Come raffreddare l'elettronica quando l'aria è sempre calda

Sto pianificando un esperimento che prevede il posizionamento di alcune apparecchiature elettriche in una miniera per un anno o più. Dove l'apparecchiatura verrà collocata nella miniera (770 m di profondità), la temperatura amient sarà costantemente di circa 45 ° C. Devo controllare questo, ma immagino che sarà anche abbastanza umido.

Nello specifico l'apparecchiatura che userò include: un laptop, due tubi foto moltiplicatori ad alta tensione (fino a 2,5kV, bassa corrente continua) (i cui alimentatori generano indubbiamente una quantità significativa del proprio calore) e una bassa tensione Scheda DAQ.

Il problema è che nella miniera (o equivalentemente in un deserto o in qualche ambiente industriale ad alta temperatura) il calore costante significa che il normale metodo di raffreddamento dei componenti - alimentando l'aria ambiente su di essi - semplicemente non funzionerà. Inoltre, avevo preso in considerazione l'idea di mettere l'apparecchiatura in un "mini-frigorifero", ma lo scambiatore di calore sul retro si affida anche all'aria fresca, quindi si romperà presto.

L'apparecchiatura sarà alloggiata in una cassa sigillata, quindi potrebbe essere possibile sfruttare questo fatto in modo da mantenere l'intero volume interno a una temperatura più adatta al processore. Ad essere sincero, tuttavia, non so da dove cominciare.

Francamente, se "non sai da dove cominciare", prendi qualcuno che lo fa. Sembra che il costo del fallimento sia molto alto, quindi non è il momento di sperimentare e imparare dagli errori. Trova qualcuno che conosca queste cose. Puoi guardarti alle spalle e provare a fare il maggior lavoro possibile, quindi la prossima volta sarai l'esperto. Penso di aver capito abbastanza bene i principi di base e di riuscire a far funzionare qualcosa. Tuttavia, per un'altissima affidabilità, di solito c'è molta conoscenza ed esperienza che non si può immaginare solo dalla fisica. Non lo prenderei da solo senza un esperto per fare almeno domande occasionali e per benedire il design finale. Quindi da un punto di vista non esperto, ecco alcuni pensieri:

Il primo 45 ° C non è poi così caldo. È solo 113F, che non è fuori linea per la temperatura dell'aria all'ombra estiva in varie parti del mondo. I normali dispositivi elettronici, a meno che non siano specificamente destinati all'uso in laboratorio o altri vincoli ambientali, saranno stati progettati per funzionare a 45 ° C. Pensaci. Se avessi lasciato il cellulare sul cruscotto della tua auto parcheggiata al sole estivo a Phoenix, probabilmente non lo biasimerai per non aver funzionato. Ovviamente probabilmente non riusciresti a trattenerlo senza farti del male neanche allora. Ma, se ti trovassi fuori all'ombra di un albero a metà pomeriggio d'estate a Phoenix, probabilmente ti incazzeresti se il tuo cellulare non funzionasse. Questo è 113F.

In secondo luogo, altri due vantaggi che hai sono che questo 45C è altamente affidabile ed essenzialmente infinito. In altre parole, è sempre 45 ° C, che sia estate o inverno in superficie. Inoltre, puoi scaricare alcuni kW in una "stanza" di dimensioni ragionevoli di questa miniera, e sarà comunque 45C.

Quindi la soluzione migliore, come ha anche sottolineato Russell, è quella di specificare le cose in modo che funzionino bene a 45 ° C ambiente. Distanziali abbastanza in modo che ogni cosa veda l'ambiente 45C, perferibilmente senza bisogno di alcun raffreddamento ad aria forzata. In questo modo non devi preoccuparti di cosa succede quando si rompe l'avvolgimento. Ancora una volta, la maggior parte delle apparecchiature elettroniche standard dovrebbe già andare bene. La vita può diminuire, quindi declassare. Ottieni materiale di buona qualità che dovrebbe durare normalmente 10 anni.

