Это окончание невероятной информации про радиаторы.
...
научно-фантастическом фильме «Бездна» (1989), где насыщенная кислородом Fluorinert жидкость использовалась дайверами для погружения на большие глубины. Проводился эксперимент с крысами, которые дышали в банке с такой жидкостью, но сцена была вырезана из фильма как факт жестокого обращения с животными.
Таблица 3. Совместимость жидкостей Novec с различными материалами
Химия рабочих жидкостей
В таблице ниже представлены свойства одного гидрофторэфира и двух фторкетонов. Они обладают необходимыми теплофизическими характеристиками, являются безопасными и совместимыми с различными материалами и были протестированы в открытой погружной системе охлаждения.
Заметьте, диэлектрические характеристики фторкетонов схожи с аналогичными свойствами перфторуглерода С6F14, который часто использовался в погружных системах охлаждения. В тоже время, гидрофторэфир имеет более высокую диэлектрическую постоянную и более низкое сопротивление, что может ограничить его использование в некоторых случаях. Первый из представленных фторкетонов со значением потенциала глобального потепления всего лишь в 1, на сегодняшний день широко используется в мире как пожаротушаший агент.
| Свойство |
Рабочая жидкость |
| Молекулярная формула |
С6F14 |
C6F9OH5 |
C6F12O |
C7F14O |
| Тип |
ПФУ (перфторуглерод) |
ГФЭ (гидрофторэфир) |
ФК (фторкетон) |
ФК (фторкетон) |
| Ткипения, °С |
56 |
76 |
49 |
74 |
| Тзамерзания, °С |
< -100 |
< -100 |
< -100 |
< -100 |
| Твспышки, °С |
нет |
нет |
нет |
нет |
| σ, мН/м |
12 |
13,6 |
10,8 |
12,3 |
| k, Вт/м*К |
0,057 |
0,068 |
0,059 |
~ 0,06 |
| Сжид, Дж/кг*К |
1050 |
1220 |
1103 |
1130 |
| ρ, кг/м3 |
1680 |
1420 |
1600 |
1670 |
| ν, сСт |
0,4 |
0,41 |
0,4 |
0,52 |
| Рнасыщ. пара при 25°С, кПа |
30,9 |
15,7 |
40,4 |
15,7 |
| Рнасыщ. пара при 100°С, кПа |
350 |
206 |
441 |
228 |
| Удельное сопротивление, ГОм*м |
1000000 |
0,1 |
10000 |
10000 |
| Диэлектрическая постоянная |
1,76 |
7,3 |
1,84 |
1,85 |
| Потенциал глобального потепления |
9300 |
55 |
1 |
1 |
| Среднесменная ПДК, ppm |
Не определена |
200 |
Таблица 4. Технические характеристики жидкостей Fluorinert
Жидкости Novec
Поскольку перфторуглероды (Fluorinert) имеют высокий потенциал глобального потепления, компания 3М разработала новый тип охлаждающей жидкости, который
не наносит вреда окружающей среде (рис. 2). Это жидкости Novec 7100 (табл. 5) на основе метокси-нонафторбутана (C4F9OCH3).
Жидкость Novec 7100 (C4F9OCH3) состоит из двух неразделимых изомеров с практически идентичными свойствами. Это (CF3)2CFCF2OCH3 (CAS-номер 163702-08-7) и CF3CF2CF2CF2OCH3 (CAS-номер 163702-07-6). Жидкости Novec позволяют создавать двухфазные (2PIC) иммерсионные системы охлаждения с полуоткрытыми контейнерами (open bath immersion, OBI). Уже сегодня применение этих жидкостей в дата-центрах демонстрирует непревзойденные результаты, экономя до 95% электроэнергии и сокращая в 10 раз занимаемые оборудованием площади. Благодаря эффективному теплоотводу достигается хороший разгон процессора. Двухфазные системы не требуют охладителей, вентиляторов или герметичных корпусов.
Рис. 2. Сравнение формул жидкостей Fluorinert и Novec
Таблица 5. Технические характеристики жидкостей Novec
Система однофазного охлаждения
Охлаждающие жидкости можно применять в одной из двух систем — однофазной
или двухфазной. Различие между ними заключается в наличии или отсутствии фазового перехода, то есть перехода жидкости
в пар. В однофазной системе (рис. 3) жидкость циркулирует посредством дополнительного насоса и не переходит в пар. Для
таких систем выбирают жидкости с высокой точкой кипения (более +80 °C). Двухфазная система не требует насоса, использует фазовый переход и считается более эффективным методом охлаждения.
