Как охлаждать электронику, когда воздух всегда горячий

Я нахожусь в процессе планирования эксперимента, который включает размещение некоторого электрического оборудования в шахте в течение года или больше. Там, где оборудование будет размещено в шахте (глубина 770 м), температура окружающей среды будет постоянно составлять приблизительно 45 ° C. Мне нужно это проверить, но я думаю, что это будет довольно влажно.

В частности, оборудование, которое я буду использовать, включает в себя: ноутбук, две высоковольтные (до 2,5 кВ, малый постоянный ток) фотоумножители (чьи источники питания, несомненно, генерируют значительное количество собственного тепла) и низковольтное Доска DAQ.

Проблема в том, что в шахте (или, что то же самое, в пустыне или в высокотемпературном промышленном оборудовании) постоянный нагрев означает нормальный метод охлаждения компонентов - путем раздувания над ними окружающего воздуха - просто не работает. Кроме того, я подумал о том, чтобы поместить оборудование в «мини-холодильник», но задний теплообменник также опирается на прохладный окружающий воздух, поэтому он скоро сломается.

Оборудование будет размещено в запечатанном ящике, чтобы можно было использовать этот факт для поддержания всего внутреннего объема при более благоприятной для процессора температуре. Честно говоря, я не знаю, с чего начать.

Честно говоря, если вы «не знаете, с чего начать», найдите того, кто это сделает. Похоже, что цена неудачи очень высока, поэтому сейчас не время экспериментировать и учиться на ошибках. Найдите кого-нибудь, кто знает это. Вы можете посмотреть через плечо и попытаться выполнить как можно больше тяжелой работы, чтобы в следующий раз стать экспертом. Я думаю, что я недостаточно хорошо понимаю основные принципы и могу заставить что-то работать. Тем не менее, для сверхвысокой надежности обычно есть много знаний и опыта, которые вы не могли бы догадаться только по физике. Я не взял бы это на себя без эксперта, чтобы по крайней мере задавать случайные вопросы и благословлять окончательный дизайн. Итак, с неэкспертной точки зрения, вот некоторые мысли:

Первый 45C не такой уж и горячий. Это всего лишь 113F, что не соответствует летней температуре воздуха в разных частях света. Обычные гаджеты для электроники, за исключением специально предназначенных для лабораторных работ или других условий окружающей среды, будут разработаны для работы при температуре 45 ° С. Думаю об этом. Если бы вы оставили свой мобильный телефон на приборной панели вашего автомобиля, припаркованного под летним солнцем в Фениксе, вы, вероятно, не стали бы винить его за то, что он не работал. Конечно, вы, вероятно, не могли бы удержать это, не причинив вреда себе тогда. Но если бы вы стояли снаружи в тени деревьев в середине дня в Фениксе летом, вы, вероятно, разозлились бы, если бы ваш мобильный телефон не работал. Это 113F.

Во-вторых, у вас есть еще два преимущества: 45C очень надежен и практически бесконечен. Другими словами, это 45C все время, будь то лето или зима на поверхности. Кроме того, вы можете сбросить несколько кВт в «комнату» разумного размера этой шахты, и все равно будет 45C.

Таким образом, лучшим решением, как также указал Рассел, является спецификация вещей, чтобы они работали нормально при температуре окружающей среды 45 ° C. Распределите их достаточно, чтобы каждая вещь могла видеть температуру 45 ° С, причем без необходимости принудительного воздушного охлаждения. Таким образом, вам не нужно беспокоиться о том, что произойдет, когда катушка сломается. Опять же, большинство готовых электронных устройств уже должно быть в порядке с этим. Продолжительность жизни может снизиться, так что ухудшите. Получить качественные вещи, которые должны длиться 10 лет в обычном режиме.

