בעוד מכשירים אלקטרוניים דוחקים את גבולות הביצועים והמיניטוריזציה, ניהול תרמי הפך גורם קריטי בעיצוב ואמינות.כל וואט של כוח נצרך מייצר חום, ואם חום זה לא הוסר ביעילות, רכיבים יכולים להידרדר, ביצועים בריבוי, או להיכשל מוקדם יותר. מהנדסים חייבים לבחור בין שתי פרדיגמות בסיסיות: קירור פעיל, אשר משתמש רכיבים מכניים כגון מעריצים או משאבות, קירור פסיבי, אשר מסתמך על חום טבעי על העברת דרך תהליך זה, כדי למנוע שימוש יעיל ביותר קרינה, כדי למנוע טיפול טכני, כדי למנוע את השימוש שלך.

הבנת הדור הסגול באלקטרוניקה

מקורות של חום במכשור מודרני

חום הוא תוצר לוואי של התנגדות חשמלית והחלפת הפסדים במוליכים למחצה. יחידות עיבוד מרכזי (CPUs), יחידות עיבוד גרפיקה (GPUs), טרנסיסטורים כוח, ו הרגולטורים מתח לייצר את החום ביותר.לדוגמה, שולחן עבודה גבוה שולחן העבודה CPU יכול להתפזר מעל 100 וואט של כוח הנדסי תרמי (TDP), בעוד GPU משחקים עשוי לעלות על 300 וואטים בנתונים, השרת יכול לייצר עומסי קירור של מערכות קירור אלה.

המונחים: inadequate Cooling

כאשר צומת מוליכים למחצה עולה על הטמפרטורה הדירוג שלה - באופן צמיגים 85 מעלות צלזיוס ל 105 מעלות צלזיוס עבור מכשירי סיליקון - בעיות אי פעם מתעוררות.התיחה תרמית העשרונית מפחיתה את מהירות השעון לצריכת חשמל נמוכה יותר, ביצועים משפילים. Prolonged טמפרטורות גבוהות להאיץ אלקטרומיגולציה ותגובות כימיות בתוך השבב, תוך קיצור תוחלת החיים. במקרים קיצוניים, מפרקים מוכרים יכולים לפצח או את הביצועים יכולים להשמיד, ולכן גורם יעיל לאמינות לטווח ארוך.

שיטות קירור יעילות

קירור פעיל משתמש רכיבים מופעלים כדי לשפר את העברת החום.השיטות הנפוצות ביותר הן זיהום אוויר מאולץ קירור נוזלי, אבל טכנולוגיות אחרות כמו קרקרים תרמואלקטריים (TECs) ומחזורי קירור משמשים גם ביישומים מיוחדים.

אוויר מגניב עם אוהדים ומלחים

האוהדים נעים אוויר על פני תנור מלוטש המחובר למקור החום.זרימת האוויר מגבירה את הצטברות החום הזמנית של העברת חום יעילה, ומאפשר יותר חום להיות מתפזר מאשר זיהום טבעי לבד.מהירות הפאנה יכולה להיות מודמנט באמצעות הדופק-סגולה מודציה מודרנית (PWM) כדי לאזן רעש וכושר קירור.

מערכות קירור נוזליות

קירור נוזלי משתמש קירור (בדרך כלל מים או תערובת גליקול מים) כדי לספוג חום מצלחת קרה על רכיב, ואז עובר אותו דרך משאבה לרדיור שבו האוויר מפוצץ על פני הפניקס. שיטה זו מציעה הרבה יותר גבוה חום ספציפי ו מוליכות תרמית מאשר אוויר, המאפשר עיצובים קומפקטיים עם דליפת חום גבוהה מאוד - מעל 1000 W ל- 400 000 000 000 000 000 000 רגיל, 000 000 000 000 000 000 רגיל, 000 000 000 000 000 000 000 000 רגיל, 000 רגיל, 000 000 000 000 000 000 000 000 רגיל, 000 סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים, 000 000 000).

Thermoelectric ו- Vapor-Compression Cooling

קרירים אנדרומואלקטריים (Peltierמודולים) משתמשים באפקט Peltier כדי ליצור הבדל טמפרטורה כאשר זורם זרם דרך צומת של שני מוליכים למחצה. הם יכולים להתקרר מתחת לטמפרטורה מסוימת, מה שהופך אותם שימושיים עבור אופטיקה מדויקת או דיודות לייזר, אבל יעילותם נמוכה (COP בדרך כלל מתחת 1.0) והם דורשים כיור על הצד החם.

שיטות קירור פסיביות

קירור פסיבי מבוסס על תהליכים טבעיים של העברת חום ללא חלקים נעים.מרכיבים מרכזיים הם כיור חום, צינורות חום, תאי vapor, וחומרים ממשק תרמי. קירור פסיבי הוא שקט, אמין, ללא אנרגיה, אבל יכולת הקירור שלה מוגבלת על ידי שטח פני השטח, תכונות חומריות, ותנאי מדף.

עיצוב חום וחומרים

שוקע חום סופג חום מהרכיב ומעביר אותו לאוויר שמסביב.קצב העברת החום תלוי על פני השטח שלו, מוליכות תרמית, ואת זרימת האוויר הטבעית. Extruded אלומיניום כיור נפוץ בשל עלות נמוכה ו מוליכות הגון (כ 200 W / mK) עבור ביצועים גבוהים יותר, כיור חום נחושת (400 W / mK) משמשים, אם כי הם כבדים יותר וכבדים יותר, כולל גרף של 40 ריצוף, 000), עבור ביצועים גבוהים יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 finated חום, 000, 000 ⁇ , 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוה יותר, 000, 000 גבוה יותר, 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000, 000 רצפה, 000 מהירויות חום, 000 ⁇ , 000 מהירויות גבוהה יותר, 000 מהירויות גבוהה יותר, 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ , 000 ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

צינורות חום ו Vapor Chambers

צינורות חום הם צינורות חתומות המכילות כמות קטנה של נוזל עבודה (מים, אצטון, אמוניה) כי evaporates בקצה החם ו condens בסוף קריר, ואז לחזור דרך פעולה capillary דרך מבנה wick. הם יכולים להעביר מאות פעמים ביעילות יותר מאשר נחושת מוצק, מה שהופך אותם אידיאלי להתפשט ממקור קטן למערך גדול של Vap הם צינורות חם יותר, אבל לא יכול להיות יותר ממטרדנציה רגילה.

חומרים ממשקיים

גם עם משטח מטבול מיקרו-פוליטי, פערים אוויר מיקרוסקופיים (חללים) קיימים בין הרכיב לבין כיור החום. חומרי ממשק הקרום (TIM), כגון פס תרמי, כריות, חומרי שינוי בשלב, או מתכת נוזלית, למלא את הפערים האלה כדי להפחית את ההתנגדות התרמית.ה מוליכות תרמית של TIMs נע בין 1 / mK (עמודי סיליקון סיליקון) ליותר מ 80 / n {\displaystyle t} ל-k} מספיק חומר מתכתי (רקורד מיותר מ- tc} מספיק רלוונטי (רקורד (k) ל- tcreli=k) כדי למלא מספיק חומר מתכתי תיבות של חומר מתכת לא מספיק רלוונטי).

השוואות Active vs Passive Cooling

ביצועים חמים וקיבולת הפחתת חום

מערכות קירור אקטיביות יכולות להסיר חום בשיעורים של מעל 500 W ליחידה מחממת, בעוד לולאות נוזליות בעלות מעל 1 קילוואט. לעומת זאת, כיור חום פסיבי גדול (למשל, 200 מ"מ × 200 מ"מ × 80 מ"מ) ביישומים טבעיים מוגבל בדרך כלל ל- 50-80 וואט בסביבה של 25 מעלות צלזיוס, עבור וואט גבוה יותר, פתרונות גולמיים, דורשים מאוד יעיל של חימום או יותר (F) באופן ברור למדי, אך יעיל יותר, אך ורק כדי להיות מוגבל לחום (מ"מ"מ"מ) באופן יעיל יותר, אך ורק ל- 0 מ"מ"מ"מ"מ"מ) באופן יעיל יותר, אך ורק ל- 0 מ"מ) בטווח של קירור יעיל יותר, 000) של חום יעיל יותר, 000) באופן יעיל יותר, אבל יעיל יותר, 000"מ (מ) של חום (קיבולת קירור יעיל יותר, 000) באופן יעיל יותר, 000) באופן יעיל יותר, 000) באופן יעיל יותר, 000) בטווח של שטח קירור יעיל יותר, 000 ליטר חום (אך יעיל יותר, 000) בטווח של שטח קירור יעיל יותר, 000) של שטח קירור יעיל יותר, 000 1 - 50- 0 מ"מ) של שטח

אנרגיה ועוצמה

קירור פסיבי לא צורכת חשמל, השגת 100% יעילות אנרגיה מנקודת מבט קירור.מעריצי קירור Active ו משאבות להוסיף את סך כל של מערכת כוח שואבת כוח. A טיפוסי מקרה מעריץ צורכת 2-5 וואט, בעוד משאבה לקירור נוזלי עשויה לצייר 10-20 וואט.במתקנים בקנה מידה גדול כמו מרכזי נתונים, כוח עזר זה הוא משמעותי - הפעלתו יכול לקחת בחשבון עבור 30-4% של שימוש באנרגיה, כי זה יכול להפחית את הטמפרטורות פעיל יותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יכול להפחית את הטמפרטורות פעילות גופנית, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, ירידה של צריכת חשמל יעיל יותר ויותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, ירידה של צריכת חשמל יעיל יותר ויותר יעילה יותר ויותר נמוכה יותר ויותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, צריכת אנרגיה יעילה יותר ויותר נמוכה יותר ויותר, לעומת זאת, לעומת זאת, עם צריכת חשמל יעיל יותר ויותר, צריכת חשמל יעיל יותר ויותר, עם צריכת חשמל יעיל יותר ויותר נמוכה יותר ויותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, צריכת חשמל יעיל של צריכת אנרגיה יעילה יותר ויותר, לעומת זאת, לעומת זאת, צריכת חשמל

טביעת רגל אקוסטית וספורט

קירור פסיבי הוא שקט לחלוטין, שהוא יתרון גדול בסביבה רגישה רעש כמו אולפנים, תיאטראות ביתיים, או משרדים שקטים. Active קירור מציג רעש מפנטז הנושא whir, תנוחה אוויר, ו רטט משאבה. מעריצי איכות גבוהה יכולים לפעול תחת 20 dBA במהירויות נמוכות, אבל אוהדים בעלי ביצועים גבוהים עשויים להגיע 40-50 dBA.

אמינות ותחזוקה

קירור פסיבי אין חלקים נעים, ולכן האמינות שלו מוגבלת רק על ידי עייפות חומרית וקורוזיון. בסביבות מבוקרות, כיור חום פסיבי יכול להימשך עשרות שנים ללא כישלון.רכיבי קירור פעילים יש תוחלת חיים סופית: נושאים מעריצים בדרך כלל נמשך 50,000 עד 100,000 שעות (5-11 שנים של שימוש מתמשך) לפני שהם הופכים רועשים או לתפוס עלול להיכשל מוקדם יותר עקב איטום או השפלה.

עלויות ומרחב ניגודים

רכיבי קירור פסיביים (אלומיום extrusions, צינורות חום) הם בדרך כלל בעלות נמוכה עבור נפח קטן ומשקל, אבל הגודל הנדרש יכול להפוך אותם יקרים בתוך המתחם מוגבל בחלל. כי גדול גדול כיור חום פסיבי יכול להיות עצום כבד, תוספת עלות חומר. קירור פעיל יכול להיות קומפקטי יותר עבור אותה פיזור חום: קומפלקס מטבול לעתים קרובות פחות מאשר נפח עצום, ספירה פעילה, כמו עלות לחץ דם פעיל, לעתים קרובות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פעיל, 000, 000, 000, 000 חזק, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חזק, 000, 000, 000 קומפקטיות פעיל, 000 קומפקטיות לחץ חזק יותר עבור עלויות קירור יעיל עבור עלויות קירור יעיל יותר עבור עלויות קירור יעיל יותר עבור עלויות קירור יעיל יותר עבור עלויות קירור יעיל, 000 חזק, 000, 000, 000 חזק, 000 קומפקטיות פעיל, 000, 000 קומפקטיות פעיל, 000, 000 קומפקטיות פעיל, 000 קומפקטיות פעיל, 000, 000, 000 קומפקטיות פעיל, 000, 000 קומפקטיות פעיל, 000, 000 קומפקטיות פעיל עלות פעיל עלות פעיל, 000 קומפקטיות פעיל עלות לחץ חזק יותר עבור עלויות קירור יעיל יותר עבור עלויות

פתרון קירור הנכון

שיקולים של Application-Specific

אין שיטת קירור אחת היא גבוהה יותר באופן אוניברסלי.עבור מחשב או שרת משחקים, אוויר פעיל או נוזל קירור יש צורך עקב TDP גבוה. לעומת זאת, טלפונים חכמים וטאבלטים מסתמכים אך ורק על פתרונות פסיביים כמו גלידות גרפיטי, מפיץ חום, ותאים קטנים של vapor כי אוהדים יהיו עומסים כבדים מדי ורעשים רועשים.

גישות היברידיות: שילוב פעיל ופסיבי

מערכות מודרניות רבות משתמשות באסטרטגיה היברידית. צינור חום או תאי Vapor מתפשט חום ממקור למערך פיננסי, ומעריצים מספקים זרימת אוויר מאולצת רק כאשר הטמפרטורה עולה על סף.זה מאפשר הפעלה שקטה במהלך תקופות נמוכות של עומס נמוך (FLT:0Hybrid מערכות מציעים את הטוב ביותר של שני העולמותFillo:1; חיסכון אנרגיה ורעש נמוך בעומס נמוך, עם יכולת מלאה, אך הם נדרשים יותר ויותר.

מגמות עתידיות בטכנולוגיית קירור

העלייה המתמשכת בדחיסות כוח - חוק הגדלה של מורי ו-3D השבבים - הביקושים לפתרונות קירור יעילים יותר.

  • (FLT:0 Two-phase ⁇ קירור FLT:1), שבו השרתים שקועים בנוזל דיאלקטרי המרתיח בטמפרטורות נמוכות, הסרת חום באמצעות שינוי שלב.
  • (FLT:0) האצה הנוזלית של חשמלרוסטטית 1FLT:1 באמצעות פריקה כלולה כדי להעביר אוויר ללא חלקים נעים (רוח יון) כיום ניסיוני אך מבטיח קירור פעיל שקט.
  • (FLT:0) חומרי ממשק נורמטיביים עם מוליכות גבוהה יותר של 1 LT: מתקרב 200 W / mK באמצעות צינורות פחמן או תרכובות גרפן.
  • (FLT:0Microfluidic קירורFLT:1 משולב ישירות לתוך סיליקון באמצעות מיקרו ערוצים משובצים, המאפשרים פלוקס חום גבוה מאוד (>1 קילוואט /2) עבור שבבי צ'יפס עתידיים.
  • (ב) ⁇ 0 (הופנה מהדף קירור פסיבי) 1:1 באמצעות finol גיאומטריה משתנה עשוי מסגסוגת זיכרון צורה אשר מגיבה לטמפרטורה.

חידושים אלה מטשטשים את הקו בין פעיל ופאסיבי, במטרה למקסם את היעילות תוך צמצום חלקי המעבר.

מסקנה

הבחירה בין מצבי קירור פעילים ופסיבית על דרישות תרמיות ספציפיות, סביבה תפעולית ומטרות עיצוב. Active קירור מספק את הניתוק החום הגבוה ביותר והוא חיוני עבור אלקטרוניקה כוח-ההונגריה, אבל הוא מציג רעש, צריכת אנרגיה, נקודות כשל פוטנציאלי.הקירור פסיבי מציע פשטות, שתיקה ואמינות בעלות יכולת נמוכה יותר וגודל מודרני הופך יותר ויותר מערכות היברידיות המשלבות את שתי השיטות כדי להשיג איזון יעיל של איכות יעילה של ניהול חשמל מתקדמת.