Для правильного выбора охлаждающей жидкости необходимо учитывать рабочий температурный диапазон. К примеру, нужно охлаждать полупроводниковый тестер, его рабочая температура находится в диапазоне –40…+40 °С. Следовательно, можно предположить, что температура охлаждающей
жидкости не поднимется выше +40 °С (она не должна закипать при данной температуре), в то время как в чиллере (охладителе) она
может доходить до –50 °С. Таким образом, понадобится жидкость, способная работать в этом диапазоне (рис. 4). Здесь, в частности, подойдет FC-72. Из характеристик следует, что при –50 °С вязкость ее составит 1,5 cСт — чуть выше, чем у воды при комнатной температуре. Поэтому жидкость будет достаточно легко поддаваться насосной перекачке без дополнительных затрат электроэнергии. однако применение FC-72 может привести к лишним потерям жидкости. Поскольку
система работает в широком температурном диапазоне, жидкость будет значительно расширяться и сжиматься (обычно 1% от объема на каждые 10 °С). Большинство расширительных резервуаров чиллеров вентилируется для подачи и очистки воздуха посредством расширительных отсеков. Воздух в этих резервуарах насыщается парами жидкости, а потому единственный путь уменьшить количество жидкости, переносимой воздухом за каждый термоцикл,— сократить давление пара в жидкости. Это можно сделать, выбрав жидкость с более высокой температурой кипения. Рассмотрим жидкость FC-84, у которой точка кипения составляет +80 °С, а при +40 °С давление пара у нее достигает только 40% от FC-72. Хотя реальные потери испарений необходимо рассчитывать на основании
отношения давления пара и температуры, применение FC-84 позволит значительно сократить потери жидкости. Вязкость FC-84 при –40 °С равна 3 сСт (рис. 5), следовательно, жидкость достаточно подвижна для насосной перекачки. Употребление жидкости с еще более высокой точкой кипения (FC-77) сократит давление пара при +40 °С до 20% по отношению к FC-72; вязкость FC-77 равна 6,6 сСт, что также вполне допустимо для данного приложения. Несмотря на достаточно узкий диапазон рабочих температур, выбор фторсодержащих жидкостей Fluorinert или Novec для однофазного охлаждения обычно предусматривает компромисс между летучестью высокого порога температуры и теплопередачей, или эффективностью насосной подкачки, на нижнем пороге температуры.
Рис. 3. Схема однофазного типа охлаждения без фазового перехода
Рис. 4. Рекомендуемый диапазон температур для насосных однофазных систем
Система двухфазного охлаждения
Двухфазная система охлаждения предполагает наличие резервуара, где размещены
серверные платы, наполненного жидкостью Novec 7100 с температурой кипения +61 °C.
Когда процессы излучают тепло, жидкость нагревается и закипает, горячий пар поднимается вверх к крышке резервуара. В верхней
части резервуара размещается охлаждающий змеевик (с водным охлаждением), на котором пар конденсируется и снова превращается в жидкость. Таким образом, жидкость повторно возвращается в резервуар без помощи насосов (рис. 6). Подобная система позволяет экономить до 95% энергии с минимальными потерями жидкости.
Печатные платы, предназначенные для охлаждения иммерсионным способом, не содержат радиаторов или охлаждающих площадок. Компоненты на них могут устанавливаться более плотно, а процессоры разгоняться быстрее (например, 500 Вт ASIC можно разогнать до 750 Вт).
Выбор жидкости для двухфазного охлаждения обычно основан на ее точке кипения.
Для оборудования пайки струей горячего пара точку кипения жидкости выбирают так, чтобы ее уровень соответствовал точке эвтектики припоя. Для систем охлаждения электроники точка кипения жидкости должна поддерживать требуемый рабочий температурный режим компонентов.
Также следует учитывать температуру оконечного радиатора. В некоторых случаях жидкость FC-72 используется не потому, что ее точка кипения +56 °С идеальна для работы электроники, а потому что позволяет конденсатору выбрасывать тепло в окружающую среду без компрессора. Следует учитывать, что для поддержки кипения жидкостям Fluorinert и Novec нужны тепловые потоки более 2 Вт/см2 . Перегрев стенок обычно составляет 15–25 °С в процессе кипения и критические тепловые потоки достигают 15–20 Вт/см2 для кипящего резервуара. Более подробно построение системы двухфазного охлаждения рассмотрено во второй части статьи.
Рис. 5. Зависимость вязкости от температуры жидкости
Рис. 6. Механизм двухфазного охлаждения: 1 — пар конденсируется на крышке или катушке радиатора; 2 — жидкость стекает в резервуар; 3 — пар поднимается вверх; 4 — жидкость, нагретая от работы компонентов, переходит в пар
Экологичность и безопасность для обслуживающего персонала
Организация дата-центров с иммерсионным охлаждением не должна идти в ущерб безопасности рабочей среды для обслуживающего персонала. Все технические жидкости 3М (табл. 6) отвечают всем требованиям по безопасности, имеют низкую токсичность и не воспламеняются.
Снижение энергопотребления не только хорошо само по себе, но и позволяет улучшить нашу экологию. Уменьшение потребляемой энергии означает сокращение выработки электроэнергии, меньшее использование нефтепродуктов и сокращение выбросов в атмосферу. Меньшие площади дата-центров экономят строительные материалы и ресурсы на обслуживание. «Зеленый» датацентр с жидкостями 3М обладает следующими преимуществами:
- • благоприятный экологический профиль;
- • низкий потенциал глобального потепления;
- • нулевой потенциал разрушения озонового слоя Земли.
Примеры внедрения
Сегодня иммерсионное охлаждение посредством жидкостей 3М только выходит на российский рынок. Однако на мировом рынке компания уже имеет 50-летнюю историю успеха. Эта технология сегодня находит применение в суперкомпьютерах Intel и SGI— ведущих игроков на рынке высокопроизводительных вычислений. В демонстрации технологии 3М используются чипы ES-2600 Xeon Intel. тестовые испытания серверов Intel показали энергоэффективность 1,02–1,03 PUE. Приведем несколько примеров успешного внедрения. Суперкомпьютер Suiren («водяная лилия»), разработанный японской компанией PEZY Computing и ExaScaler Inc., использует однофазное охлаждение на основе жидкости 3М Fluorinert, что помогло ему войти в лист Green 500 самых высокопроизводительных компьютеров. Этот рейтинг ведется с 2007 года, в основе критерия производительности лежит число операций, выполненных за 1 Вт. В 2014 году они заняли второе место, достигнув производительности 4,95 Гфлопс/Вт, затратив на это 37,38 кВт.
Таблица 6. Данные о безопасности жидкостей 3М
Рис. 7. Суперкомпьютер Suiren, разработанный японской компанией PEZY Computing и ExaScaler Inc.
Прорыв в эффективности дата-центров был сделан компанией Allied Control (сегодня принадлежит BitFury Group), ведущим провайдером Blockchain-технологии. В 2014 году компания, уже имеющая опыт двух проектов по иммерсионному охлаждению, запустила самый крупный проект — масштабируемую
систему 40+ МВт на 160 емкостей с плотностью мощности 250 кВт на емкость и эффективностью энергопотребления 1,02 PUE
(отметим, что сегодня лучшими мировыми стандартами являются значения 1,5). Это будет самый мощный дата-центр с погружным
охлаждением в мире. В качестве охлаждающей жидкости выбрана Novec 7100. Примеры не ограничиваются лишь зарубежным опытом, в России уже несколько
компаний успешно применяют охлаждающие жидкости 3М. В частности, с 2010 года интегратор и разработчик суперкомпьютерных решений компания РСК использует прямое жидкостное охлаждение в своей линейке
оборудования для ЦОДов (рис. 8).
Рис. 8. Сравнение жидкостного охлаждения РСК с воздушным охлаждением.
Технология, применяемая РСК, позволяет реализовать жидкостное охлаждение не только для стандартных серверных плат, процессоров и памяти, но и для дополнительных карт расширения, таких как ускорители или сопроцессоры, карты ввода/вывода и прочее.
На основе технологии прямого жидкостного охлаждения РСК была создана архитектура высокоплотного размещения серверов в стойке с прямым жидкостным охлаждением всех серверов — «РСК Торнадо» (рис. 9), обеспечивающая плотность упаковки до 128 серверов в стойке размером 80x80x200 см.
Рис. 9. Узел «РСК Торнадо»
Такая архитектура позволяет отвести до 100 кВт тепловой энергии от одной стойки. Коэффициент эффективности использования энергии равен 1,06, то есть на охлаждение тратится не более 6% электроэнергии, потребляемой вычислителем. Суммарная экономия расходов на охлаждение составляет до 68% по сравнению с воздушной или воздушно-водяной системой охлаждения, у которых типичный коэффициент PUE равен 1,5–2. .
Суммируем основные преимущества построения ЦОДов и вычислительных центров на иммерсионном охлаждении:
- • уменьшение энергопотребления, используемого для охлаждения серверов, возможность построения «зеленых» дата-центров;
- • требуется лишь несколько подвижных элементов для обслуживания и ремонта;
- • увеличение плотности размещения серверов, поскольку жидкость более эффективно отводит тепло;
- • возможность максимального расходования ресурсов процессоров, так как температура поддерживается ниже термального предела;
- • простота обслуживания, не требуется чистка и сушка;
- • значительное сокращение шумового фона в серверных зонах;
- • защита IT-оборудования от загрязненийокружающей среды, таких как пыль и сера.
Иммерсионное охлаждения диэлектрическими жидкостями 3М — это новый этап в развитии систем охлаждения не только вычислительных центров, но и силовой электроники и железнодорожного транспорта,
двухфазная систему охлаждения для смартфонов и планшетов
Fujitsu работает над двухфазной системой охлаждения для мобильных устройств, которая по словам компании в пять раз эффективнее традиционных радиаторов.
Система охлаждения в общих чертах похожа на водное охлаждение, однако в ней используется не перегон воды, постоянно находящейся в одной фазе, а цикл испарения-конденсации, что позволяет добиться более компактных размеров.
Система охлаждения представляет собой замкнутый контур с максимальной толщиной в 1 мм (в некоторых местах еще меньше). Внутри контура находится жидкость, быстро отводящая тепло за счет испарения и перехода в радиаторную часть контура из меди, где она вновь конденсируется и поступает в виде жидкости обратно к компонентам выделяющим большое количество тепла.
По словам Fujitsu СО разработана для смартфонов и планшетов, однако медленный переход к пассивным системам охлаждения в ноутбуках может привести к тому что подобные системы будут широко использоваться и в лэптопах.
Программные средства охлаждения процессора
Дополнительную защиту центрального процессора от перегрева могут обеспечить специальные программные средства, так называемые программные кулеры или программы-кулеры. Принцип работы данных средств основан на введении в циклы работы процессора команд временной остановки на периоды, в течение которых процессор компьютера не загружен. Остановленный процессор меньше потребляет электроэнергии и соответственно меньше выделяет тепла. Подобные функции введены и в такие операционные системы, как Windows NT и Linux. Эти системы выполняют так называемый halt-цикл в низкоприоритетных задачах. При этом происходит временная остановка ядра процессора, но другие системы продолжают свою работу.
Для Windows существуют специально разработанные программы и драйверы, осуществляющие функции временной остановки центрального процессора. В качестве примера можно привести такие популярные и распространенные программы, как Cpuldle, Rain, Waterfall Pro и т.п. Используя программы подобного типа, можно добиться высоких результатов разгона процессоров даже со штатными средствами охлаждения и существенно более значительных результатов с применением дополнительных средств.
Следует отметить, что программа Cpuldle не только обеспечивает программное охлаждает процессоров, но и в некоторых случаях оптимизирует их работу. Современные процессоры имеют некоторые дополнительные функции, которые иногда способствуют росту производительности. Если эти функции не задействованы, то программа способна активизировать данные функции и тем самым повысить производительность системы.
Программа Cpuldle также способна контролировать температуру процессора. Если она превысит определенное, установленное пользователем значение, то Cpuldle может, например, повысить свой приоритет работы по охлаждению процессора или даже инициировать процесс выключения компьютера. Для этого необходимо, чтобы система поддерживала мониторинг параметров процессора, в частности, температуру, а также на компьютере должна быть установлена программа мониторинга MotheBoard Monitor.