Если вам действительно нужно охлаждение, моя первая реакция на коленный рефлекс - это построить маленькую комнату и установить в нее 2 или 3 кондиционера. Убедитесь, что у любого кондиционера достаточно места для охлаждения комнаты. Несколько кондиционеров для резервирования. Похоже, вы говорите, что это всего лишь несколько кВт, что мало для кондиционеров. 1 кВт - это всего 3400 БТЕ / час. Кроме того, звучит так, как будто каждый последний элемент не нуждается в охлаждении, поэтому часть необходимой мощности может рассеиваться за пределами помещения и не увеличивает нагрузку на кондиционер. 113F не так жарко, и, безусловно, есть готовые кондиционеры, предназначенные для работы в таких условиях. Наличие 2 или 3 блоков всегда при охлаждении комнаты для надежности. Тем не менее, это область, с которой вы действительно должны проконсультироваться у эксперта.

Ответ прост, но не обязательно приемлем :-).

• Охлаждение будет самым легким.

• Может быть достаточно кондиционера с другим хладагентом - специалисты HVAC могут посоветовать.

• Надежность системы и реакция на отказ должны быть запланированы. Должен ли он быть избыточно-отказоустойчивым или отключаться при отказе охлаждения.

• Вы должны определить максимальную «локальную температуру окружающей среды», в которой будет работать оборудование.

• Вы должны предоставить «местную среду, которая никогда не бывает более горячей, чем допустимая максимальная температура окружающей среды.

• Если необходимая температура ниже температуры окружающей среды 45 ° C, вы ДОЛЖНЫ обеспечить охлаждение для поддержания локальной температуры.

Установив это необходимое, но неизбежное требование, вы можете решить его двумя способами.

Предполагать:

Температура окружающей среды никогда не превышает 45 С.

Окружающая среда = температура в шахте = Та.

Локальная температура = температура корпуса оборудования = Tl

Тогда либо

1 Вы можете сделать оборудование способным работать на Та (45C)

или

2 Вы можете обеспечить охлаждение корпуса до Tl.

1 лучше, если вы можете достичь этого, так как это требует меньше долгосрочного ухода, управления и надежности. Если вы найдете оборудование, которое будет работать при температуре 50 ° C (Ta + 5), вы сможете обеспечить охлаждение продуваемым воздухом и очень хороший дизайн. Способность работать при Ta + 10 (55C будет лучше, а TA + 15 или 20 лучше). Радиаторы с номиналом 1C / Вт становятся довольно впечатляющими, поэтому при Ta + 5 вы можете рассеивать только 5 Вт с радиатором 1C / W или 20 Вт при Ta + 20. Если вам необходимо рассеивание более 10 Ватт, вы можете использовать «тепловую трубку» для передачи от оборудования, что позволяет использовать как можно больше радиаторов.

Вы упомянули «ноутбук», но, вероятно, обнаружите, что существуют нестандартные устройства, которые отвечают вашим компьютерным потребностям и нацелены на низкое энергопотребление и жесткие условия среды. В конечном счете, устройство такого специального назначения может быть дешевле, чем стандартный ноутбук + много боли.

Например, если ваши фотоумножители ДОЛЖНЫ работать при температуре ниже Та, то вы ДОЛЖНЫ охладить их.

ОХЛАЖДЕНИЕ:

В этой среде существует множество способов охлаждения. Вероятно, самая простая и простая и самая высокая производительность в этой среде, при условии наличия достаточной мощности, - это стандартный кондиционер или холодильник «Ранкина», но с типом хладагента и давлением / наполнением, разработанный экспертом по кондиционированию воздуха. Хотя стандартные стандартные блоки вряд ли будут иметь хладагенты, которые являются оптимальными для Thot = Ta = 45C, вполне вероятно, что потребуется чуть больше, чем заправка более подходящим хладагентом. Это настолько привлекательный вариант, что одним из первых ваших действий должно быть общение с экспертом по HVAC. См. [1] в конце для некоторых вероятных отправных точек.

Охладитель Стирлинга:

Высокоэффективное оборудование цикла Стирлинга. Несколько поставщиков. Sunpower et al.

Охладитель Coleman Stirling может удовлетворить ваши потребности напрямую. НЕ путать с более дешевыми кулерами типа Пельтье. Я могу предоставить ссылки на производителей этого и аналогичного оборудования цикла Стирлинга.

