Охлаждение электроники: термомоделирование при разработке конструкции корпуса

 

Электронное устройство обычно состоит из корпуса и внутренних компонентов, которые при работе выделяют тепло. И тут скрыт конфликт: производители стремятся уменьшить корпус (так дешевле и удобнее), но компактный корпус затрудняет отвод тепла. Проблему усугубляет рост вычислительных мощностей: электроника нагревается еще сильнее, а это может привести к сбоям. Как в таких условиях обеспечить достаточное охлаждение еще на стадии разработки корпусов новых серийных устройств? Давайте вместе разберемся с разными типами теплоотведения: естественной конвекцией, принудительным охлаждением с помощью вентиляторов и системами жидкостного охлаждения.

Детальной проработкой системы охлаждения и грамотной компоновки устройства занимается инженер-конструктор: он выполняет виртуальное моделирование воздушных потоков и определяет температуру нагреваемой электроники.

При выборе типа охлаждения учитывается максимально допустимая температура компонентов и условия эксплуатации.

Самый простой способ отвода тепла — метод воздушного охлаждения за счет теплоотводов и вентиляторов. Но при невысокой стоимости этот метод имеет ряд недостатков:

  • высокое тепловое сопротивление,
  • низкая температура окружающей среды,
  • увеличение уровня шума.

Не всегда возможно задействовать принудительное или естественное конвекционное охлаждение. Например, такой способ не годится для корпусов с высокой степенью защиты от пыли и влаги (IP) или для необслуживаемых корпусов, т.е. неразборных или тех, что устанавливаются в труднодоступных местах.

Повысить эффективность и ускорить процесс охлаждения можно за счет охлаждения с помощью тепловых трубок. Для реализации этого метода используется конструкция из алюминиевого радиатора и основания с медными трубками. Такая технология имеет важные преимущества: оптимально отводит тепло, занимает минимальный объем, не создает шума и не требует обслуживания. Но при этом надо помнить, что усложняется конструкция и увеличивается стоимость устройства.

Для силовой электроники применяется метод жидкостного охлаждения. Эта система эффективна и надежна, занимает малый объем, не создает шума, но при этом значительно увеличивает стоимость и усложняет обслуживание (есть риск утечек жидкости). Для реализации этого метода необходим компрессор.

Ниже рассмотрим примеры разных способов воздушного охлаждения с естественной и принудительной конвекцией.

 

Естественное конвекционное охлаждение

Начнем с охлаждения корпуса устройства за счет естественной конвекции — самого экономически обоснованного метода отвода тепла.
 

Пример №1: выбор материала и перфорация корпуса

В одном из проектов мы разработали устройство. В качестве материала корпуса можно было выбрать металл или пластик. После проведения терморасчета стало понятно, что отводить тепло на корпус нет необходимости, поэтому металл нам не нужен, можно использовать более дешевый и практичный вариант — пластмассу + стандартный радиатор.

Внимание, вопрос: где лучше расположить отверстия и в каком количестве, чтобы обеспечить пассивное охлаждение электроники в корпусе? На этот вопрос помогают ответить расчеты с учетом нагрева электронных компонентов.

Посмотрим сравнительные модели пассивного охлаждения для четырех вариантов:

 
Термомоделирование для корпуса с перфорацией на крышке и на дне
Термомоделирование для корпуса с перфорацией на крышке и на дне
Термомоделирование для корпуса с перфорацией только на дне
Термомоделирование для корпуса с перфорацией только на дне
Термомоделирование для корпуса с перфорацией на дне (другой тип перфорации)
Термомоделирование для корпуса с перфорацией на дне (другой тип перфорации)
 
Термомоделирование для корпуса без перфорации
Термомоделирование для корпуса без перфорации
 

Обратите внимание на средние значения температур в градусах цельсия в первой колонке с цифрами. Для центрального процессора они растут со 119.62 градусов до 129.3 при разных типах перфорации.

Расчетные модели помогают выбрать оптимальную модель корпуса. В нашем случае это вторая, с крупной перфорацией на дне.

Как видите, не всегда самые очевидные решения оказываются такими на практике. Могло показаться, что лучшее охлаждение обеспечит полная перфорация, а худшее — ее отсутствие. Но моделирование позволяет узнать настоящий ответ.

