Controllo termico attivo: Principi e applicazioni

Da decenni utilizziamo un sistema di raffreddamento passivo, noto come dissipatore di calore in metallo di forma intelligente, che dissipa passivamente il calore nell'aria. Ma ci stiamo scontrando con un muro. Il raffreddamento passivo della potenza densa si sta avvicinando ai limiti, poiché i limiti fisici vengono superati a causa dell'aumento vertiginoso delle densità di potenza. Una normale CPU può contenere più di 100 W/cm^2, qualcosa che la natura non può spostare senza una convezione naturale.

Il vostro progetto ha esaurito il budget termico e un semplice dissipatore non è più sufficiente: Il controllo termico attivo (ATC) è il settore da esplorare. Non si tratta di un semplice caso di ventola, ma di un cambiamento totale nella filosofia del controllo termico, che prima lasciava uscire passivamente il calore, ma ora lo spinge fuori.

Si tratterà di un'ampia panoramica dei concetti fondamentali del controllo termico attivo, della contrapposizione tra le principali tecnologie e di un esame approfondito degli usi pratici, che si tratti del freddo vuoto dello spazio o dell'impegnativa elettronica industriale del vostro stabilimento.

Che cos'è il controllo termico attivo (ATCS)?

Qualsiasi sistema di controllo termico che consuma energia esterna per spostare e respingere il calore è noto come sistema di controllo termico attivo (o ATCS).

La parola chiave è "attivo". Un sistema attivo è paragonato a un dissipatore passivo in quanto dipende dalle leggi fisiche della convezione, della conduzione e dell'irraggiamento anziché dipendere esclusivamente dall'elettricità per fornire energia a un sistema (pompe, ventole o raffreddatori termoelettrici).

In alcuni sistemi complessi possono essere applicati anche dei riscaldatori per garantire che la temperatura rimanga a un livello minimo, per cui il sistema completo è un sistema di controllo termico. Ciò consente al processo di raffreddamento di sottrarre una quantità di calore infinitamente maggiore (misurata in watt) o addirittura di raggiungere una temperatura inferiore a quella che sarebbe stata possibile passivamente.

I 3 principi fondamentali del controllo termico attivo

Indipendentemente dalla tecnologia, tutti gli ATCS si basano su tre principi, che creano un ciclo di funzionamento continuo per controllare il carico termico.

1. Acquisizione di calore: Il primo consiste nel raccogliere il calore residuo nel punto in cui viene generato. Spesso si tratta della giunzione più importante, ad esempio il die di una CPU, la superficie di un transistor di potenza o un diodo laser. L'acquisizione avviene spesso attraverso interfacce conduttive, come una piastra fredda o una giunzione con guarnizione termica, che offre una grande superficie per l'ingresso del calore nell'ATCS.
2. Trasporto del calore: Quando abbiamo catturato il nostro calore, non possiamo lasciarlo lì. A questo punto, l'energia termica viene trasportata in un luogo dove può essere smaltita in modo sicuro e non nella sorgente sensibile. In un sistema raffreddato a liquido, il calore viene trasportato da un fluido pompato (come l'acqua). In un sistema ad aria forzata, il mezzo di trasporto è l'aria in movimento.
3. Reiezione del calore: Infine, il calore trasportato deve essere rimosso al confine del sistema verso l'ambiente. Si tratta del "radiatore" della vostra automobile, del gigantesco scambiatore di calore del refrigeratore del vostro centro dati o della pila di alette di un dissipatore di calore dove una ventola soffia fuori l'aria calda, raffreddando il sistema dal calore in eccesso.

Controllo termico attivo e passivo

La decisione più importante che un progettista può prendere è il punto in cui porre la linea di demarcazione tra il controllo termico passivo e la sua controparte attiva. Si tratta di un compromesso che influisce sui costi, sull'affidabilità, sulle prestazioni e sulle dimensioni fisiche del sistema complessivo.

Un sistema passivo è poco costoso, semplice e (non avendo parti in movimento) affidabile. Un sistema attivo non è semplice, è più costoso e prevede un possibile elemento di guasto (come il motore di una ventola). Quindi perché scegliere un sistema attivo?

Poiché il controllo attivo è la capacità di rompere i confini fisici che vincolano i progetti passivi.

Le prestazioni di un sistema passivo dipendono direttamente da $Tambient (temperatura ambiente). Non solo un sistema attivo è in grado di assorbire un carico termico molto elevato alla stessa T{ambient}, ma alcune forme possono addirittura raffreddare un componente al di sotto della temperatura ambiente, fornendo una grande quantità di calore. differenza di temperatura.

Questa tabella illustra i principali compromessi:

Il risultato: Si sceglie il passivo per l'affidabilità e il costo, finché la fisica non costringe a scegliere l'attivo per le prestazioni.

Tecnologie chiave nel controllo termico attivo

Controllo termico attivo è un termine generico. La tecnologia da utilizzare dipende dal vostro scopo: dovete gestire carichi di calore o mantenere un laser a 0,1 °C?

Le tecnologie più diffuse nel kit di strumenti dell'ingegnere di ATC sono le seguenti.

Loop di pompaggio (PFL) e raffreddamento a liquido

È il campione della gestione termica. Un PFL aziona una pompa per pompare un fluido di lavoro (in genere una miscela di acqua e glicole, o ammoniaca nello spazio) in un circuito chiuso di tubi. Una piastra fredda fa sì che il fluido acquisti calore, mentre un radiatore lo elimina.

• Punti di forza: Non c'è uguale capacità di riscaldare. Il calore specifico dell'acqua è di circa 4.184 J/kgK, migliaia di volte superiore a quello dell'aria. Ciò consente ai PFL di trasferire kilowatt di calore in forma ad alta densità a un radiatore distante, il che è utile nei centri dati o nei supercomputer.
• Punti deboli: Complicato e pericoloso. Le pompe sono un problema di affidabilità e la possibilità di perdite di fluido, in particolare intorno all'elettronica ad alta tensione, è un problema di progettazione importante.

Raffreddatori termoelettrici (TEC)

I TEC o dispositivi Peltier sono magici in un sandwich a stato solido. Essi fanno passare una corrente continua attraverso una giunzione tra semiconduttori dissimili, generando così un gradiente di temperatura, in cui un lato diventa freddo e l'altro caldo.

• Punti di forza: La capacità di raffreddare a una temperatura inferiore a quella ambiente. Sono minuscoli, non hanno componenti in movimento e la loro capacità di raffreddamento può essere regolata con precisione regolando la tensione di ingresso. Sono più adatti ai dispositivi scientifici e al raffreddamento dei diodi laser, dove il trasferimento di calore in massa non è fondamentale quanto la regolazione della temperatura.
• Punti deboli: Inefficienza lorda. Un TEC ha un basso "Coefficiente di prestazione" (COP), il che significa che genera molto più calore di scarto sul suo "lato caldo" di quello che effettivamente "sposta" dal suo "lato freddo". Un TEC che sposta 10W di calore potrebbe consumare 50W di potenza, creando un nuovo problema termico da 60W da risolvere.

Convezione forzata

È il tipo di controllo termico attivo più diffuso, economico e robusto del mondo. L'idea alla base è semplice: soffiare una ventola su un dissipatore passivo.

• Punti di forza: Un miglioramento delle prestazioni molto necessario a un costo minimo. Una ventola rimuove uno strato di aria calda in lento movimento, chiamato strato limite, sostituendolo con aria fresca e fredda; il risultato è un enorme aumento del coefficiente di trasferimento del calore, che consente di gestire un nuovo flusso di calore (W/cm 2 ) di gran lunga superiore. Ciò può migliorare le prestazioni di un dissipatore di 5-10 volte rispetto alla sola convezione naturale.
• Punti deboli: Inoltre, è limitato dalla T{ambient} (non è possibile raffreddare a una temperatura inferiore a quella ambiente), aggiunge rumore e un ciclo di vita definito (il motore della ventola).