Se hai davvero bisogno di raffreddamento, la mia prima reazione istintiva è quella di costruire una piccola stanza e metterci dentro 2 o 3 condizionatori d'aria. Assicurati che ogni condizionatore d'aria abbia la capacità di raffreddare sufficientemente l'ambiente. I condizionatori d'aria multipli sono per ridondanza. Sembra che tu abbia solo pochi kW, il che è piccolo man mano che i condizionatori d'aria vanno. 1 kW è solo 3400 BTU / ora. Inoltre, sembra che ogni ultimo elemento non debba essere raffreddato, quindi parte dell'energia necessaria può essere dissipata fuori dalla stanza e non aumenta il carico del condizionatore d'aria. 113F non è così caldo e ci sono certamente condizionatori d'aria pronti all'uso che funzionano in queste condizioni. Avere 2 o 3 unità sempre in raffreddamento della stanza è per affidabilità. Tuttavia, questa è un'area su cui dovresti davvero consultare un esperto.

La risposta è semplice ma non necessariamente accettabile :-).

• Il raffreddamento sarà più semplice.

• Potrebbe essere sufficiente un condizionatore d'aria con refrigerante diverso - gli esperti HVAC possono consigliare.

• È necessario pianificare l'affidabilità del sistema e la risposta ai guasti. Deve essere ridondante, a prova di guasto o dovrebbe spegnersi in caso di guasto del raffreddamento.

• È necessario determinare la temperatura massima "locale" in cui l'apparecchiatura funzionerà.

• È necessario fornire un "ambiente locale che non sia mai più caldo della temperatura ambientale massima accettabile.

• Se la temperatura necessaria è inferiore all'ambiente locale di 45 C, è NECESSARIO fornire un raffreddamento per mantenere la temperatura locale.

Avendo stabilito questo requisito necessario ma inevitabile, puoi affrontarlo in due modi.

Assumere:

La temperatura ambiente non è mai> 45 C.

Ambiente = temperatura in miniera = Ta.

Temperatura locale = temperatura custodia dell'apparecchiatura = Tl

Quindi neanche

1 È possibile rendere l'attrezzatura in grado di funzionare a Ta (45C)

o

2 È possibile fornire il raffreddamento di un contenitore a Tl.

1 è superiore se è possibile raggiungerlo in quanto comporta meno cure a lungo termine, gestione e affidabilità. Se riesci a trovare apparecchiature che funzionano a 50 ° C (Ta + 5), sarai in grado di fornire raffreddamento con aria soffiata e un design molto buono. Capacità di operare a Ta + 10 (55 ° C sarebbe meglio e TA + 15 o 20 ancora meglio). I dissipatori di calore da 1C / Watt stanno diventando abbastanza impressionanti, quindi a Ta + 5 puoi dissipare solo 5 Watt con un dissipatore da 1C / W o 20 Watt a Ta + 20. Se si necessita di una dissipazione sostanzialmente superiore a circa 10 Watt, è possibile utilizzare il trasferimento del "tubo di calore" lontano dall'apparecchiatura che consente quindi di dissipare i dissipatori di calore sostanziali necessari.

Citi "un laptop" ma probabilmente scoprirai che esistono dispositivi personalizzati che soddisfano le tue esigenze informatiche e che sono rivolti a bassa potenza e condizioni ambientali difficili. In definitiva un dispositivo così progettato può essere più economico di un laptop standard + molto dolore.

Se, ad esempio, i tubi del moltiplicatore di foto DEVONO passare sotto Ta, DEVI raffreddarli.

RAFFREDDAMENTO:

Esistono numerosi mezzi di raffreddamento in quell'ambiente. La capacità probabilmente più semplice, più semplice e più elevata in quell'ambiente, purché sia ​​disponibile una potenza sufficiente, è un condizionatore o frigorifero standard "Ciclo di Rankine" MA con il tipo di refrigerante e le pressioni / riempimento progettate da un esperto di aria condizionata. Mentre è improbabile che le unità standard disponibili abbiano refrigeranti ottimali per Thot = Ta = 45C, è molto probabile che sia richiesto poco più di una ricarica con un refrigerante più appropriato. Questa è un'opzione così attraente che parlare con un esperto HVAC dovrebbe essere una delle tue prime azioni. Vedi [1] alla fine per alcuni probabili punti di partenza.

Stirling cooler:

Attrezzatura per ciclo Stirling ad alta efficienza. Diversi fornitori. Sunpower et al.

Il dispositivo di raffreddamento da campeggio Coleman Stirling può soddisfare direttamente le tue esigenze. Da non confondere con i refrigeratori di tipo Peltier più economici. Sono in grado di fornire riferimenti ai produttori di questa e simili apparecchiature per cicli Stirling.

