на выявление достоинств и недостатков исследуемых методов охлаждения электронной аппаратуры и анализ его основных свойств. С течением времени изменялась элементная база, появлялись новые конструктивные и технологические возможности по мониторингу температурных режимов и их управлению. Это обусловило актуальность модификации методики адаптивного управления температурными режимами ЭВА в форсированных режимах и ее экспериментальной отработки (в том числе в рамках лабораторных работ). В [13] приведены методики расчетов тепловых режимов блоков ЭВА и РЭА, которые реализуются программным обеспечением инженерных методов теплофизического конструирования. Возможные варианты тепловых схем, которые могут быть реализованы в процессе создания блоков электронной аппаратуры, представлены в обобщенном алгоритме, которым надо следовать при выполнении проектных процедур. Этот алгоритм позволяет учесть все конструктивные характеристики блоков и дискретных элементов, а также реально встречающиеся условия воздействия на них окружающей среды.

В работе [14, 15] приведены конкретные практические методики по расчету радиаторов, даны рекомендации по выбору радиаторов для изделий РЭС и ЭВС, приведена методика расчета, даны рекомендации по применению. В работах [16, 17] раскрыты вопросы автоматизации моделирования тепловых полей при естественном и принудительном воздушном охлаждении.

Данная статья обобщает и развивает ранее накопленный опыт по учету тепловых критериев при проектировании и адаптивном управлении температурными режимами функционирования электронной аппаратуры. Основное внимание уделено анализу методов жидкостного охлаждения электронной аппаратуры на примере персональных вычислительных систем.

1. Анализ способов охлаждения вычислительных систем.

Система охлаждения компьютера это набор средств для отвода тепла от нагревающихся в процессе работы компьютерных компонентов.

Способы последующей утилизации тепла представлены диаграммой связей на рисунке 1.1 [20].

Рис. 1.1. Диаграмма связей способов утилизации тепла

Разделение систем охлаждения по способу отвода тепла от нагревающихся элементов представлено диаграммой связей на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Диаграмма связей способов отвода тепла

Стоит отметить, что на сегодняшний день воздушное охлаждение является наиболее распространённым. Принцип действия системы воздушного охлаждения заключается в том, что тепло с нагревающегося элемента электронной аппаратуры передается напрямую на установленный радиатор, а уже после рассеивается в окружающее пространство. Как было выше указано, воздушное охлаждение может быть активным и пассивным.

Активное охлаждение подразумевает наличие кроме радиатора еще и вентилятора (эта совокупность называется кулер), который ускоряет процесс отвода тепла от трубок радиатора в окружающую среду. Конструктивно используется следующая схема при активном воздушном охлаждении:

− на тепловыделяющий компонент устанавливается радиатор из материала с высокой теплопроводностью (например, из алюминия или меди);

− на стык между тепловыделяющей и теплоотводящей поверхностями радиатора наносится слой термоинтерфейса (например, термопаста) для уменьшения потерь теплоотводности на стыке;

− на радиатор прикрепляется вентилятор.

Пассивное охлаждение используется на тех элементах электронной аппаратуры, которые не сильно нагреваются в процессе работы устройства, так как его эффективность много меньше, чем у активного. Но существуют и пассивные радиаторы, которые предназначены для построения бесшумной системы охлаждения, и они имеют довольно высокие показатели отвода тепла при низкой скорости потока воздуха. Для увеличения излучаемого радиатором тепла применяют чернение поверхности радиатора. Также поверхности нагревающегося компонента и радиатора после шлифовки имеют шероховатость около 10мкм, а после полировки — около 5мкм. Эти шероховатости не дают поверхностям плотно соприкасаться, вследствие чего возникает тонкий воздушный промежуток с очень низкой теплопроводностью, и он заполняется специальными теплопроводными пастами.

Рассмотрим и проанализируем подробнее системы жидкостного охлаждения.

2. Анализ систем жидкостного охлаждения.

Процесс жидкостного охлаждения заключается в отводе излишнего тепла от рабочего тела посредством контакта с циркулирующей охлаждающей жидкостью [19]. В качестве рабочей жидкости чаще всего используется дистиллированная вода, часто с добавками, имеющими бактерицидный и/или антигальванический эффект, но также применяются иногда и масло, и антифриз, и жидкий металл, и другие специальные жидкости. Состав системы жидкостного охлаждения представлен диаграммой связей на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Диаграмма связей системы жидкостного охлаждения

Также по конструктивным особенностям системы жидкостного охлаждения могут разделяться на:

− системы, где охлаждающая жидкость приводится в движение помпой в виде отдельного механического узла;

− беспомповые системы, использующие специальные хладагенты, которые в процессе переноса тепла проходят через жидкую и газообразную фазы.

Системы жидкостного охлаждения электронной аппаратуры классифицируются по двум видам: по типу циркуляции теплоносителя и по источнику циркуляции теплоносителя. Это дробление представлено диаграммой связей на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Диаграмма связей классификации системы жидкостного охлаждения

В замкнутых жидкостных системах жидкость-теплоноситель циркулирует по герметичному контуру, нагреваясь от источника тепла (нагревателя) и остывая в охлаждающем контуре (охладителе). В незамкнутых жидкостных системах теплоноситель подается снаружи, нагревается у источника тепла и направляется во внешнюю среду, которая и играет роль охладителя [19].

В открытых системах нагреватель помещен в некоторый объем теплоносителя, а тот заключен в охладителе, если таковой предусмотрен конструкцией.

Конвективные системы — системы, в которых теплоноситель протекает через нагреватель только за счет тепловой конвекции, а циркуляционные системы — системы, в которых для перемещения используется насос.

Принцип действия помповой системы жидкостного охлаждения персонального компьютера эффективен и прост, и, в общем-то, ничем не отличается от систем охлаждения применяемых в автомобилях. Жидкость прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств с помощью специального насоса. Все компоненты конструкции соединены между собой гибкими трубками диаметром 6–12 мм. Проходя через радиатор процессора и, в ряде случаев, других устройств, жидкость забирает их тепло, после чего попадает по трубкам в радиатор теплообменника с наружным воздухом, где охлаждается сама [21]. Система замкнута, и жидкость в ней циркулирует постоянно (рисунок 2.3).

Рис. 2.3. Общая схема помповой системы жидкостного охлаждения

В беспомповых системах жидкостного охлаждения используется принцип испарителя, создающего направленное давление для движения охлаждающего вещества. Здесь применяются специальные хладагенты — это жидкость с низкой точкой кипения. Сначала, в холодном состоянии радиатор и магистрали заполнены жидкостью. Но когда радиатор процессора нагревается выше какой-то температуры, жидкость в нем превращается в пар. Важно, что сам процесс превращения в пар поглощает дополнительную энергию в виде тепла, а значит, повышает эффективность охлаждения. Горячий пар создает давление и старается покинуть пространство радиатора процессора. Через специальный односторонний клапан пар может выйти только в одну сторону — двигаться в радиатор теплообменника-конденсатора. Попадая в радиатор теплообменника, пар вытесняет оттуда холодную жидкость в радиатор процессора, а сам остывает и превращается вновь в жидкость.

Ниже на рисунке 2.4 представлен системный блок персонального компьютера с системой жидкостного охлаждения.

Рис. 2.4. Исследуемый системный блок с жидкостным охлаждением

Таким образом, охлаждающее вещество в чередующихся фазах жидкость-пар постоянно циркулирует по замкнутой системе трубопровода, пока радиатор горячий. Энергией для движения здесь является само тепло, выделяемое охлаждаемым элементом.

3. Анализ достоинства инедостатки жидкостного охлаждения.

Достоинства и недостатки систем жидкостного охлаждения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Достоинства инедостатки систем жидкостного охлаждения

Достоинства

Недостатки

− тепловая емкость жидкости значительно больше, чем у воздуха, следовательно, эффективность теплоотвода выше; − ниже уровень шума за счет снижения мощности вентилятора. Как правило, в системах жидкостного охлаждения используются низкооборотные кулеры, создающие поток воздуха, который и охлаждает нагретую жидкость. Такие кулеры не развивают высокой скорости вращения и, следовательно, шум от системы меньше, чем от мощных вентиляторов, используемых в воздушном охлаждении; − нет передачи тепла от одного элемента к другому (как это происходит в случае воздушного охлаждения); − данные системы могут легко модернизироваться — водоблок может устанавливаться не только на процессор, но и чипсет материнской платы и на чип видеокарты, что касается персонального компьютера. Радиатор можно перенести в любое место и даже вынести за пределы корпуса; − существует возможность организовать параллельное охлаждение сразу нескольких устройств.

− более дорогая цена системы по сравнению с воздушной системой; − более сложная установка из-за того, что современные системные блоки спроектированы под воздушные системы охлаждения. Однако, с появлением на рынке корпусов, подходящих для монтажа систем водяного охлаждения, популярность этих систем будет расти; − возможность повреждения элементов компьютера при разгерметизации системы.

Заключение.

В ходе проведенного анализа систем жидкостного охлаждения были выявлены основные составляющие системы. Были рассмотрены классификации систем жидкостного охлаждения по разным критериям. Также определены основные недостатки и достоинства такого способа охлаждения электронной аппаратуры.

Таким образом, можно сделать вывод, что использование систем жидкостного охлаждения существенно повышает охлаждение того или иного компонента электронного устройства по сравнению, например, с воздушным охлаждением.

Литература:

1. Билибин К. И., Власов А. И., Журавлева Л. В. и др. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. Учебник для вузов — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2005. 568 с. Сер. «Информатика в техническом университете» (Издание второе, переработанное и дополненное).
2. Преснухин Л. Н., Шахнов В. А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. Учебник для втузов по специальности «ЭВМ» и «Конструирование и производство ЭВА» — Москва, Изд-во Высшая школа. 1986. 512 с.
3. Парфенов Е. М., Камышная Э. Н., Усачов В. П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие для вузов — Москва, Изд-во Радио и связь. 1989. 272 с.
4. Камышная Э. Н., Маркелов В. В., Соловьев В. А. Конструкторско-технологические расчеты электронной аппаратуры. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. 165 с.
5. Андреев К. А., Власов А. И., Камышная Э. Н., Тиняков Ю. Н., Лавров А. В. Автоматизированная пространственная оптимизация компоновки блока управления датчика давления по тепловому критерию // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 6 (18). С. 51.
6. Панфилова С. П., Власов А. И., Гриднев В. Н., Червинский А. С. Бесконтактный тепловой контроль электронно-вычислительных средств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 6 (72). С. 42–49.
7. Панфилова С. П., Власов А. И., Гриднев В. Н., Червинский А. С. Бесконтактный тепловой контроль изделий электронной техники // Производство электроники. 2007. № 3. С. 25–30.
8. Гриднев В. Н., Сергеева М. Д., Чебова А. И. Линейные модели распознавания тепловизионных изображений неисправностей электронных ячеек // Контроль. Диагностика. 2014. № 8. С. 57–66.
9. Семенцов С. Г., Гриднев В. Н., Сергеева Н. А. Тепловизионные методы оценки влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2016. № 1 (106). С. 3–14.
10. Семенцов С. Г., Гриднев В. Н., Сергеева Н. А. Исследование влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры тепловизионными методами // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 6–10.
11. Еланцев А. В., Маркелов В. В. Автоматизированный контроль и испытания электронной аппаратуры. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1990. 52 с. Том 1: Испытание электронной аппаратуры.
12. Еланцев А. В., Курбанмагомедов К. Д., Маркелов В. В., Набиуллин А. Н. Методы и средства автоматизированного контроля и испытаний электронной аппаратуры. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1992. 78 с. Том 2: Анализ и обеспечение контроле- и тестопригодности ЭA.
13. Камышная Э. Н., Маркелов В. В., Усачев В. П. Исследование теплового режима блока охлаждения РЭС при различных системах охлаждения. Учебное пособие по курсу «Конструирование РЭС» — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1991. 20 c.
14. Камышная Э. Н., Маркелов В. В., Соловьев В. А. Программное обеспечение конструкторских расчетов РЭС и ЭВС. Том 8. Расчет радиаторов — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003. 28 с.
15. Парфенов Е. М., Фролов А. В. Расчеты тепловых режимов блоков РЭА и ЭВА на микросхемах и дискретных элементах. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1980. 34 с.
16. Чеканов А. Н., Маркелов В. В., Кадыков Г. Г. Автоматизация расчетов тепловых режимов с помощью ЭВМ. Расчет тепловых режимов при естественной и принудительной конвекции. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1983. 35 с.
17. Парфенов Е. М., Костиков В. Г., Буренин В. В. Экспериментальное определение закона теплообмена и коэффициента теплоотдачи: лабораторная работа по курсу конструирование РЭС. Учебное пособие. — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1991. 36 с.
18. Захаржевский С. Б., Курносенко А. Е. Расчет изделий электроники на механические и тепловые воздействия в САПР CREO. Учебное пособие для студентов по направлению «Конструирование и технология электронных средств» — Москва, Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2013. 56 с.
19. Жидкостное охлаждение [Электронный ресурс] // https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкостное_охлаждение — Дата обращения 14.11.2016.
20. Система охлаждения компьютера [Электронный ресурс] // https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_охлаждения_компьютера — Дата обращения 14.11.2016.
21. Жидкостное охлаждение для компьютеров [Электронный ресурс] // http://fcenter.ru/online/hardarticles/cooling/5818 — Дата обращения 14.11.2016.
22. Мюллер Скотт.Модернизация и ремонт ПК, 19 изд.: Пер. с англ. — М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2011. — 1072с.: Парал.тит.англ.