Tubi di calore avanzati

I tubi di calore standard, che funzionano con una struttura a stoppino capillare per trasportare passivamente un fluido di lavoro, sono meraviglie dell'ingegneria. Sono materiali ad alta conducibilità termica perché la loro conducibilità termica effettiva è estremamente elevata. Negli ATCS di fascia alta vengono implementati modelli sofisticati, come i tubi di calore a conduttanza variabile (VCHP) e i tubi di calore ad anello (LHP). Queste macchine possono essere accese o spente con l'aiuto di piccoli riscaldatori, che possono controllare la dinamica dei fluidi all'interno di queste macchine, consentendo loro di mantenere una temperatura specifica o addirittura di accendersi e spegnersi in base alle esigenze.

Approfondimento sulle applicazioni (1): Aerospaziale e Difesa

Il settore aerospaziale rivela in un colpo d'occhio le sorprendenti capacità dell'ATC. Il settore aerospaziale presenta l'ambiente termico più impegnativo, poiché ogni veicolo spaziale opera in orbita terrestre bassa (LEO). In LEO, i veicoli spaziali possono essere vittime di condizioni termiche estreme, come la piena radiazione solare (> 120 °C). Inoltre, l'ombreggiatura dello spazio profondo può arrivare fino a (<- 150 °C). While in space, convection is nonexistent due to the vacuum of space. This is the daily reality for spacecraft in Low Earth Orbit (LEO).

Il Stazione spaziale internazionale (ISS) è il caso di studio definitivo e NASA I documenti dell'ATCS sono fondamentali per il settore.

• Il sistema: Il fluido di lavoro è costituito da anelli di ammoniaca ad alta pressione, lunghi 6,6 miglia.
• Il processo: Le piastre fredde assorbono il calore emesso da tutta l'elettronica di bordo. Il calore viene trasportato da un'ammoniaca pompata verso enormi radiatori lunghi 75 piedi, che lo rigettano nello spazio.
• La scala: Il sistema controlla decine di kilowatt di calore, che mantengono in vita la stazione e l'equipaggio.

La stessa difficoltà è presente nei gruppi di piccoli satelliti, dove la capacità di gestire i carichi termici di carichi utili delicati all'interno di un piccolo telaio è un fattore chiave della progettazione. L'isolamento passivo di molti sistemi si basa su materiali come il Kapton, anche se il controllo attivo viene utilizzato con i componenti ad alta potenza.

Approfondimento sulle applicazioni (2): Elettronica e industria

Sebbene il settore aerospaziale sia un campo affascinante, i principi ATC che fanno funzionare la ISS sono ridimensionati per affrontare i problemi termici della tecnologia che utilizziamo quotidianamente. In questo caso, non si tratta necessariamente di vuoto, ma piuttosto di densità di potenza e alta temperatura, condizioni estreme.

Calcolo ad alte prestazioni e centri dati

Il data center è in guerra termica. Un rack di server può assorbire più di 50kW e il tradizionale condizionamento dell'aria in ambiente non è più efficace. Ciò ha reso necessario il passaggio ai PFL e la sostituzione del raffreddamento a liquido "Direct-to-Chip" (DTC) con le nuove CPU e GPU di fascia alta per mantenere prestazioni elevate.

Automazione industriale e raffreddamento degli armadi

È qui che l'ATC diventa parte del mondo reale. I pavimenti delle fabbriche sono caldi, polverosi, oleosi e difficili da gestire. Alloggiamenti importanti come PLC, inverter per sistemi di energia rinnovabile e azionamenti a frequenza variabile (VFD) sono racchiusi in contenitori classificati NEMA. involucri o di un involucro con grado di protezione IP per evitare danni. Un hotbox è un involucro passivo; è necessario un ATC, di solito sotto forma di ventilatori o condizionatori d'aria montati sull'involucro.

Dispositivi medici

È qui che l'ATC diventa parte del mondo reale. I pavimenti delle fabbriche sono caldi, polverosi, oleosi e difficili da gestire. Alloggiamenti importanti come PLC, inverter di sistemi di energia rinnovabile e azionamenti a frequenza variabile (VFD) sono racchiusi in custodie con classificazione NEMA o IP per evitare danni. Una scatola calda è un involucro passivo; è necessario un sistema ATC, solitamente sotto forma di ventilatori o condizionatori d'aria montati sull'involucro.

