1. 4 Системы охлаждения и способы обеспечения нормального теплового режима конструкций эвм

Для облегчения тепловых режимов конструкций ЭВМ используются различные системы охлаждения. Под системой охлаждения понимают совокупность устройств и конструктивных элементов, используемых для уменьшения локальных и общих перегревов. Системы охлаждения обычно классифицируют по способу передачи тепла, виду Теплоносителя и источников тепла. В конструкциях ЭВМ находят применение естественное и принудительное воздушное охлаждение, а также жидкостные и испарительные системы охлаждения.

При естественном воздушном охлаждении тепло от элементов конструкции передается окружающей среде за счет естественной конвекции. Использование других систем охлаждения требует введения в конструкции ЭВМ различных устройств, содержащих теплоноситель и задающих режим его движения. Выбор способа обеспечения нормального теплового режима, а равно и системы охлаждения ЭВМ, как правило, производится на ранних стадиях разработки

ЭВМ и основывается на определении плотности теплового потока и допустимого перегрева конструкции (рис.3). Если точка попадает в заштрихованные области диаграммы, то способ охлаждения уточняется на более поздних этапах конструирования. В соответствии с плотностью теплового потока узлы и блоки ЭВМ подразделяют на не теплонагруженные и теплонагруженные. В не теплонагруженных конструкциях

их нагрев при естественном охлаждении не превышает 30 С в теплонагруженных конструкциях требуется принудительное охлаждение. Рассмотрим подробнее конструктивные меры по обеспечению нормального теплового режима в ЭВМ и соответствующие системы охлаждения. Естественное охлаждение. В большинстве современных конструкций ЭВМ, где не требуется применения принудительного охлаждения, при нормальных климатических условиях обычно около 75 % тепла от водится за счет естественной конвекции, 16 % за счет теплопроводности и 10 % за счет излучения. Поэтому закономерно, что прежде всего стремятся обеспечить теплообмен естественной конвекцией при интенсификации передачи тепла теплопроводностью и излучением.

Рисунок 3 - К выбору способов охлаждения в конструкциях ТС ЭВМ: 1 -естественное воздушное охлаждение; 2 - естественное или принудительное воздушное охлаждение; 3 - принудительное воздушное охлаждение; 4 -смешанное воздушно-жидкостное охлаждение; 5 - жидкостное охлаждение; 6 -жидкостно-испарительное охлаждение без прокачки; 7, 8 - жидкостно-испарительное охлаждение с интенсивной прокачкой; 9 - охлаждение испарением жидкости с прокачкой.

Рисунок 4 - Организация систем принудительного воздушного охлаждения в ЭШ а приточная; б - вытяжная; в - приточно-вытяжная

Чтобы отбод тепла от элементов конструкции, находящихся внутри изделия ЭВМ был эффективным, должна быть обеспечена хорошая теплоотдача путем теплового контакта всех теплонагруженных элементов с корпусом изделия.

В изделиях с относительно большими размерами (например, в конструкциях ЭВМ приборного исполнения: ПЭВМ, периферийных устройствах и т. п. ) отдача тепла элементов корпусу может производиться за счет внутренней конвекции в результате перемешивания воздуха ( газа ), находящегося в его замкнутом объеме.

Эффективность охлаждения естественной конвекцией тем выше, чем больше поверхность корпуса охлаждаемого изделия и чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой.

Некоторого увеличения поверхности корпуса можно достичь с Помощью применения ребер. Однако охлаждаемое изделие при этом утяжеляется, что нарушает принцип комплексной микроминиатюризации конструкций ЭВМ. Поскольку принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха ( газа, жидкости ) нагреваясь от выделяющего тепло корпуса и обладая вследствие этого большей кинетической энергией и меньшей плотностью, перемещаются вверх и замешаются более холодными слоями, то теплообмен тем лучше, чем больше объем замещаемого воздуха. Для увеличения объема охлаждающего воздуха возможно выполнение в стенках корпуса перфорационных отверстий. Если замещение воздуха затруднено (перфорация отсутствует ), то элементы, находящиеся в верхней части корпуса, находятся в более тяжелом тепловом режиме, чем элементы, расположенные внизу, поскольку в верхней части корпуса смена воздуха практически не происходит. С учетом этих обстоятельств печатные платы с элементами желательно размещать вертикально, а не горизонтально, чтобы отсутствовали препятствия свободному току воздуха.

Микросхемы - источники тепла на платах и сами платы должны размещаться по возможности равномерно. Платы с недостаточно теплостойкими элементами желательно размещать внизу конструкции.

Охлаждение естественной конвекцией воздуха практически не эффективно при жарком климате и низком атмосферном давлении ( например, при высоте над уровнем моря свыше б км или при использовании на борту летательных аппаратов) или в герметичных конструкциях.

Поэтому необходимо сочетать естественное охлаждение конвекцией с охлаждением кондукцией и излучением.

Рассмотрим меры по интенсификации естественного охлаждения кондукцией. Для этого проанализируем выражения (17,18 ). Как видно из выражении, для уменьшения температуры элемента, охлаждаемого за счет кондуктивного переноса тепла, необходимо уменьшать: 1) количество выделяемого элементом тепла, определяемого его рассеиваемой мощностью; 2) температуру корпуса, контактирующего с окружающей средой ( воздухом ) ; 3) тепловое сопротивление участка пути передачи тепла от охлаждаемого элемента к корпусу.

Охлаждение за счет излучения имеет место практически для любой нагретой воны. Однако для большинства не герметизированных конструкций ЭШ поток лучистой энергии поверхности нагретой зоны обычно оказывается меньше мощности тепловыделения этой нагретой зоны, поэтому механизм излучения при реальных значениях плотности мощности на охлаждение конструкций ЭВМ влияет слабо. Вместе с тем желательно, чтобы теплонагруженные элементы были окрашены в определенные цвета.

Принудительное охлаждение. Принудительное охлаждение применяется, если естественного воздушного охлаждения для поддержания нормального теплового режима устройств ЭВМ оказывается недостаточно.

В настоящее время до 90 % современных конструкций ЭВМ охлаждаются принудительным воздушным охлаждением с использованием вентиляторов (блоков вентиляторов). Основными причинами применения принудительного воздушного охлаждения в ЭВМ являются-, наличие дешевого и доступного теплоносителя; относительная простота и надежность элементов системы охлаждения (вентиляторов, нагнетающих воздух, воздуховодов и т. п.). На практике используются три системы принудительного воздушного охлаждения : приточная, вытяжная и приточно-вытяжная (рис.4). Приточная вентиляция эффективнее вытяжной, поскольку воздух подается внутрь охлаждаемого устройства с повышенным давлением, что способствует повышенной теплоотдаче. Однако нагнетаемый воздух может уходить черев неплотности в кожухе. Повысить напор охлаждающего воздуха можно в приточно-вытяжной системе охлаждения.

Эффективность охлаждения определяется температурой входного охлаждающего воздуха и его расходом на единицу мощности, выделяемой в ЭВС. Поэтому тип и количество вентиляторов, устанавливаемых в техническое средство, определяется исходя ив требуемого расхода воздуха аэродинамической характеристики конструкции и ряда других конструктивно-технологических характеристик.

Конструкция, в которой используется принудительное воздушное охлаждение, в связи с этим должна обеспечивать малое и равномернее аэродинамическое сопротивление охлаждающему воздуху, для чего элементы конструкции стремятся разместить, обеспечивая по возможности одинаковые тепловые зазоры для обтекания элементов и обращая наименьшую грань элемента перпендикулярно воздушному потоку. Внутренний объем конструкции защищается от пыли применением специальных фильтров. Системы принудительного воздушного охлаждения, несмотря на высокую технологичность и низкую стоимость, имеют также ряд недостатков :

дают увеличение объема и массы конструкций ЭВМ в целом; большие затраты мощности на охлаждение; наличие акустических шумов и вибрации и др. Кроме этого, в последние годы в связи с ростом тепловой нагрузки в устройствах ЭВМ все чаще при конструировании ЭВМ, особенно 4-го поколений, возникают ситуации, когда принудительное воздушное охлаждение вообще не в состоянии обеспечить необходимый тепловой режим. В этих случаях более эффективными являются принудительное жидкостное, воздушно-жидкостное или кондуктивно-жидкостное охлаждение. Чисто жидкостные системы охлаждения эффективны лишь в том случае, если обеспечивается хороший тепловой контакт между источниками тепла и охлаждающей жидкостью (теплоносителем). Поскольку создание таких разъемных тепловых контактов является достаточно сложной конструктивной задачей, то наиболее часто используются смешанные воздушно-жидкостные или кондуктивно-жидкостные системы охлаждения.

В воздушно-жидкостных системах охлаждения отвод тепла от блоков (рис. 5) осуществляется как поступающим в стойку от вентиляторов воздухом, так и жидким носителем (чаше водой, реже фреонами, антифризами и т. д.), протекающим по трубам к охладителям. Охладители выполняются или в виде системы параллельных трубок, расположенных под каждым охлаждаемым блоком или реализуются в виде направляющих для ТЭЗов. Для повышения эффективности охлаждения в таких конструкциях максимально используются также возможности кондуктивного переноса тепла от ТЭЗов к жидкому носителю.

Проточная система, показанная на рис. 5,а, требует большого расхода жидкого носителя. Поэтому в некоторых конструкциях ЭВМ применяются замкнутые системы охлаждения, использующие теплообменники, насосы и др. оборудование, позволяющие экономить теплоноситель.

При кондуктивно-жидкостном охлаждении используется, как правило, принцип параллельного охлаждения, когда каждый ряд элементов конструкции -источников тепла, и даже каждый источник тепла охлаждается отдельно. В этом случае обеспечивается равномерность температуры элементов конструкции, за счет примерно одинакового кондуктивного теплового сопротивления от охлаждаемого элемента к теплоносителю. В конструкциях бортовых ЭВМ, имеющих большую тепловую нагрузку и сравнительно малые объемы для обеспечения нормального теплового

Рис. 5. Воздушно-жидкостные системы охлаждения; а - проточная, б одноконтурная замкнутая: 1 '- охладитель; 2 - охлаждаемый блок; 3 теплообменник; 4 - насос

Рис. 6. Конструкция тепловой трубы: 1 - вход теплоты; 2 - путь пара; 3 - выход теплоты; 4 - конденсационная часть; б - оболочка; 6 - испарительная часть

режима конструкций, очень часто используются тепловые трубы. Конструкция тепловой трубы представляет собой герметичный алюминиевый или стальной корпус (возможна различная форма), внутри которого помешается капиллярно-пористый фитиль, наготавливаемый из металлических и неметаллических сеток, стекла и металловолокон, металлокерамических порошковых материалов и т. п., а также жидкий теплоноситель (аммиак, вода, метанол и др. ). Фитиль насыщается теплоносителем. Если на один конец тепловой трубы подается тепло, то носитель там испаряется и перемешается по трубе до тех пор пока не конденсируется и превращается опять в жидкость в холодной части трубы. Затем за счет капиллярного эффекта теплоноситель по фитилю возвращается опять к горячему концу тепловой трубы. Тепловые трубы позволяют резко снизить тепловые сопротивления между охлаждаемыми элементами конструкции и окружающей средой. Один ив вариантов конструкции тепловой трубы для отвода тепла от мощных тепловыделяющих элементов показан на рис. 6.

Улучшение показателей систем охлаждения отражается на быстродействии устройств и в конечном итоге приводит к непрерывному росту производительности ЭВМ.