Wärmemanagement (Elektronik) – Wikipedia

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60 × 60 × 10 mm Kühlkörper mit gerader Lamelle, thermischem Profil und wirbelnden animierten Strömungsverläufen mit erzwungener Konvektion von einem Rohrventilator, vorhergesagt unter Verwendung eines CFD-Analysepakets.

Radialer Kühlkörper mit thermischem Profil und wirbelnden Strömungsverläufen für erzwungene Konvektion (unter Verwendung der CFD-Analyse)

Pin Fin Kühlkörper mit thermischem Profil und Dione-Konvektionsströmungsverläufen (unter Verwendung der CFD-Analyse)

Kühlkörper in einem Workstation-Computer

Freier thermoelektrischer Konvektionskühler (Peltier-Kühler) mit Konturen der Kühlkörperoberflächentemperatur und steigenden wärmeren Luft- und fallenden Luftströmungsverläufen, die mithilfe eines CFD-Analysepakets vorhergesagt wurden.

CPU-Kühlkörper mit angeschlossenem Lüfter

Ein Kühlkörper (Aluminium) mit einem Wärmerohr (Kupfer)

Alle elektronischen Geräte und Schaltungen erzeugen überschüssige Wärme und benötigen daher Wärmemanagement um die Zuverlässigkeit zu verbessern und vorzeitigen Ausfall zu verhindern. Die Wärmeabgabe entspricht der Leistungsaufnahme, wenn keine anderen Energiewechselwirkungen vorliegen.[1] Es gibt verschiedene Kühltechniken, darunter verschiedene Arten von Kühlkörpern, thermoelektrischen Kühlern, Druckluftsystemen und -ventilatoren, Wärmerohren und anderen. In Fällen extrem niedriger Umgebungstemperaturen kann es tatsächlich erforderlich sein, die elektronischen Komponenten zu erwärmen, um einen zufriedenstellenden Betrieb zu erzielen.[2]

Überblick

Wärmewiderstand von Geräten

Dies wird üblicherweise als Wärmewiderstand vom Übergang zum Gehäuse der Halbleiterbauelement angegeben. Die Einheiten sind ° C / W. Beispielsweise wird ein Kühlkörper mit einer Nennleistung von 10 ° C / W 10 ° C heißer als die Umgebungsluft, wenn er 1 Watt Wärme abführt. Somit ist ein Kühlkörper mit einem niedrigen C / W-Wert effizienter als ein Kühlkörper mit einem hohen C / W-Wert.[3]

Bei zwei Halbleiterbauelementen im selben Gehäuse ist ein niedrigerer Übergang zum Umgebungswiderstand (R.θJ-C) zeigt ein effizienteres Gerät an. Beim Vergleich von zwei Geräten mit unterschiedlichen Wärmewiderständen ohne Chip (z. B. DirectFET MT gegenüber drahtgebundenem 5 x 6 mm PQFN) korreliert ihre Verbindung zu Umgebungsbedingungen oder die Verbindung zu Gehäusewiderstandswerten möglicherweise nicht direkt mit ihren Vergleichseffizienzen. Unterschiedliche Halbleitergehäuse können unterschiedliche Chiporientierungen, unterschiedliche Kupfer- (oder andere Metall-) Massen, die den Chip umgeben, unterschiedliche Chipbefestigungsmechaniken und unterschiedliche Formdicken aufweisen, die alle signifikant unterschiedliche Werte für den Übergang von Gehäuse zu Gehäuse oder den Übergang zu Umgebungswiderstand ergeben können und könnten Dadurch werden die Gesamtwirkungsgrade verdeckt.

Thermische Zeitkonstanten

Die Wärmemasse eines Kühlkörpers kann als Kondensator (Speicherung von Wärme anstelle von Ladung) und der Wärmewiderstand als elektrischer Widerstand (Angabe eines Maßes dafür, wie schnell gespeicherte Wärme abgeführt werden kann) betrachtet werden. Zusammen bilden diese beiden Komponenten eine thermische RC-Schaltung mit einer zugehörigen Zeitkonstante, die durch das Produkt von R und C gegeben ist. Diese Größe kann verwendet werden, um die dynamische Wärmeableitungsfähigkeit eines Geräts analog zum elektrischen Gehäuse zu berechnen.[4]

Thermisches Grenzflächenmaterial

EIN thermisches Grenzflächenmaterial oder Mastix (aka TIM) wird verwendet, um die Lücken zwischen Wärmeübertragungsflächen, z. B. zwischen Mikroprozessoren und Kühlkörpern, zu füllen, um die Wärmeübertragungseffizienz zu erhöhen. Es hat einen höheren Wärmeleitfähigkeitswert in Z-Richtung als in xy-Richtung.

Anwendungen

Persönliche Computer

Aufgrund der jüngsten technologischen Entwicklungen und des öffentlichen Interesses hat der Einzelhandelsmarkt für Kühlkörper ein Allzeithoch erreicht. In den frühen 2000er Jahren wurden CPUs hergestellt, die immer mehr Wärme abgaben als früher, was die Anforderungen an hochwertige Kühlsysteme steigerte.

Übertakten bedeutete immer einen höheren Kühlbedarf, und die von Natur aus heißeren Chips bedeuteten für den Enthusiasten mehr Bedenken. Effiziente Kühlkörper sind für übertaktete Computersysteme von entscheidender Bedeutung. Je höher die Abkühlrate eines Mikroprozessors ist, desto schneller kann der Computer ohne Instabilität arbeiten. Im Allgemeinen führt ein schnellerer Betrieb zu einer höheren Leistung. Viele Unternehmen konkurrieren jetzt darum, den besten Kühlkörper für PC-Übertaktungsbegeisterte anzubieten. Zu den führenden Herstellern von Aftermarket-Kühlkörpern gehören: Aero Cool, Foxconn, Thermalright, Thermaltake, Swiftech und Zalman.[citation needed]

Löten

Beim Löten von Leiterplatten wurden manchmal temporäre Kühlkörper verwendet, um zu verhindern, dass übermäßige Wärme empfindliche Elektronik in der Nähe beschädigt. Im einfachsten Fall bedeutet dies, ein Bauteil mit einem Schwermetallkrokodilclip oder einer ähnlichen Klemme teilweise zu greifen. Moderne Halbleiterbauelemente, die durch Reflow-Löten zusammengebaut werden können, vertragen normalerweise Löttemperaturen ohne Beschädigung. Auf der anderen Seite können elektrische Komponenten wie magnetische Reed-Schalter fehlerhaft funktionieren, wenn sie Lötkolben mit höherer Leistung ausgesetzt werden. Daher wird diese Praxis immer noch sehr häufig angewendet.[5]

Batterien

In der für Elektrofahrzeuge verwendeten Batterie wird die Nennbatterieleistung normalerweise für Arbeitstemperaturen im Bereich von +20 ° C bis +30 ° C angegeben. Die tatsächliche Leistung kann jedoch erheblich davon abweichen, wenn die Batterie bei höheren oder insbesondere niedrigeren Temperaturen betrieben wird, so dass einige Elektroautos Heizung und Kühlung für ihre Batterien haben.[6]

Methoden

Temperatur fällt

Kühlkörper sind in der Elektronik weit verbreitet und für die moderne Mikroelektronik unverzichtbar geworden. Im allgemeinen Gebrauch ist es ein Metallgegenstand, der mit der heißen Oberfläche eines elektronischen Bauteils in Kontakt gebracht wird – obwohl in den meisten Fällen ein dünnes thermisches Grenzflächenmaterial zwischen den beiden Oberflächen vermittelt. Mikroprozessoren und Power-Handling-Halbleiter sind Beispiele für Elektronik, die einen Kühlkörper benötigen, um ihre Temperatur durch erhöhte Wärmemasse und Wärmeableitung (hauptsächlich durch Leitung und Konvektion und in geringerem Maße durch Strahlung) zu senken. Kühlkörper sind für moderne integrierte Schaltkreise wie Mikroprozessoren, DSPs, GPUs und mehr fast unverzichtbar geworden.

Ein Kühlkörper besteht normalerweise aus einer Metallstruktur mit einer oder mehreren flachen Oberflächen, um einen guten Wärmekontakt mit den zu kühlenden Bauteilen sicherzustellen, und einer Anordnung von kamm- oder rippenartigen Vorsprüngen, um den Oberflächenkontakt mit der Luft und damit die Geschwindigkeit von zu erhöhen Wärmeableitung.

Ein Kühlkörper wird manchmal in Verbindung mit einem Lüfter verwendet, um den Luftstrom über den Kühlkörper zu erhöhen. Dies hält einen größeren Temperaturgradienten aufrecht, indem erwärmte Luft schneller als durch Konvektion ersetzt wird. Dies ist als Druckluftsystem bekannt.

Kühlplatte

Platzieren einer leitenden dicken Metallplatte, die als Kühlplatte bezeichnet wird,[7] als Wärmeübertragungsschnittstelle zwischen einer Wärmequelle und einem kalt fließenden Fluid (oder einem anderen Kühlkörper) kann die Kühlleistung verbessert werden. In einer solchen Anordnung wird die Wärmequelle unter der dicken Platte gekühlt, anstatt in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit gekühlt zu werden. Es wird gezeigt, dass die dicke Platte den Wärmeübergang zwischen der Wärmequelle und dem Kühlfluid erheblich verbessern kann, indem der Wärmestrom optimal geleitet wird. Die beiden attraktivsten Vorteile dieser Methode sind, dass keine zusätzliche Pumpleistung und keine zusätzliche Wärmeübertragungsfläche vorhanden ist, die sich erheblich von Lamellen (verlängerte Oberflächen) unterscheidet.

Prinzip

Kühlkörper funktionieren, indem sie Wärmeenergie (“Wärme”) effizient von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein zweites Objekt mit niedrigerer Temperatur und viel größerer Wärmekapazität übertragen. Diese schnelle Übertragung von Wärmeenergie bringt das erste Objekt schnell in ein thermisches Gleichgewicht mit dem zweiten, senkt die Temperatur des ersten Objekts und erfüllt die Rolle des Kühlkörpers als Kühlvorrichtung. Eine effiziente Funktion eines Kühlkörpers beruht auf einer schnellen Übertragung von Wärmeenergie vom ersten Objekt zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zum zweiten Objekt.

Das gebräuchlichste Design eines Kühlkörpers ist ein Metallgerät mit vielen Rippen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls in Kombination mit seiner großen Oberfläche führt zu einer schnellen Übertragung von Wärmeenergie auf die umgebende, kühlere Luft. Dies kühlt den Kühlkörper und alles, womit er in direktem Wärmekontakt steht. Die Verwendung von Flüssigkeiten (z. B. Kühlmittel in der Kältetechnik) und thermischem Grenzflächenmaterial (zum Kühlen elektronischer Geräte) gewährleistet eine gute Übertragung von Wärmeenergie auf den Kühlkörper. In ähnlicher Weise kann ein Ventilator die Übertragung von Wärmeenergie vom Kühlkörper an die Luft verbessern.

Konstruktion und Materialien

Ein Kühlkörper besteht normalerweise aus einer Basis mit einer oder mehreren flachen Oberflächen und einer Anordnung von kamm- oder rippenartigen Vorsprüngen, um die Oberfläche des Kühlkörpers, die mit der Luft in Kontakt steht, und damit die Wärmeableitungsrate zu erhöhen. Während ein Kühlkörper ein statisches Objekt ist, unterstützt ein Lüfter einen Kühlkörper häufig, indem er einen erhöhten Luftstrom über den Kühlkörper bereitstellt. Dadurch wird ein größerer Temperaturgradient aufrechterhalten, indem die erwärmte Luft schneller ersetzt wird, als dies durch passive Konvektion allein erreicht wird -Luftsystem.

Im Idealfall bestehen Kühlkörper aus einem guten Wärmeleiter wie einer Silber-, Gold-, Kupfer- oder Aluminiumlegierung. Kupfer und Aluminium gehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien für elektronische Geräte. Kupfer (401 W / (m · K) bei 300 K) ist deutlich teurer als Aluminium (237 W / (m · K) bei 300 K), aber auch ungefähr doppelt so effizient wie ein Wärmeleiter. Aluminium hat den wesentlichen Vorteil, dass es leicht durch Extrusion geformt werden kann, wodurch komplexe Querschnitte möglich werden. Aluminium ist auch viel leichter als Kupfer und belastet empfindliche elektronische Bauteile weniger mechanisch. Einige Kühlkörper aus Aluminium haben als Kompromiss einen Kupferkern. Halbleiter mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit sind Borarsenid (1300 W / (m · K))[8] und Borphosphid (500 W / (m · K)).[9] Die Kontaktfläche des Kühlkörpers (die Basis) muss flach und glatt sein, um den besten Wärmekontakt mit dem zu kühlenden Objekt zu gewährleisten. Häufig wird ein wärmeleitendes Fett verwendet, um einen optimalen Wärmekontakt sicherzustellen. Solche Verbindungen enthalten oft kolloidales Silber. Ferner halten ein Klemmmechanismus, Schrauben oder ein Wärmekleber den Kühlkörper fest auf dem Bauteil, jedoch speziell ohne Druck, der das Bauteil quetschen würde.

Performance

Die Leistung des Kühlkörpers (einschließlich freier Konvektion, erzwungener Konvektion, Flüssigkeitskühlung und einer beliebigen Kombination davon) ist eine Funktion des Materials, der Geometrie und des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten der Oberfläche. Im Allgemeinen wird die Wärmeleistung des Kühlkörpers mit erzwungener Konvektion verbessert, indem die Wärmeleitfähigkeit der Kühlkörpermaterialien erhöht, die Oberfläche vergrößert wird (normalerweise durch Hinzufügen ausgedehnter Oberflächen wie Rippen oder Schaummetall) und der Wärmeübergangskoeffizient der Gesamtfläche erhöht wird (normalerweise) durch Erhöhen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, z. B. Hinzufügen von Lüftern, Pumpen usw.).

Online-Kühlkörperrechner von Unternehmen wie Novel Concepts, Inc. und unter www.heatsinkcalculator.com[10] kann die Leistung von Kühlkörpern mit erzwungener und natürlicher Konvektion genau abschätzen. Für komplexere Kühlkörpergeometrien oder Kühlkörper mit mehreren Materialien oder mehreren Flüssigkeiten wird eine CFD-Analyse (Computation Fluid Dynamics) empfohlen (siehe Grafiken auf dieser Seite).[citation needed]

Konvektive Luftkühlung

Dieser Begriff beschreibt die Gerätekühlung durch die Konvektionsströme der warmen Luft, die aus den Grenzen des zu kühlenden zu ersetzenden Bauteils entweichen können. Da normalerweise warme Luft aufsteigt, erfordert diese Methode normalerweise eine Entlüftung an der Oberseite oder an den Seiten des Gehäuses, um wirksam zu sein.

Zwangsluftkühlung

Wenn mehr Luft in ein System gedrückt wird als abgepumpt wird (aufgrund eines Ungleichgewichts in der Anzahl der Lüfter), wird dies als “positiver” Luftstrom bezeichnet, da der Druck im Inneren des Geräts höher ist als außerhalb.

Ein ausgeglichener oder neutraler Luftstrom ist am effizientesten, obwohl ein leicht positiver Luftstrom bei ordnungsgemäßer Filterung zu weniger Staubbildung führen kann

Heatpipes

Ein Wärmerohr ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die die Verdampfung und Kondensation eines zweiphasigen “Arbeitsmediums” oder Kühlmittels verwendet, um große Wärmemengen mit einem sehr geringen Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Grenzfläche zu transportieren. Ein typisches Wärmerohr besteht aus einem abgedichteten Hohlrohr aus einem wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder Aluminium und einem Docht, um das Arbeitsfluid vom Verdampfer zum Kondensator zurückzuführen. Das Rohr enthält sowohl gesättigte Flüssigkeit als auch Dampf eines Arbeitsmediums (wie Wasser, Methanol oder Ammoniak), wobei alle anderen Gase ausgeschlossen sind. Das gebräuchlichste Wärmerohr für das Wärmemanagement der Elektronik hat eine Kupferhülle und einen Docht mit Wasser als Arbeitsmedium. Kupfer / Methanol wird verwendet, wenn das Wärmerohr unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser betrieben werden muss, und Aluminium / Ammoniak-Wärmerohre werden für die Elektronikkühlung im Weltraum verwendet.

Der Vorteil von Heatpipes ist ihre hohe Effizienz bei der Wärmeübertragung. Die Wärmeleitfähigkeit von Wärmerohren kann im Gegensatz zu Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W / m K bis zu 100.000 W / m K betragen.[11]

Peltier-Kühlplatten

Peltier-Kühlplatten Nutzen Sie den Peltier-Effekt, um durch Anlegen eines elektrischen Stroms einen Wärmefluss zwischen der Verbindung zweier verschiedener elektrischer Leiter zu erzeugen.[12] Dieser Effekt wird üblicherweise zum Kühlen elektronischer Komponenten und kleiner Instrumente verwendet. In der Praxis können viele solcher Übergänge in Reihe angeordnet sein, um den Effekt auf die erforderliche Heiz- oder Kühlmenge zu erhöhen.

Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, ist eine Peltier-Platte wartungsfrei. Da der Wirkungsgrad relativ niedrig ist, wird die thermoelektrische Kühlung im Allgemeinen für elektronische Geräte wie Infrarotsensoren verwendet, die bei Temperaturen unter Umgebungstemperatur betrieben werden müssen. Für die Kühlung dieser Vorrichtungen überwiegt die Festkörpereigenschaft der Peltier-Platten ihre schlechte Effizienz. Thermoelektrische Verbindungen sind in der Regel etwa 10% so effizient wie der ideale Carnot-Kühlschrank, verglichen mit 40%, die mit herkömmlichen Kompressionssystemen erzielt werden.

Synthetische Strahlluftkühlung

Ein synthetischer Strahl wird durch einen kontinuierlichen Wirbelstrom erzeugt, der durch abwechselndes kurzes Ausstoßen und Ansaugen von Luft durch eine Öffnung gebildet wird, so dass der Nettomassenfluss Null ist. Ein einzigartiges Merkmal dieser Düsen ist, dass sie vollständig aus dem Arbeitsfluid des Durchflusssystems gebildet werden, in dem sie eingesetzt werden, und einen Nettodrehimpuls für den Durchfluss eines Systems ohne Nettomasseninjektion in das System erzeugen können.

Synthetische Jet Air Mover haben keine beweglichen Teile und sind daher wartungsfrei. Aufgrund der hohen Wärmeübergangskoeffizienten, der hohen Zuverlässigkeit und der geringeren Gesamtdurchflussraten werden synthetische Strahlluftbewegungsmaschinen normalerweise auf Chipebene und nicht auf Systemebene zum Kühlen verwendet. Abhängig von der Größe und Komplexität der Systeme können sie jedoch zeitweise für beide verwendet werden.[citation needed]

Elektrostatische Flüssigkeitsbeschleunigung

Ein elektrostatischer Flüssigkeitsbeschleuniger (EFA) ist eine Vorrichtung, die eine Flüssigkeit wie Luft ohne bewegliche Teile pumpt. Anstatt wie bei einem herkömmlichen Lüfter rotierende Flügel zu verwenden, verwendet ein EFA ein elektrisches Feld, um elektrisch geladene Luftmoleküle anzutreiben. Da Luftmoleküle normalerweise neutral geladen sind, muss die EFA zuerst einige geladene Moleküle oder Ionen erzeugen. Daher gibt es drei grundlegende Schritte im Flüssigkeitsbeschleunigungsprozess: Luftmoleküle ionisieren, diese Ionen verwenden, um viel mehr neutrale Moleküle in eine gewünschte Richtung zu drücken, und dann die Ionen wieder einfangen und neutralisieren, um jegliche Nettoladung zu eliminieren.

Das Grundprinzip ist seit einiger Zeit bekannt, aber erst in den letzten Jahren gab es Entwicklungen bei der Entwicklung und Herstellung von EFA-Geräten, die es ihnen ermöglichen könnten, praktische und wirtschaftliche Anwendungen zu finden, beispielsweise bei der Mikrokühlung von Elektronikkomponenten.

Kürzliche Entwicklungen

In jüngerer Zeit werden Kühlbecken aus synthetischem Diamant erforscht, um eine bessere Kühlung zu gewährleisten. Einige Kühlkörper bestehen auch aus mehreren Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften, wie z. B. Phasenwechselmaterialien, die aufgrund ihrer Schmelzwärme viel Energie speichern können.[citation needed]

Thermische Simulation der Elektronik

Durch thermische Simulationen können Ingenieure die Temperatur und den Luftstrom im Gerät visuell darstellen. Mithilfe von thermischen Simulationen können Ingenieure das Kühlsystem entwerfen. ein Design zu optimieren, um Stromverbrauch, Gewicht und Kosten zu reduzieren; und um das thermische Design zu überprüfen, um sicherzustellen, dass beim Bau der Geräte keine Probleme auftreten. Die meisten thermischen Simulationsprogramme verwenden Techniken zur rechnergestützten Fluiddynamik, um die Temperatur und den Luftstrom eines elektronischen Systems vorherzusagen.

Design

Eine thermische Simulation ist häufig erforderlich, um zu bestimmen, wie Komponenten innerhalb von Konstruktionsbeschränkungen effektiv gekühlt werden können. Die Simulation ermöglicht den Entwurf und die Überprüfung des thermischen Entwurfs der Ausrüstung in einem sehr frühen Stadium und während des gesamten Entwurfs der elektronischen und mechanischen Teile. Das Entwerfen unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften von Anfang an verringert das Risiko von Konstruktionsänderungen in letzter Minute, um thermische Probleme zu beheben.

Die Verwendung der thermischen Simulation als Teil des Designprozesses ermöglicht die Erstellung eines optimalen und innovativen Produktdesigns, das den Spezifikationen entspricht und die Zuverlässigkeitsanforderungen der Kunden erfüllt.[13]

Optimieren

Es ist einfach, ein Kühlsystem für fast alle Geräte zu entwerfen, wenn Platz, Leistung und Budget unbegrenzt sind. Die meisten Geräte haben jedoch eine starre Spezifikation, die eine begrenzte Fehlerquote lässt. Es besteht ein ständiger Druck, den Strombedarf, das Systemgewicht und die Kostenteile zu reduzieren, ohne die Leistung oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Die thermische Simulation ermöglicht das Experimentieren mit Optimierungen, z. B. das Ändern der Kühlkörpergeometrie oder das Reduzieren der Lüfterdrehzahl in einer virtuellen Umgebung, die schneller, billiger und sicherer ist als physikalische Experimente und Messungen.

Überprüfen

Traditionell wird das thermische Design der Geräte zum ersten Mal überprüft, nachdem ein Prototyp gebaut wurde. Das Gerät wird möglicherweise in einer Umgebungskammer eingeschaltet, und die Temperaturen der kritischen Teile des Systems werden mithilfe von Sensoren wie Thermoelementen gemessen. Wenn Probleme entdeckt werden, verzögert sich das Projekt, während nach einer Lösung gesucht wird. Möglicherweise ist eine Änderung des Designs einer Leiterplatte oder eines Gehäuseteils erforderlich, um das Problem zu beheben. Dies ist zeitaufwändig und kostet viel Geld. Wenn die thermische Simulation als Teil des Entwurfsprozesses der Ausrüstung verwendet wird, wird das Problem des thermischen Entwurfs identifiziert, bevor ein Prototyp gebaut wird. Das Beheben eines Problems in der Entwurfsphase ist sowohl schneller als auch billiger als das Ändern des Entwurfs nach der Erstellung eines Prototyps.

Software

Es gibt eine breite Palette von Softwaretools, die für die thermische Simulation von Elektronik entwickelt wurden, darunter 6SigmaET, Ansys ‘IcePak und Mentor Graphics’ FloTHERM.

Telekommunikationsumgebungen

Es müssen Wärmemanagementmaßnahmen getroffen werden, um Geräte mit hoher Wärmefreisetzung in Telekommunikationsräumen unterzubringen. Generische Zusatz- / Punktkühlungstechniken sowie schlüsselfertige Kühllösungen, die von Geräteherstellern entwickelt wurden, sind praktikable Lösungen. Solche Lösungen könnten es ermöglichen, Geräte mit sehr hoher Wärmefreisetzung in einem Zentralbüro unterzubringen, dessen Wärmedichte bei oder nahe der vom zentralen Luftbehandlungsgerät verfügbaren Kühlleistung liegt.

Laut Telcordia GR-3028, Wärmemanagement in Telekommunikationszentralen, Die gebräuchlichste Art, moderne Telekommunikationsgeräte intern zu kühlen, ist die Verwendung mehrerer Hochgeschwindigkeitsventilatoren, um eine erzwungene Konvektionskühlung zu erzeugen. Obwohl in Zukunft möglicherweise eine direkte und indirekte Flüssigkeitskühlung eingeführt wird, ist das derzeitige Design neuer elektronischer Geräte darauf ausgerichtet, Luft als Kühlmedium zu erhalten.[14]

Ein gut entwickelter “ganzheitlicher” Ansatz ist erforderlich, um aktuelle und zukünftige Wärmemanagementprobleme zu verstehen. Die Raumkühlung einerseits und die Gerätekühlung andererseits können nicht als zwei isolierte Teile der gesamten thermischen Herausforderung angesehen werden. Der Hauptzweck des Luftverteilungssystems einer Geräteeinrichtung besteht darin, konditionierte Luft so zu verteilen, dass die elektronischen Geräte effektiv gekühlt werden. Die Gesamtkühlleistung hängt davon ab, wie das Luftverteilungssystem Luft durch den Geräteraum bewegt, wie das Gerät Luft durch die Geräterahmen bewegt und wie diese Luftströme miteinander interagieren. Hohe Wärmeableitungsraten hängen stark von einer nahtlosen Integration von Gerätekühlung und Raumkühlung ab.

Die vorhandenen Umweltlösungen in Telekommunikationsanlagen weisen inhärente Einschränkungen auf. Beispielsweise verfügen die meisten ausgereiften Zentralbüros nur über begrenzten Platz für große Luftkanalinstallationen, die zur Kühlung von Geräteräumen mit hoher Wärmedichte erforderlich sind. Darüber hinaus entwickeln sich steile Temperaturgradienten schnell, falls ein Kühlungsausfall auftritt. Dies wurde durch Computermodellierung und direkte Messungen und Beobachtungen gut dokumentiert. Obwohl möglicherweise Umweltsicherungssysteme vorhanden sind, gibt es Situationen, in denen sie nicht helfen. In einem kürzlich durchgeführten Fall wurden Telekommunikationsgeräte in einer großen Zentrale überhitzt, und kritische Dienste wurden durch eine vollständige Kühlabschaltung unterbrochen, die durch einen falschen Rauchmelder ausgelöst wurde.

Ein Haupthindernis für ein effektives Wärmemanagement ist die Art und Weise, wie derzeit Daten zur Wärmeabgabe gemeldet werden. Lieferanten geben im Allgemeinen die maximale (Typenschild-) Wärmeabgabe von den Geräten an. In der Realität führen die Gerätekonfiguration und die Verkehrsvielfalt zu deutlich geringeren Wärmefreisetzungszahlen.

Gerätekühlklassen

Wie angegeben in GR-3028In den meisten Geräteumgebungen werden kühle vordere Gänge (Wartungsgänge) und heiße hintere Gänge (Verkabelungsgänge) gewartet, wobei den vorderen Gängen kühle Zuluft zugeführt und den hinteren Gängen heiße Luft entzogen wird. Dieses Schema bietet mehrere Vorteile, einschließlich einer effektiven Gerätekühlung und eines hohen thermischen Wirkungsgrads.

In der traditionellen Raumkühlungsklasse, die von den meisten Dienstleistern verwendet wird, würde die Gerätekühlung von Lufteinlass- und -auslassstellen profitieren, die dazu beitragen, Luft vom Vordergang zum Hintergang zu befördern. Das traditionelle Muster von vorne nach unten nach oben nach hinten wurde jedoch bei einigen Geräten durch andere Luftströmungsmuster ersetzt, die möglicherweise keine ausreichende Kühlung der Geräte in Bereichen mit hoher Wärmedichte gewährleisten.

Eine Klassifizierung von Geräten (Regale und Schränke) in Gerätekühlungsklassen (EC) dient der Klassifizierung der Geräte in Bezug auf die Kühllufteinlass- und Heißluftauslassstellen, dh die Geräteluftströmungsschemata oder -protokolle.

Die Syntax der EC-Klasse bietet eine flexible und wichtige „gemeinsame Sprache“. Es wird zur Entwicklung von Wärmefreisetzungszielen (Heat-Release Targets, HRTs) verwendet, die für die Netzwerkzuverlässigkeit, die Geräte- und Raumplanung sowie die Planung der Infrastrukturkapazität wichtig sind. HRTs berücksichtigen physikalische Einschränkungen der Umwelt und Umweltgrundlagenkriterien, einschließlich der Zuluftstromkapazität, der Luftdiffusion in den Geräteraum und der Wechselwirkungen zwischen Luftverteilung und Ausrüstung. Die EG-Klassifizierung wird nicht nur zur Entwicklung der HRTs verwendet, sondern kann auch verwendet werden, um die Konformität auf Produktblättern nachzuweisen, interne Designspezifikationen bereitzustellen oder Anforderungen in Bestellungen festzulegen.

Die Klassifizierung Raumkühlung (RC-Klasse) bezieht sich auf die Art und Weise, wie der gesamte Geräteraum klimatisiert (gekühlt) wird. Der Hauptzweck von RC-Klassen besteht darin, eine logische Klassifizierung und Beschreibung von älteren und nicht alten Raumkühlungsschemata oder -protokollen in der Zentralbüroumgebung bereitzustellen. Die RC-Klassifizierung wird nicht nur für die Entwicklung von HRTs verwendet, sondern kann auch in internen Designspezifikationen für Zentralstellen oder in Bestellungen verwendet werden.

Ergänzungskühlklassen (SC-Klasse) bieten eine Klassifizierung der Zusatzkühltechniken. Dienstleister verwenden ergänzende / Spot-Cooling-Lösungen, um die Kühlkapazität (z. B. zur Behandlung von „Hot Spots“) zu ergänzen, die durch das allgemeine Raumkühlungsprotokoll gemäß RC-Klasse bereitgestellt wird.

Wirtschaftliche Auswirkung

Der Energieverbrauch von Telekommunikationsgeräten macht derzeit einen hohen Prozentsatz des gesamten Energieverbrauchs in Zentralbüros aus. Der größte Teil dieser Energie wird anschließend als Wärme an den umgebenden Geräteraum abgegeben. Da der größte Teil des verbleibenden Energieverbrauchs in der Zentrale für die Kühlung des Geräteraums verwendet wird, wären die wirtschaftlichen Auswirkungen einer energieeffizienten elektronischen Ausrüstung für Unternehmen, die Telekommunikationsgeräte verwenden und betreiben, erheblich. Dies würde die Kapitalkosten für Unterstützungssysteme senken und die thermischen Bedingungen im Geräteraum verbessern.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Cengel, Yunus; Ghajar, Afshin (2015). Wärme- und Stoffaustausch: Grundlagen und Anwendungen (PDF). http://highered.mheducation.com/sites/dl/free/0073398187/835451/Chapter15.pdf: McGraw Hill. S. Kapitel 15. ISBN 978-0073398181.CS1-Wartung: Standort (Link)
  2. ^ “OSHA Technical Manual (OTM) – Abschnitt III: Kapitel 4 – Hitzestress – Arbeitsschutzverwaltung”. www.osha.gov.
  3. ^ “Die Auswirkung der Zwangsluftkühlung auf die Wärmewerte von Kühlkörpern” (PDF).
  4. ^ 4 MATERIALFRAGEN – Materialien für elektronische Verpackungen und Verbindungen mit hoher Dichte – The National Academies Press. 1990. doi:10.17226 / 1624. hdl:2060/19900017733. ISBN 978-0-309-04233-8.
  5. ^ “Reedschalter – Elektronik in Meccano”. www.eleinmec.com.
  6. ^ “Batteriethermiemanagement”. www.mpoweruk.com.
  7. ^ “Überblick über Kühlmethoden für AC-DC- und DC-DC-Netzteile”. Aegis Power Systems, Inc.. 12. Januar 2016. Abgerufen 19. Januar 2016.
  8. ^ Kang, Joon Sang; Li, Mann; Wu, Huan; Nguyen, Huuduy; Hu, Yongjie (2018). “Experimentelle Beobachtung der hohen Wärmeleitfähigkeit in Borarsenid”. Wissenschaft. 361 (6402): 575–578. doi:10.1126 / science.aat5522. PMID 29976798.
  9. ^ Kang, J.; Wu, H.; Hu, Y. (2017). “Thermische Eigenschaften und Phononenspektralcharakterisierung von synthetischem Borphosphid für Anwendungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit”. Nano-Briefe. 17 (12): 7507–7514. doi:10.1021 / acs.nanolett.7b03437. PMID 29115845.
  10. ^ “Kühlkörperrechner: Online-Kühlkörperanalyse und -design”. heatsinkcalculator.com.
  11. ^ “Spot Cooling Heat Pipes – Verwendung von Heat Pipes, HiK ™ -Platten, Dampfkammern und Leitungskühlung”. www.1-act.com.
  12. ^ “Thermoelektrische technische Referenz – Einführung in die thermoelektrische Kühlung”. Ferrotec. Abgerufen 30. April 2014.
  13. ^ “Archivierte Kopie”. Archiviert von das Original am 04.03.2016. Abgerufen 2015-08-27.CS1-Wartung: Archivierte Kopie als Titel (Link)
  14. ^ GR-3028-CORE, Wärmemanagement in Telekommunikationszentralen: Thermal GR-3028, Telcordia.

Weiterführende Literatur

  • Ogrenci-Memik, Seda (2015). Wärmemanagement in integrierten Schaltkreisen: Überwachung und Kühlung auf Chip- und Systemebene. London, Großbritannien: Die Institution of Engineering and Technology. ISBN 9781849199353. OCLC 934678500.

Externe Links

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