6.1.3. Принудительные системы охлаждения

На рис. 6.3 приведены зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора и требуемого объема рабочего тела охладителя для различных систем охлаждения. В табл. 6.1 дается сравнительная характеристика различных систем охлаждения, а на рис. 6.4 изображена зависимость стоимости охлаждающих систем от эффективности охлаждения. Наиболее эффективен метод жидкостного охлаждения, в особенности для ППИ силовой электроники с мощностью более 1 МВт.

Рис. 6.3. Зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора (а) и требуемого объема рабочего тела охладителя (б) для различных систем охлаждения

Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ППИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов (в условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, так как на его долю приходится около 3 % отводимого тепла).

Таблица 6.1

Сравнительная характеристика систем охлаждения

Охлаждение	Преимущества	Недостатки	Применение
Принудительное воздушное	Низкая цена, отсутствие утечек	Большой объем, необходимо распределения тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы	Во всех областях электроники
Жидкостное	Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов	Необходим компрессор, возможность утечек, высокая цена	Лазерные диоды, силовая электроника
Тепловые трубы	Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов	Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция	Компьютеры, силовая электроника, космос
Термоэлектрическое	Малый объем, низкое тепловое сопротивление	Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективость	Оптоэлектро-ника

Рис. 6.4. Зависимость стоимости систем охлаждения от их эффективности

Жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ППИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов:1) скорости охлаждающей жидкости, 2) состава охлаждающей жидкости, 3) наличия турбулентности, 4) количества каналов охлаждения в радиаторе, 5) материала радиатора (медь на 20 % лучше, чем алюминий).

Наиболее эффективно микроканальное охлаждение, в котором используются протравленные химическим методом тонкие медные листы, соединенные между собой по технологии DBC (Direct Bonding Copper). Керамика DBC представляет собой керамическую пластину с нанесенными медными шинами, керамика может быть либо из Al₂O₃, либо из AlN, последний вариант предпочтительнее ввиду большего значения теплопроводности нитрида алюминия, отличие достигает 20 раз. По созданным в меди отверстиям в форме шестиугольных сот проходит охлаждающая жидкость.

Тепловые трубки. Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых труб целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения (по технологическим причинам) или охлаждения с применением вентилятора (в условиях очень грязной среды). Тепловая трубка (рис. 6.5) представляет собой тонкостенный металлический сосуд – 1, внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом – фитилем – 2. Фитиль пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объем - 3, свободный от фитиля, заполнен паром рабочей жидкости. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла с температурой Т₁, а другой – к приемнику – радиатору с температурой Т₂ (Т₂ Т₁), будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.

.

Рис. 6.5. Конструкция тепловой трубы

Обычно трубы встраивают в радиаторы кулеров.

Термоохладители. Современной технологией охлаждения является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло – рис. 6.6. Наиболее эффективен термоэлемент, составленный из двух полупроводников (n- и p-типа проводимости). На рис. 6.7 показан тепловой модуль. Для большей эффективности модули каскадируются. На горячую поверхность первого модуля устанавливается второй чуть большего размера и т.д. Таким образом можно получить пирамиду модулей, с помощью которой достигают ΔT = 70 – 75 при температуре окружающей среды 25 Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы – 50 тысяч)

.

Рис. 6.6. Устройство Рис. 6.7. Устройство термоэлектрического

термоэлемента Пельтье модуля