пример подбора и расчета площади радиатора в зависимости от необходимой рассеиваемой мощности
С помощбю данной таблицы вы за несколько секунд подберете необходимую площадь радиатора...
По оси X отмечена мощность в Ватах которую рассеивает ваш полупроводниковый елемент а по оси Y необходимая площать радиатора.
Важно! В таблице приведена температура при 0 градусов поетому прибавьте к данному значению тепмературу при которой у вас будет работать устройство например 20 градусов (комнатная температура).
Пример! При мощности которую рассеивает транзистор в 50 Вт, при площади поверхности радиатора 500см2, температура по таблице будет 70 градусов, прибавляем к ней 20 градусов (комнатная температура) и получаем что радиатор будет разогреваться до 90 градусов. Данный расчет приведен для пасивного охлаждения тоесть без обдува радиатора с помощью куллера!
Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:
- 1 Вт – от 10 до 15 см2;
- 3 Вт – от 30 до 50 см2;
- 10 Вт – около 1000 см2;
- 60 Вт – от 7000 до 73000 см2.
Для более точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:
- параметры окружающего воздуха;
- площадь рассеивания;
- конфигурацию радиатора;
- свойства материала, из которого изготовлен теплообменник.
Но все эти тонкости нужны для проектировщика, разрабатывающего теплоотвод. Радиолюбители чаще всего используют старые радиаторы, взятые из отслужившей свой срок радиоаппаратуры. Все, что им надо знать – какова максимальная рассеиваемая мощность теплообменника.
Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где
- Ф – тепловой поток (Вт);
- S – площадь поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м). Подсчитывая площадь, следует иметь в виду, что ребро или пластина имеет две поверхности отвода тепла. То есть площадь теплоотвода прямоугольника площадью 1 см2 составит 2 см2. Поверхность иглы рассчитывается как длина окружности (π х D), умноженная на ее высоту;
- Т1 – температура теплоотводящей среды (граничной), К;
- Т2 – температура нагретой поверхности, К;
- а – коэффициент теплоотдачи. Для неполированных поверхностей принимается равным 6-8 Вт/(м2К).
Заключение
В общем, вариантов, на самом деле - море. И весь вопрос чаще всего заключается не в том, насколько эффективно будут они выполнять свою основную работу по охлаждению чипов, а сколько это будет стоить. А еще точнее - соотношение этих двух факторов. Вдобавок, есть и другие нюансы. Например, в случае воздушного охлаждения, нам требуется максимально открыть воздуху все теплоизлучающие части. Но для снижения электромагнитных наводок (чей уровень весьма жестко ограничен в разнообразных стандартах, да и по определению должен удерживаться под контролем хотя бы для того, чтобы все работало) напротив, было бы идеальным закрыть эти самые радиоизлучающие части в металлическую экранирующую упаковку. Приходится искать баланс. И так - во всем.
К тому же, если не так уж давно речь могла идти максимум об охлаждении центрального процессора, то сегодня: северный мост чипсета, графический процессор, порой уже - винчестер. При сегодняшних скоростях вращения шпинделя, достигающих 15,000 оборотов в минуту, от нагрева не спасают никакие изощренные технологии, так что греются High-End винчестеры более чем заметно. Здесь требования форм-фактора высоки, как нигде, так что производителям винчестеров приходится попотеть. Тем не менее, как уже сказано, начали появляться наборы из двух-трех вентиляторов, предназначенные для помещения во фронтальную панель и обдува винчестера. Горячий воздух, таким образом, загоняется внутрь корпуса, что проблему борьбы с температурой внутри него отнюдь не решает. И здесь пока никаких радикальных методов предложено не было. Кроме, разве что, второго дополнительного вентилятора. Пока что этого более-менее хватает, но очевидно, что в будущем здесь также понадобится приход новых технологий.
Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!
Надеюсь, эта статья про радиаторы, была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое радиаторы, теплоотводы, охлаждение, системы охлаждения, иммерсионное охлаждение, тепловой интерфейс, электроосмос
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Продолжение:
Часть 1 Системы охлаждения электронных устройств и компьютеров радиаторы и теплоотводы
Часть 2 Оптимизация систем охлаждения - Системы охлаждения электронных устройств и компьютеров
Часть 3 Химия рабочих жидкостей - Системы охлаждения электронных устройств и компьютеров
Комментарии
Оставить комментарий
Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры