Микропроцессор: система активного охлаждения компрессионной установкой

Микропроцессор: система активного охлаждения компрессионной установкой

Микропроцессоры, являющиеся неотъемлемой частью большинства современных электронных устройств, характеризуются высоким уровнем производительности. Однако высокий уровень производительности процессоров достигается внедрением всё большего числа миниатюрных транзисторов. Согласно закону Мура, число внедряемых в структуру процессора транзисторов будет увеличиваться вдвое практически ежегодно. Следовательно, существует тенденция увеличения выделяемого процессорами тепла и требуется система активного охлаждения микропроцессора. Рассмотрим технологии охлаждения микропроцессоров и оптимальный вариант работы.

Технологичный подход к системе охлаждения микропроцессора

На текущий момент времени отмечено существование двух основных методов охлаждения рассматриваемых электронных устройств:

  1. Пассивный.
  2. Активный.

Пассивная технология традиционно предполагает использование:

  • радиаторов,
  • тепловых трубок,
  • паровых (испарительных) камер.

Пассивный метод обеспечивает вполне эффективное отведение выделенного тепла. Однако увеличение мощности микропроцессоров современной электронной техники неотвратимо приближает человечество к достижению границы возможностей пассивного охлаждения. Соответственно, более актуальным технологическим подходом становится метод активного охлаждения микропроцессоров.

Микропроцессор и система активного охлаждения
Перспективная вспомогательная технология – активное охлаждение корпуса микропроцессора, обещает быстро заменить существующие пассивные варианты

Технология активного отвода тепла от микропроцессора включает:

  • термоэлектрическое охлаждение,
  • водяное охлаждение,
  • компрессионную холодильную систему.

.Сравнивая отмеченные три метода активной технологии охлаждения микропроцессоров с учётом:

  • теплоёмкости,
  • эффективности,
  • надёжности,
  • размера,
  • цены и рабочей температуры,

можно отметить, что холодильная система на основе компрессии пара является лучшим методом охлаждения по сравнению с другими технологиями. Применение паровых компрессорных холодильных машин для охлаждения электроники (микропроцессоров) вызывает широкий интерес в научных кругах.

Классический проект охлаждающей системы

Для охлаждения электроники удачно подходит миниатюрная холодильная система с компрессией пара, где используется фреон R134a. Машина состоит из четырех основных компонентов:

  1. Испаритель.
  2. Компрессор.
  3. Капиллярная трубка.
  4. Конденсатор.

Испаритель выполнен микроканальным радиатором, где присутствуют 106 прямоугольных поперечных каналов. Каждый микро-канал имеет глубину 450 мкм, ширину 150 мкм, толщину стенки 150 мкм и длину 20 мм. Экспериментальная установка охлаждения микроконтроллера поддерживала скоростной режим компрессора в диапазоне 3000-6000 об/мин. Мощность нагрева обслуживаемого микропроцессора в процессе экспериментов устанавливалась на уровне — 100 Вт, 150 Вт, 200 Вт.

Миниатюрный холодильный компрессор для охлаждения процессоров
Миниатюрный холодильный компрессор в комплекте с электронной платой управления. Такого типа аппарат применялся в эксперименте активного охлаждения микропроцессора

Холодильный компрессор применялся по типу модели роторного типа, в частности, «14-24-1101», производства американской компании «Aspen Thermal» (купить можно здесь). Диаметр корпуса миниатюрного компрессора — 5,6 см, высота — 8,98 см.

Электронная плата привода используется в качестве инвертора управления скоростью компрессионной машины. В общем и целом, компрессор, используемый в холодильной системе с учетом реального использования, следует подбирать:

  • компактным,
  • лёгким по весу,
  • высоконадежным.

В составе холодильной машины микропроцессора используется капиллярная трубка диаметром 1,58 мм. Длина капиллярной трубки рассчитывается из суммы длины области жидкой фазы и длины двухфазной области.

Поэтому общая длина капиллярной трубки холодильной системы составляет 0,96 м. Конденсатор установки выполнен в виде многоканального теплообменника типа «LT5F2311039», имеющего габаритные размеры 26,5х12,2х1,7 см.

Эксперименты на активное охлаждение микропроцессора

Результаты проведённого эксперимента показывают: увеличение скорости холодильного компрессора помогает снизить температуру поверхности нагревателя. Правда, одновременно снижается коэффициент полезного действия (КПД).

Максимальный КПД (9,069) достигается при скорости компрессора 3000 об/мин и мощности нагрева микропроцессора 200 Вт. В такой конфигурации температура поверхности радиатора нагревающегося микропроцессора около 70°C (оптимальное значение).

Схема холодильной установки для охлаждения микропроцессоров
Схема холодильной установки: 1 – мини-компрессор; 2 – конденсатор; 3 – капиллярная трубка; 4 — микроканальный радиатор; 5 – контроллер питания; 6 – автоматическая система съёма данных датчиков; 7 – линия связи; ТП — порты термопары; НК — нагреватель картриджа

Поэтому для миниатюрной компрессорной холодильной системы охлаждения микропроцессорной электроники наиболее подходящими условиями будут именно:

  1. Мощность нагрева корпуса микропроцессора — 200 Вт.
  2. Скорость компрессора 3000 об/мин.

В других вариантах, при мощности нагрева электроники на уровне 100-150 Вт, использование устройства видится нецелесообразным. Обусловлено это тем, что температура поверхности микропроцессора при таких мощностях составляет менее 40°С.

Подбор оптимального температурного диапазона

Почему температура менее 40°С считается критической для системы активного охлаждения микропроцессора? Ответ очевиден: если температура хладагента на входе контура радиатора меньше 12°C, тогда на внешней поверхности радиатора непременно образуется конденсат. Влага появляется, когда параметр температуры хладагента ниже границы «точки росы».

Наличие конденсата видится неприемлемым, так как жидкость способна повредить электронное устройство. Следовательно, подходящее условие эксплуатации активной системы охлаждения микропроцессора следует выбирать с учётом предотвращения образования капель конденсата.

При мощности нагрева 200 Вт температура поверхности микропроцессора находится в диапазоне 54–73°C. Этот диапазон значений соответствует подходящему диапазону рабочей температуры процессора электронного устройства. Конденсат в таких условиях не образуется.

Вывод на основе испытания системы охлаждения процессора

При условиях мощности нагрева 200 Вт, температура поверхности радиатора находится в пределах 80–40°C. Этот режим является подходящей рабочей температурой процессора электронного устройства. Самая низкая температура составляет 54,134°C при скорости вращения вала компрессора — 6000 об/мин.

Самая высокая температура составляет 73,295°C при скорости вращения вала  компрессора 3000 об/мин. Что касается КПД, при скоростном режиме 3000 об/мин значение находится на уровне 9,069.

При скоростном режиме компрессора 6000 об/мин, КПД достигает 4,153. Таким образом, очевидно, что скорость компрессора 6000 об/мин приводит к понижению температуры поверхности радиатора, но при этом снижается КПД установки.


При помощи информации: Elsevier


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *