Wärmemanagement (Elektronik) - Thermal management (electronics)
Alle elektronischen Geräte und Schaltkreise erzeugen überschüssige Wärme und benötigen daher ein Wärmemanagement , um die Zuverlässigkeit zu verbessern und vorzeitige Ausfälle zu verhindern . Die Wärmeabgabe ist gleich der aufgenommenen Leistung , wenn keine anderen Energiewechselwirkungen vorliegen. Es gibt mehrere Techniken zum Kühlen, einschließlich verschiedener Arten von Kühlkörpern , thermoelektrischen Kühlern , Umluftsystemen und Lüftern , Wärmerohren und anderen. Bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen kann es sogar erforderlich sein, die elektronischen Komponenten zu erwärmen, um einen zufriedenstellenden Betrieb zu erreichen.
Überblick
Thermischer Widerstand von Geräten
Dieser wird üblicherweise als Wärmewiderstand vom Übergang zum Gehäuse des Halbleiterbauelements angegeben . Die Einheiten sind °C/W. Ein Kühlkörper mit einer Nennleistung von 10 °C/W wird beispielsweise 10 °C heißer als die Umgebungsluft, wenn er 1 Watt Wärme abgibt. Somit ist ein Kühlkörper mit einem niedrigen °C/W-Wert effizienter als ein Kühlkörper mit einem hohen °C/W-Wert. Bei zwei Halbleiterbauelementen im gleichen Gehäuse weist ein niedrigerer Übergangswiderstand zur Umgebung (R θJ-C ) auf ein effizienteres Bauelement hin. Beim Vergleich zweier Bauelemente mit unterschiedlichen thermischen Widerständen ohne Chip (z. B. DirectFET MT vs. Wirebond 5x6mm PQFN) korrelieren die Widerstandswerte der Sperrschicht zur Umgebung oder der Sperrschicht zum Gehäuse möglicherweise nicht direkt mit ihren vergleichbaren Wirkungsgraden. Unterschiedliche Halbleitergehäuse können unterschiedliche Die-Ausrichtungen, unterschiedliche Kupfer- (oder andere Metall-)Massen um den Chip herum, unterschiedliche Die-Befestigungsmechaniken und unterschiedliche Formungsdicken aufweisen, was alle signifikant unterschiedliche Übergangs-zu-Gehäuse- oder Übergangs-zu-Umgebungs-Widerstandswerte ergeben könnte und könnte verschleiern somit die Gesamteffizienzzahlen.
Thermische Zeitkonstanten
Die thermische Masse eines Kühlkörpers kann als Kondensator (Speicherung von Wärme anstelle von Ladung) und der thermische Widerstand als elektrischer Widerstand (der ein Maß dafür ist, wie schnell gespeicherte Wärme abgeführt werden kann) betrachtet werden. Zusammen bilden diese beiden Komponenten einen thermischen RC-Kreis mit einer zugehörigen Zeitkonstante, die durch das Produkt von R und C gegeben ist. Diese Größe kann verwendet werden, um das dynamische Wärmeableitungsvermögen eines Geräts analog zum elektrischen Fall zu berechnen.
Wärmeleitmaterial
Ein Wärmeleitmaterial oder Mastix (aka TIM ) wird verwendet , um die Lücken zu füllen zwischen Thermotransferoberflächen, wie beispielsweise zwischen Mikroprozessoren und Kühlkörper , um die Wärmeübertragung zu erhöhen Effizienz . 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 Markt für Kühlkörper im Einzelhandel ein Allzeithoch erreicht. In den frühen 2000er Jahren wurden CPUs produziert, die mehr und mehr Wärme als früher abstrahlten, was die Anforderungen an hochwertige Kühlsysteme steigerte.
Übertakten bedeutete schon immer einen höheren Kühlbedarf, und die von Natur aus heißeren Chips bedeuteten mehr Bedenken für den Enthusiasten. Effiziente Kühlkörper sind für übertaktete Computersysteme von entscheidender Bedeutung, denn je höher die Kühlrate 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- Overclocking-Enthusiasten anzubieten . Zu den bekanntesten Herstellern von Kühlkörpern im Aftermarket gehören: Aero Cool , Foxconn , Thermalright , Thermaltake , Swiftech und Zalman .
Löten
Beim Löten von Leiterplatten wurden manchmal temporäre Kühlkörper verwendet , um zu verhindern, dass übermäßige Hitze empfindliche Elektronik in der Nähe beschädigt. Im einfachsten Fall bedeutet dies das teilweise Greifen eines Bauteils mit einer Schwermetall- Krokodilklemme oder einer ähnlichen Klemme. Moderne Halbleiterbauelemente, die für den Zusammenbau durch Reflow-Löten ausgelegt sind , können Löttemperaturen in der Regel unbeschadet vertragen. Andererseits können elektrische Komponenten wie magnetische Reedschalter versagen, wenn sie Lötkolben mit höherer Leistung ausgesetzt werden, so dass diese Praxis immer noch sehr verbreitet ist.
Batterien
Bei der Batterie für Elektrofahrzeuge wird die Nennleistung der Batterie in der Regel 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 eine Heizung und Kühlung für ihre Batterie haben.
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 leistungsverarbeitende Halbleiter sind Beispiele für Elektronik, die einen Kühlkörper benötigen, um ihre Temperatur durch erhöhte thermische Masse 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 ebenen Oberflächen, um einen guten thermischen Kontakt mit den zu kühlenden Komponenten zu gewährleisten, und einer Anordnung von kamm- oder rippenartigen Vorsprüngen, um den Oberflächenkontakt mit der Luft und damit die Geschwindigkeit des Kühlkörpers zu erhöhen Wärmeableitung.
Ein Kühlkörper wird manchmal in Verbindung mit einem Lüfter verwendet, um die Luftströmungsrate über den Kühlkörper zu erhöhen. Dies hält einen größeren Temperaturgradienten aufrecht, indem erwärmte Luft schneller ersetzt wird als dies durch Konvektion der Fall wäre. Dies wird als Zwangsluftsystem bezeichnet.
Kalte Platte
Das Anordnen einer leitfähigen dicken Metallplatte, die als Kühlplatte bezeichnet wird, als Wärmeübertragungsschnittstelle zwischen einer Wärmequelle und einem kalten strömenden Fluid (oder einer anderen Wärmesenke) kann die Kühlleistung verbessern. Bei einer solchen Anordnung wird die Wärmequelle unter der dicken Platte gekühlt, anstatt in direktem Kontakt mit dem Kühlfluid gekühlt zu werden. Es zeigt sich, dass die dicke Platte durch eine optimale Wärmestromführung den Wärmeübergang zwischen der Wärmequelle und dem Kühlfluid deutlich verbessern kann. Die beiden attraktivsten Vorteile dieser Methode sind, dass keine zusätzliche Pumpleistung und keine zusätzliche Wärmeübertragungsfläche, die sich stark von Rippen (verlängerte Oberflächen) unterscheidet, besteht.
Prinzip
Kühlkörper funktionieren, indem sie Wärmeenergie ("Wärme") effizient von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein zweites Objekt mit niedrigerer Temperatur mit einer viel größeren 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.
Die häufigste Ausführung eines Kühlkörpers ist ein Metallgerät mit vielen Rippen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls in Kombination mit seiner großen Oberfläche führt zu einer schnellen Übertragung der Wärmeenergie an die umgebende, kühlere Luft. Dies kühlt den Kühlkörper und alles, womit er in direktem Wärmekontakt steht. Die Verwendung von Flüssigkeiten (zB Kühlmittel in der Kältetechnik) und Wärmeleitmaterial (bei der Kühlung elektronischer Geräte) gewährleistet eine gute Übertragung der 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 zu vergrößern, die mit der Luft in Kontakt kommt, und somit die Wärmeableitungsrate zu erhöhen. Während eine Wärmesenke ein statisches Objekt, ein Ventilator oft eine Wärmesenke hilft durch erhöhten Luftstrom über die Wärme Bereitstellung sink-somit eine größere Temperatur gehalten wird Gradienten durch die erwärmte Luft zu ersetzen schneller als passive Konvektion erreicht allein, das ist bekannt als ein Zwang -Luftsystem .
Idealerweise bestehen Kühlkörper aus einem guten Wärmeleiter wie Silber , Gold , Kupfer oder Aluminiumlegierung . Kupfer und Aluminium gehören für diesen Zweck zu den am häufigsten verwendeten Materialien in elektronischen Geräten. Kupfer (401 W/(m·K) bei 300 K) ist deutlich teurer als Aluminium (237 W/(m·K) bei 300 K), aber auch etwa doppelt so effizient wie ein Wärmeleiter . Aluminium hat den wesentlichen Vorteil, dass es sich leicht durch Strangpressen umformen lässt und somit komplexe Querschnitte möglich sind. Aluminium ist auch viel leichter als Kupfer und belastet empfindliche elektronische Komponenten weniger mechanisch. Einige Kühlkörper aus Aluminium haben als Kompromiss einen Kupferkern. Halbleiter mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit sind Borarsenid (1300 W/(m·K)) und Borphosphid (500 W/(m·K)). Die Kontaktfläche des Kühlkörpers (die Basis) muss flach und glatt sein, um den besten thermischen Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt zu gewährleisten. Häufig wird ein wärmeleitfähiges Fett verwendet, um einen optimalen Wärmekontakt zu gewährleisten; solche Verbindungen enthalten oft kolloidales Silber . Darüber hinaus halten ein Klemmmechanismus, Schrauben oder ein thermischer Klebstoff den Kühlkörper fest auf dem Bauteil, insbesondere jedoch ohne Druck, der das Bauteil zerquetschen würde.
Leistung
Die Leistung des Kühlkörpers (einschließlich freier Konvektion, erzwungener Konvektion, flüssigkeitsgekühlt und jeder Kombination davon) ist eine Funktion des Materials, der Geometrie und des gesamten Wärmeübertragungskoeffizienten 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 erweiterter Oberflächen wie Rippen oder Schaumstoff) und durch Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten der Gesamtfläche (normalerweise durch Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, wie z. B. durch Hinzufügen von Lüftern, Pumpen usw.).
Online-Kühlkörperrechner von Unternehmen wie Novel Concepts, Inc. und unter www.heatsinkcalculator.com können die Leistung von Kühlkörpern mit erzwungener und natürlicher Konvektion genau schätzen. Bei komplexeren Kühlkörpergeometrien oder Kühlkörpern mit mehreren Materialien oder mehreren Flüssigkeiten wird eine CFD-Analyse (Computation Fluid Dynamics) empfohlen (siehe Grafiken auf dieser Seite).
Konvektive Luftkühlung
Dieser Begriff beschreibt die Gerätekühlung, indem die Konvektionsströme der warmen Luft aus den Grenzen des Bauteils entweichen und durch kühlere Luft ersetzt werden. Da warme Luft normalerweise aufsteigt, erfordert dieses Verfahren normalerweise eine Entlüftung an der Oberseite oder an den Seiten des Gehäuses, um wirksam zu sein.
Umluftkühlung
Wenn mehr Luft in ein System gepresst als abgepumpt wird (aufgrund eines Ungleichgewichts in der Anzahl der Ventilatoren), 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 richtiger Filterung zu weniger Staubansammlung führen kann
Wärmerohre
Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertragungsgerät, das durch Verdampfung und Kondensation eines zweiphasigen "Arbeitsmediums" oder Kühlmittels große Wärmemengen mit einem sehr geringen Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Grenzflächen transportiert. 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. Die gebräuchlichste Heatpipe für das elektronische Wärmemanagement hat eine Kupferhülle und einen Docht mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit. Kupfer/Methanol wird verwendet, wenn die Heatpipe unter dem Gefrierpunkt von Wasser betrieben werden muss, und Aluminium/Ammoniak-Heatpipes werden für die Elektronikkühlung im Weltraum verwendet.
Der Vorteil von Heatpipes ist ihre hohe Effizienz bei der Wärmeübertragung. Die Wärmeleitfähigkeit von Heatpipes kann bis zu 100.000 W/m K betragen, im Gegensatz zu Kupfer, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/m K hat.
Peltier-Kühlplatten
Peltier - Kühlplatten / p ɛ l t i . eɪ / Nutzen Sie den Peltier-Effekt , um durch Anlegen eines elektrischen Stroms einen Wärmefluss zwischen der Verbindung zweier verschiedener Stromleiter zu erzeugen. Dieser Effekt wird häufig zum Kühlen von elektronischen Bauteilen und kleinen Instrumenten verwendet. In der Praxis können viele solcher Verbindungen in Reihe angeordnet werden, um die Wirkung auf die erforderliche Heiz- oder Kühlmenge zu erhöhen.
Es gibt keine beweglichen Teile, daher ist eine Peltier-Platte wartungsfrei. Es hat einen relativ geringen Wirkungsgrad, daher wird thermoelektrische Kühlung im Allgemeinen für elektronische Geräte wie Infrarotsensoren verwendet, die bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur betrieben werden müssen. Bei der Kühlung dieser Geräte überwiegt die Festkörpernatur der Peltier-Platten ihre schlechte Effizienz. Thermoelektrische Anschlüsse sind in der Regel etwa 10 % so effizient wie der ideale Carnot-Zyklus- Kühlschrank, verglichen mit 40 %, die von herkömmlichen Kompressionszyklussystemen erreicht werden.
Synthetische Jet-Luftkühlung
Ein synthetischer Strahl wird durch eine kontinuierliche Strömung von Wirbeln erzeugt, die durch abwechselndes kurzes Ausstoßen und Ansaugen von Luft über eine Öffnung gebildet werden, so dass der Nettomassenstrom Null ist. Ein einzigartiges Merkmal dieser Düsen besteht darin, dass sie vollständig aus dem Arbeitsfluid des Strömungssystems, in dem sie eingesetzt werden, gebildet werden und einen Nettoimpuls für die Strömung eines Systems ohne Nettomasseninjektion in das System erzeugen können.
Synthetische Jet Air Mover haben keine beweglichen Teile und sind daher wartungsfrei. Aufgrund der hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, der hohen Zuverlässigkeit, aber geringeren Gesamtdurchflussraten werden synthetische Jet Air Mover normalerweise auf Chipebene und nicht auf Systemebene zur Kühlung verwendet. Je nach Größe und Komplexität der Systeme können sie jedoch zeitweise für beide verwendet werden.
Elektrostatische Flüssigkeitsbeschleunigung
Ein elektrostatischer Flüssigkeitsbeschleuniger (EFA) ist ein Gerät, das eine Flüssigkeit wie Luft ohne bewegliche Teile pumpt. Anstatt wie bei einem herkömmlichen Ventilator rotierende Flügel zu verwenden, verwendet ein EFA ein elektrisches Feld, um elektrisch geladene Luftmoleküle anzutreiben. Da Luftmoleküle normalerweise neutral geladen sind, muss der EFA zuerst einige geladene Moleküle oder Ionen erzeugen. Daher gibt es drei grundlegende Schritte im Prozess der Flüssigkeitsbeschleunigung: Luftmoleküle ionisieren, diese Ionen verwenden, um viele weitere neutrale Moleküle in eine gewünschte Richtung zu drücken, und dann die Ionen wieder einfangen und neutralisieren, um jegliche Nettoladung zu beseitigen.
Das Grundprinzip ist seit einiger Zeit bekannt, aber erst in den letzten Jahren gab es Entwicklungen in der Konstruktion 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 Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie synthetischer Diamant und Borarsenid-Kühlsenken erforscht, um eine bessere Kühlung bereitzustellen. Von Borarsenid wurde bei Galliumnitrid-Transistoren eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmegrenzleitfähigkeit und damit eine bessere Leistung als bei Diamant- und Siliziumkarbid-Kühltechnologien berichtet. Außerdem sind einige Kühlkörper aus mehreren Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften aufgebaut, wie beispielsweise Phasenwechselmaterialien , die aufgrund ihrer Schmelzwärme viel Energie speichern können .
Thermische Simulation der Elektronik
Thermische Simulationen geben Ingenieuren eine visuelle Darstellung der Temperatur und des Luftstroms im Inneren des Geräts. Thermische Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, das Kühlsystem zu entwerfen; ein Design zu optimieren, um Energieverbrauch, Gewicht und Kosten zu reduzieren; und das thermische Design zu überprüfen, um sicherzustellen, dass es beim Bau der Ausrüstung keine Probleme gibt. Die meisten Software zur thermischen Simulation verwendet Computational Fluid Dynamics- Techniken, um Temperatur und Luftstrom eines elektronischen Systems vorherzusagen.
Entwurf
Thermische Simulation ist häufig erforderlich, um zu bestimmen, wie Komponenten innerhalb von Konstruktionsbeschränkungen effektiv gekühlt werden können. Die Simulation ermöglicht das Design und die Überprüfung des thermischen Designs der Ausrüstung in einem sehr frühen Stadium und während des gesamten Designs der elektronischen und mechanischen Teile. Die Konstruktion unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften von Anfang an reduziert 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.
Optimieren
Es ist einfach, ein Kühlsystem für fast jedes Gerät zu entwerfen, wenn Platz, Leistung und Budget unbegrenzt sind. Die meisten Geräte haben jedoch eine starre Spezifikation, die einen begrenzten Spielraum für Fehler lässt. Es besteht ein ständiger Druck, den Leistungsbedarf, das Systemgewicht und die Kosten für Teile zu reduzieren, ohne Kompromisse bei Leistung oder Zuverlässigkeit einzugehen. Die thermische Simulation ermöglicht das Experimentieren mit Optimierung, wie z. B. das Ändern der Kühlkörpergeometrie oder das Reduzieren der Lüfterdrehzahlen in einer virtuellen Umgebung, was schneller, billiger und sicherer ist als physikalische Experimente und Messungen.
Verifizieren
Traditionell wird das thermische Design der Ausrüstung zum ersten Mal überprüft, nachdem ein Prototyp gebaut wurde. Das Gerät wird eingeschaltet, möglicherweise in einer Klimakammer, und die Temperaturen der kritischen Teile des Systems werden mit Sensoren wie Thermoelementen gemessen. Wenn Probleme entdeckt werden, verzögert sich das Projekt, während nach einer Lösung gesucht wird. Eine Änderung des Designs einer Leiterplatte oder eines Gehäuseteils kann erforderlich sein, um das Problem zu beheben, was Zeit und Geld kostet. Wenn eine thermische Simulation als Teil des Konstruktionsprozesses der Ausrüstung verwendet wird, wird das thermische Konstruktionsproblem identifiziert, bevor ein Prototyp gebaut wird. Die Behebung eines Problems in der Designphase ist sowohl schneller als auch kostengünstiger als die Änderung des Designs 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
Um Geräte mit hoher Wärmefreisetzung in Telekommunikationsräumen unterzubringen, müssen Wärmemanagementmaßnahmen getroffen werden. Generische ergänzende/Punktkühltechniken sowie schlüsselfertige Kühllösungen, die von Geräteherstellern entwickelt wurden, sind praktikable Lösungen. Solche Lösungen könnten die Unterbringung von Geräten mit sehr hoher Wärmeabgabe in einer Zentrale ermöglichen, die eine Wärmedichte bei oder nahe der Kühlkapazität hat, die von der zentralen Luftbehandlungsanlage verfügbar ist.
Laut Telcordia GR-3028 , Thermal Management in Telecommunications Central Offices, besteht die gängigste Methode zur internen Kühlung moderner Telekommunikationsgeräte darin, mehrere Hochgeschwindigkeitslüfter zu verwenden, um eine erzwungene Konvektionskühlung zu erzeugen. Obwohl in Zukunft eine direkte und indirekte Flüssigkeitskühlung eingeführt werden kann, ist das aktuelle Design neuer elektronischer Geräte darauf ausgerichtet, Luft als Kühlmedium beizubehalten.
Ein gut entwickelter "ganzheitlicher" Ansatz ist erforderlich, um aktuelle und zukünftige Probleme des Wärmemanagements zu verstehen. Die Raumkühlung einerseits und die Gerätekühlung andererseits können nicht als zwei isolierte Teile der gesamten thermischen Herausforderung betrachtet werden. Der Hauptzweck des Luftverteilungssystems einer Geräteanlage besteht darin, klimatisierte Luft so zu verteilen, dass die elektronischen Geräte effektiv gekühlt werden. Die Gesamtkühleffizienz hängt davon ab, wie das Luftverteilungssystem Luft durch den Geräteraum bewegt, wie das Gerät Luft durch die Geräterahmen befördert und wie diese Luftströme miteinander interagieren. Hohe Wärmeableitungswerte hängen stark von einer nahtlosen Integration von Gerätekühlungs- und Raumkühlungsdesigns ab.
Die bestehenden Umgebungslösungen in Telekommunikationseinrichtungen weisen inhärente Beschränkungen auf. Beispielsweise steht in den meisten ausgereiften Zentralbüros nur begrenzter Platz für große Luftkanalinstallationen zur Verfügung, die zum Kühlen von Geräteräumen mit hoher Wärmedichte erforderlich sind. Außerdem entwickeln sich bei einem Kühlausfall schnell steile Temperaturgradienten; dies wurde durch Computermodellierung und direkte Messungen und Beobachtungen gut dokumentiert. Obwohl Umgebungs-Backup-Systeme vorhanden sein können, gibt es Situationen, in denen sie nicht helfen. In einem kürzlich aufgetretenen Fall waren Telekommunikationsgeräte in einer großen Zentrale überhitzt und kritische Dienste wurden durch eine vollständige Abschaltung der Kühlung unterbrochen, die durch einen falschen Rauchalarm ausgelöst wurde.
Ein Haupthindernis für ein effektives Wärmemanagement ist die Art und Weise, wie derzeit Daten zur Wärmefreisetzung gemeldet werden. Lieferanten geben in der Regel die maximale Wärmeabgabe (Typenschild) von den Geräten an. In der Realität führen Gerätekonfiguration und Verkehrsvielfalt zu deutlich geringeren Wärmefreisetzungszahlen.
Gerätekühlklassen
Wie in GR-3028 angegeben , unterhalten die meisten Geräteumgebungen kühle vordere (Wartungs-) Gänge und heiße hintere (Verdrahtungs-) Gänge, in denen kühle Zuluft zu den vorderen Gängen geliefert und heiße Luft aus den hinteren Gängen abgeführt wird. Dieses Schema bietet mehrere Vorteile, einschließlich einer effektiven Gerätekühlung und einer hohen thermischen Effizienz.
In der traditionellen Raumkühlungsklasse, die von den meisten Serviceanbietern verwendet wird, würde die Gerätekühlung von Lufteinlass- und -auslasspositionen profitieren, die dazu beitragen, die Luft vom vorderen Gang zum hinteren Gang zu bewegen. Das traditionelle Muster von vorne-unten nach oben-hinten wurde jedoch bei einigen Geräten durch andere Luftstrommuster ersetzt, die in Bereichen mit hoher Wärmedichte möglicherweise keine ausreichende Gerätekühlung gewährleisten.
Eine Klassifizierung von Geräten (Regale und Schränke) in Geräte-Kühlungsklassen (EC) dient der Klassifizierung der Geräte hinsichtlich der Kühllufteintritts- und Heißluftaustrittsstellen, dh der Geräte-Luftstromschemata oder -protokolle.
Die Syntax der EC-Klasse bietet eine flexible und wichtige „gemeinsame Sprache“. Es wird für die Entwicklung von Heat-Release Targets (HRTs) verwendet, die für die Netzzuverlässigkeit, die Ausrüstungs- und Raumplanung sowie die Infrastrukturkapazitätsplanung wichtig sind. HRTs berücksichtigen physikalische Beschränkungen der Umgebung und umweltbezogene Basiskriterien, einschließlich der Zuluftstromkapazität, der Luftdiffusion in den Geräteraum und der Wechselwirkungen zwischen Luftverteilung und Ausrüstung. Die EG-Klassifizierung kann nicht nur für die Entwicklung der HRTs verwendet werden, sondern kann auch verwendet werden, um die Konformität auf Produktblättern nachzuweisen, interne Konstruktionsspezifikationen bereitzustellen oder Anforderungen in Bestellungen zu spezifizieren.
Die Klassifizierung Raumkühlung (RC-Klasse) bezieht sich auf die Klimatisierung (Kühlung) des gesamten Geräteraums. Der Hauptzweck von RC-Klassen besteht darin, eine logische Klassifizierung und Beschreibung von veralteten und nicht veralteten Raumkühlungsschemata oder -protokollen in der zentralen Büroumgebung bereitzustellen. Neben der Entwicklung von HRTs kann die RC-Klassifizierung in internen Designspezifikationen der Zentrale oder in Bestellungen verwendet werden.
Supplemental-Cooling-Klassen (SC-Class) bieten eine Klassifizierung von ergänzenden Kühltechniken. Dienstanbieter verwenden ergänzende/Spot-Cooling-Lösungen, um die Kühlkapazität zu ergänzen (z. B. um das Auftreten von „Hot Spots“ zu behandeln), die durch das allgemeine Raumkühlungsprotokoll, wie von der RC-Klasse ausgedrückt, bereitgestellt wird.
Ökonomische Auswirkung
Der Energieverbrauch von Telekommunikationsgeräten macht derzeit einen hohen Prozentsatz des Gesamtenergieverbrauchs in Vermittlungsstellen aus. Der größte Teil dieser Energie wird anschließend als Wärme an den umgebenden Geräteraum abgegeben. Da der Großteil des verbleibenden Energieverbrauchs der Zentrale für die Kühlung des Geräteraums verwendet wird, wären die wirtschaftlichen Auswirkungen einer energieeffizienten Gestaltung der elektronischen Geräte für Unternehmen, die Telekommunikationsgeräte verwenden und betreiben, beträchtlich. Es würde die Investitionskosten für Trägersysteme reduzieren und die thermischen Bedingungen im Geräteraum verbessern.
Siehe auch
- Wärmeentwicklung in integrierten Schaltkreisen
- Thermischer Widerstand in der Elektronik
- Wärmemanagement von Hochleistungs-LEDs
- Thermische Auslegungsleistung
- Wärmeleitung
- Computerkühlung
- Kühler
- Aktive Kühlung
Verweise
Weiterlesen
- Ogrenci-Memik, Seda (2015). Wärmemanagement in integrierten Schaltkreisen: Überwachung und Kühlung auf dem Chip und auf Systemebene . London, Vereinigtes Königreich: Die Institution of Engineering and Technology. ISBN 9781849199353. OCLC 934678500 .
Externe Links
- "Neue Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Platten beanspruchen die weltweit beste Kühlkörperleistung" . IEEE-Spektrum: Technologie-, Ingenieur- und Wissenschaftsnachrichten . 7. Dezember 2017 . Abgerufen 2017-12-09 .