Peltier:

Come da secchi elettrici freddi MA fatto correttamente. I dispositivi Peltier possono funzionare in modo del tutto adeguato nell'ambiente che descrivi. La caduta di 10 ° C è facile e 20 ° C è fattibile. Ha bisogno di un design adeguato. Una soluzione personalizzata potrebbe essere la migliore.

Richiede poco più di dissipatori adeguati, flusso d'aria Ta sostanziale, flusso d'aria Tl inferiore, dispositivi Peltier + potenza. Sono disponibili dispositivi di raffreddamento Peltier da 50 W a 100 W di potenza in entrata. Ognuno di questi raffredderebbe forse 5 W - 10 W di carico dell'apparecchiatura in questo ambiente. TBD di progettazione. Per soddisfare le esigenze vengono utilizzati più moduli Peltier.

Evaporazione. Un dispositivo di raffreddamento evaporatove usando acqua ("Dispositivo di raffreddamento della palude") PUO 'essere sufficiente e uno che utilizza altri fluidi sarà in grado di farlo. Questo si avvicina a un condizionatore d'aria se fatto correttamente in questo contesto.

Altro se necessario ...

[1] Siti di refrigeranti potenzialmente utili:

http://www.refrigerant-supply.com/

20 refrigeranti in vendita! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

http://www.alpinehomeair.com/view.cfm?objID=F6F91969-85BD-4AFB-99C3-DA02AAF00074

I dispositivi termoelettrici (o i dispositivi di raffreddamento termoelettrici, noti anche come TEC, ovvero elementi Peltier) pompano il calore da un lato all'altro del dispositivo, spesso in grado di creare differenze di temperatura tra i due lati fino a 60 ° C. Se li lasci raffreddare da un lato a 30 ° C, l'altro lato sarà molto più caldo rispetto all'ambiente a 45 ° C, quindi sarà in grado di scaricare calore dall'ambiente. Il raffreddamento forzato (ventola) può migliorare le prestazioni.

Dovrai costruire qualcosa come un (mini) frigorifero, con i TEC tra i dissipatori di calore all'interno e all'esterno della scatola, risp. Le dimensioni e il consumo energetico dei TEC dipenderanno dalla quantità di energia che devono trasferire.

Hai sostanzialmente tre "strumenti" da usare:

1.) Abbassa la resistenza termica dalla tua fonte di calore all'ambiente;

2.) Abbassa il calore generato;

3.) Abbassare la temperatura "ambiente";

Temperatura dell'elettronica = Te

Temperatura ambiente = Ta

Calore generato = P; tipicamente indicato in Watt (W).

La resistenza termica da Te a Ta è R; tipicamente indicato in (gradi C) / W.

Te = Ta + PR. Un altro modo di scrivere è: Te-Ta = Delta T = PR

Hai un Te ammissibile che devi mantenere. Diciamo (per amor di discussione) è 80C (176F). Il tuo Ta è 45C. Ciò significa che il tuo delta T è 80 ° C - 45 ° C = 35 ° C. ~ SE ~ hai avuto un bell'ufficio comodo, Ta equivarrebbe a 25 ° C e il tuo delta T sarebbe 80 ° C - 25 ° C = 55 ° C.

Per un ufficio, delta T = PR = 55. Per una miniera calda, delta T = PR = 35.

Quindi, vedi, una miniera calda rende solo più difficile (non impossibile) raffreddare i tuoi dispositivi elettronici. Significa che devi creare R per lo scenario miniera calda circa 2/3 di quello che sarebbe per l'ufficio cool. è possibile farlo aumentando la conduttività termica e / o il flusso d'aria.

Non quello che farei, ma potresti anche abbassare "ambient" all'interno della scatola con un'unità di refrigerazione. Sì, funzionerà se puoi ottenerlo. Non deve mantenere la tua birra fredda: abbassare l'ambiente da 45 ° C a 20 ° C dovrebbe essere abbastanza per evitare che il tuo laptop frigga.

È inoltre possibile ridurre P, acquistando attentamente il laptop e / o eseguendo il underclocking. Se stai eseguendo la registrazione dei dati, probabilmente non hai bisogno del quad core con il più alto output con una GPU che consente di giocare con i videogiochi FPS più recenti. Acquista a basso consumo.