Пельтье:

Согласно электрическим бункерам, НО сделано правильно. Устройства Пельтье могут вполне адекватно работать в описываемой вами среде. 10C падение легко и 20C плюс выполнимо. Нужен правильный дизайн. Индивидуальное решение может быть лучшим.

Требуется немного больше, чем подходящие радиаторы, значительный поток воздуха Ta, меньший поток воздуха Tl, устройства Пельтье + мощность. Доступны кулеры Пельтье мощностью от 50 до 100 Вт. Каждый из них может охлаждать, возможно, 5–10 Вт нагрузки оборудования в этой среде. TBD по дизайну. Несколько модулей Пельтье используются для удовлетворения потребностей.

Испарительные. МОЖЕТ быть достаточно испарительного кулера с использованием воды («Болотный кулер»), и один из них сможет использовать другие жидкости. Это приближается к кондиционеру, когда правильно сделано в этом контексте.

Больше, если нужно ...

[1] Вероятно, полезные сайты хладагентов:

http://www.refrigerant-supply.com/

20 хладагентов на продажу! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

http://www.alpinehomeair.com/view.cfm?objID=F6F91969-85BD-4AFB-99C3-DA02AAF00074

Термоэлектрические устройства (или термоэлектрические охладители, также известные как TEC, элементы Peltier) перекачивают тепло с одной стороны устройства на другую, часто способное создавать разность температур между обеими сторонами до 60 ° C. Если вы дадите им остыть с одной стороны до 30 ° C, то другая сторона будет намного горячее, чем температура окружающей среды 45 ° C, поэтому она сможет отводить тепло в окружающую среду. Принудительное охлаждение (вентилятор) может улучшить производительность.

Вам придется сконструировать что-то вроде (мини) холодильника с ТИКами между радиаторами внутри и снаружи коробки, соответственно. Размер и потребляемая мощность ТЕС будут зависеть от количества энергии, которую они должны вытеснить.

У вас есть три основных инструмента:

1.) Понизьте тепловое сопротивление от вашего источника тепла к окружающей среде;

2.) Понизьте произведенное тепло;

3.) Понизьте «температуру окружающей среды»;

Температура электроники = Те

Температура окружающей среды = Ta

Вырабатываемое тепло = P; обычно указывается в ваттах (Вт).

Термическое сопротивление от Те до Та; обычно указывается в (градусах С) / Вт.

Te = Ta + PR. Еще один способ написания: Te-Ta = Delta T = PR

У вас есть допустимая Те, которую вы должны поддерживать. Допустим (ради обсуждения) это 80C (176F). Твоему Та 45С. Это означает, что ваша дельта Т составляет 80C - 45C = 35C. ~ Если бы у вас был хороший удобный офис, Ta равнялся бы 25C, а ваша дельта T была бы 80C - 25C = 55C.

Для офиса дельта T = PR = 55. Для горячей шахты дельта T = PR = 35.

Итак, вы видите, горячая шахта только затрудняет (не делает невозможным) охлаждение вашей электроники. Это означает, что вам нужно сделать R для сценария горячей шахты примерно на 2/3 того, что было бы для классного офиса. Вы можете сделать это, увеличив теплопроводность и / или поток воздуха.

Не то, что я бы сделал, но вы могли бы также снизить «температуру» внутри коробки с холодильной установкой. Да, это сработает, если вы сможете получить к нему власть. Это не должно держать ваше пиво холодным: понижение температуры окружающей среды с 45C до 20C должно быть достаточным, чтобы ваш ноутбук не жарился.

Вы также МОЖЕТЕ уменьшить P, тщательно покупая ноутбук и / или разгоняя его. Если вы ведете регистрацию данных, вам, скорее всего, не нужно четырехъядерное ядро ​​с самой высокой выходной мощностью и графическим процессором, позволяющим играть в новейшие видеоигры FPS. Магазин для малой мощности.