Telecomunicazioni

Le moderne apparecchiature di telecomunicazione sono imballate in modo compatto e possono essere montate su pali e tetti, piuttosto che al chiuso, non solo nelle stazioni base 5G ma anche nelle unità radio remote (RRU). Queste apparecchiature chiuse devono essere in grado di resistere alla pioggia, al sole e alla polvere. Si basano su un ibrido di tubi di calore avanzati e convezione forzata (ventole) ad alta affidabilità, destinati a funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per anni e anni.

Il ruolo critico della convezione forzata: Scalare l'ATC per il vostro progetto

Abbiamo visto gli estremi: Anelli di ammoniaca lunghi diversi chilometri sulla ISS e complicati sistemi liquid-to-chip di rack di centri dati da 100 kW.

Tuttavia, nella maggior parte dei sistemi industriali, medici e di telecomunicazione, un PFL è eccessivo. È troppo complicato, troppo costoso e causa rischi inammissibili (perdite, manutenzione). La convezione forzata avanzata è la soluzione ATCS migliore, scalabile ed economica per questi progetti.

Perché le ventole sono il cavallo di battaglia del moderno ATC elettronico

Il ventilatore è anche la parte attiva della convezione forzata. Tuttavia, una moderna ventola di raffreddamento non è un semplice motore con pale, ma un pezzo intelligente e ingegnerizzato che rende il cervello del sistema di ventilazione un'unità di raffreddamento. sistema termico e consente di ottenere prestazioni elevate e affidabili.

• Rapporto costo/prestazioni: Non esiste una tecnologia simile che offra un aumento simile delle prestazioni di raffreddamento allo stesso prezzo.
• Scalabilità: La soluzione è perfettamente scalabile. Uno switch di rete può essere raffreddato con una piccola ventola da 40 mm, mentre un array di ventole da 120 mm può essere utilizzato per raffreddare un server da 5 kW.
• Affidabilità: La pompa, i raccordi e il fluido presentano tutti aree di guasto nei principali componenti di un A PFL. I ventilatori contengono un'unica parte mobile e la tecnologia dei ventilatori nel mondo moderno ha trasformato questo punto in altamente affidabile.
• Controllo intelligente: I ventilatori DC ed EC (Electronically Commutated) sono ora progettati con PWM (modulazione di larghezza di impulso) controllo della velocità. Ciò consente di abbinare il ventilatore ai sensori del sistema, offrendo un sistema realmente attivo che offre un raffreddamento su richiesta, in quanto il sistema funziona silenziosamente a basso carico e solo quando è richiesta la massima potenza.

Il vostro partner per un ATC affidabile: il vantaggio di Acdcfan

Il ventilatore non è più una merce, ma un elemento essenziale quando il progetto si basa sulla convezione forzata. È necessario scegliere il ventilatore appropriato e anche il partner appropriato.

Gli ingegneri industriali, medici e delle telecomunicazioni devono affrontare una serie di sfide diverse che vanno oltre il semplice flusso d'aria (CFM). Di solito hanno dimensioni ridotte che producono molto calore e un guasto termico ha un forte impatto sulle operazioni.

• La sfida dell'affidabilità: Quando un PLC di fabbrica si guasta, o anche una stazione base 5G, non si tratta di un inconveniente, ma di un disastro che comporta la perdita di entrate. Dovreste avere un sistema ATC a prova di bomba. Ecco perché realizziamo le nostre ventole con cuscinetti a sfera di alta precisione, in modo da avere un sistema ATC a prova di bomba. MTBF (tempo medio tra i guasti) di oltre 70.000 ore.
• Il problema dell'ambiente: Che dire dell'involucro polveroso di una fabbrica o del palo delle telecomunicazioni bagnato dalla pioggia? Acdcfan è specializzata nella fornitura di soluzioni per questi ambienti reali e fornisce ventilatori con grado di protezione IP68 per la polvere e la tenuta stagna che garantiscono prestazioni ottimali negli ambienti più difficili.
• La sfida dell'efficienza: Il sistema non funziona a 100% di carico e 100% di tempo. Controllo intelligente della velocità PWM. Le nostre ventole sono integrate nell'ATCS e offrono un raffreddamento intelligente su richiesta, silenzioso e a basso consumo energetico a bassi carichi, ma in grado di aumentare istantaneamente.

Sappiamo che non esistono due progetti simili. Non vendiamo pezzi, ma progettiamo clienti. Collaboriamo con il vostro team per sviluppare e fornire un sistema che soddisfi i vostri requisiti termici unici, e le soluzioni possono essere disponibili in soli 10 giorni.

In questo modo andiamo oltre il semplice ventilatore e diventiamo un componente attivo di controllo termico della vostra strategia attiva.

Considerazioni chiave per la progettazione del sistema ATC

Siete convinti. Il vostro progetto deve smettere di essere passivo e diventare attivo. Le tre grandi domande a cui dovete rispondere prima di creare un brief per il vostro team o di eseguire algoritmi di simulazione termica più sofisticati sono le seguenti.

Calcolo del carico termico (bilancio termico)

Non potrete controllare nulla che non abbiate misurato. Il primo è un bilancio termico.

• Cosa fare: Individuare tutti i principali componenti che producono calore (CPU, FPGA, transistor di potenza).
• Dati chiave: Non utilizzare il TDP (Thermal Design Power) tipico riportato sulla scheda tecnica. Determinate il consumo minimo di energia a pieno carico nella vita reale. Si tratta del Q (carico termico) che il vostro ATCS dovrebbe essere in grado di gestire per conduzione, convezione e irraggiamento.
• L'equazione: Tgiunzione = Tambiente + (Q * R_theta_j-a), e R_theta_j-a è la somma delle resistenze termiche. Il vostro compito di progettisti è quello di utilizzare un ATCS per rendere la R_theta_j-a (resistenza tra giunzione e ambiente) il più bassa possibile.

Comprensione dei vincoli ambientali (temperatura, umidità, polvere)

La variabile più importante per il calcolo è T{ambient}, che non è quasi mai la temperatura ambiente.

• Ambiente interno: È l'aria calda all'interno dell'involucro a costituire l'aria ambiente per la ventola della CPU. Il sistema deve essere sviluppato per funzionare in qualsiasi intervallo di temperatura descritto, e in particolare in un ambiente interno così elevato.
• Ambiente esterno: Questo dispositivo deve essere utilizzato in una fabbrica polverosa (allora i componenti devono avere un grado di protezione IP)? In una regione balneare umida (che necessita di immunità alla corrosione? O in alta quota (quando l'aria è meno gradevole da raffreddare)?

Bilanciamento tra prestazioni e SWaP (dimensioni, peso e potenza)

Il compromesso ingegneristico standard è SWaP, ovvero Dimensioni, Peso e Potenza.

• Potenza: L'ATCS è parassita. L'energia consumata dai ventilatori o dalle pompe deve essere inclusa nel budget dei consumi energetici.
• Dimensioni/Peso: Un circuito a liquido è un'aggiunta pesante e richiede spazio per pompe e radiatori. La soluzione ad aria forzata non è pesante e necessita di vie libere per il flusso d'aria.
• La regola: L'ATCS più adatto è quello che può essere costruito al prezzo più basso e che soddisfa le condizioni termiche con un ragionevole livello di sicurezza. Non esagerare con l'ingegneria.

Conclusione

Il controllo termico attivo non è più un prodotto di nicchia degli ingegneri aerospaziali, ma un'esigenza essenziale dell'elettronica di alta potenza. Siamo passati dal mondo primitivo e dormiente in cui si lasciava sfuggire il calore al mondo moderno e dinamico in cui lo si controlla.

Abbiamo visto che l'ATC non è tutta tecnologia, ma una vasta gamma di soluzioni: PFL giganti sulla ISS, TEC a stato solido in laboratorio e ventilatori intelligenti e altamente affidabili che ventilano la nostra rete di telecomunicazioni mondiale.

Il trucco per progettare con successo non è selezionare la soluzione più forte, ma quella più adatta. La sfida di fondo consiste nell'adattare la tecnologia ATC corretta al carico termico, al budget e agli obiettivi di affidabilità specifici.

Per progettare una soluzione robusta, scalabile e intelligente di convezione forzata, è necessario un partner che abbia un'esperienza basata su applicazioni reali, per far sì che il vostro progetto esca dal tavolo da disegno e diventi realtà.