 
На рисунке — выбранный вариант конструкции с перфорацией в донной части На рисунке — выбранный вариант конструкции с перфорацией в донной части

На рисунке — выбранный вариант конструкции с перфорацией в донной части

 

Пример №2: Двойной корпус для конвекции

Ниже — еще один пример естественного конвекционного охлаждения. Конструкция корпуса состоит из двух частей: внутренняя часть с объемной перфорацией по всему контуру для свободного потока охлаждающего воздуха; наружный корпус — декоративный, с перфорацией только на задней стенке.
 
Внутренний корпус устройства
Внутренний корпус устройства

Внутренний корпус устройства

Устройство с двойным корпусом в сборе

Устройство с двойным корпусом в сборе

Зазор между внутренним и внешним декоративным корпусом обеспечивает беспрепятственную конвекцию.

 

Охлаждение за счет теплопроводности

Для охлаждения за счет теплопроводности используется прямой контакт металл-металл между двумя телами. Тепло от нагреваемых компонентов за счет теплопроводности передается на внешние поверхности теплоотводящих кожухов.

 

Пример №3: Защитный экран в роли радиатора

Покажем, как теплопроводность выбор материалов для корпусов работает на практике: при разработке промышленного коммутатора мы применили нестандартное решение, чтобы справиться с проблемой отвода тепла и защитить плату от помех. Конструктор предложил использовать на одной из плат составной экран, который взял на себя обе задачи — и тепло отвел за счет теплопроводности, и от помех защитил.

Корпус такого экрана был выполнен из алюминиевого сплава методом фрезерования. Фрезеровка позволила создать металлическую поверхность с нужными параметрами и обеспечить плотный контакт с нагреваемыми элементами. Но для оптимальной теплопередачи мы задействовали между корпусом и элементами еще один компонент — специальные термопрокладки с высоким коэффициентом теплопроводности.

 

Защитный экран для отвода тепла и защиты от помех
Защитный экран для отвода тепла и защиты от помех

Защитный экран для отвода тепла и защиты от помех

 

Пример №4: Отведение тепла на корпус

Бывает, что для охлаждения используется не только трубки или экраны, но весь корпус устройства принимает на себя «тепловой удар». Конечно, оптимальный материал для такого корпуса — алюминий.

Ниже — пример такого проекта. Результаты термомоделирования показали, что одного стандартного радиатора недостаточно для отвода тепла, поэтому был спроектирован дополнительный алюминиевый корпус.

 
Корпус для отвода тепла от нагревающихся компонентов

Корпус для отвода тепла от нагревающихся компонентов

 

Чтобы увеличить естественную конвекцию воздуха мы добавили отверстия на боковых и верхних гранях корпуса:

 

 

Распределение воздушных потоков при горизонтальном и вертикальном положениях корпуса

Сравнительная таблица расчетных и максимально рекомендованных температур

Сравнивая результаты, полученные при моделировании, и данные из спецификаций на компоненты, мы видим, что такой способ охлаждения позволяет поддерживать температуры элементов устройства в рабочих диапазонах.
 

Принудительное конвекционное охлаждение

Итак, мы разобрались с естественной конвекцией при охлаждении, а теперь рассмотрим принудительную — более дорогой, но самый распространенный метод отвода тепла.

Для принудительного охлаждения используются вентиляторы.

 

Пример №5: Охлаждение устройства из 100+ плат

Мы спроектировали сложное промышленное устройство для обработки рентгеновского излучения, которое представляет собой массив из более ста печатных плат, расположенных по рядам кассетным способом. Плотность сенсоров составляет около 4000 шт.

На начальном этапе проектирования был сделан термический расчет, чтобы определить оптимальное расположение компонентов на плате, межплатные зазоры, температуру приточного воздуха и конструкцию корпуса. Из 20 итераций выбрана оптимальная.

 

Корпус устройства с установленными вентиляторами

 
Термомоделирование помогло выявить и исправить проблемные места в конструкции задней стенки устройства. Понадобилось перенаправить поток, чтобы он проходил через область плат, и изменить расположение межплатного разъема, чтобы он не препятствовал воздушному потоку.

Температурные срезы в области плат
Температурные срезы в области плат

Температурные срезы в области плат

 
Температурные срезы в области платИтог: средний разброс температур по датчикам составил ~12°С, а максимальная температура в области датчиков удержалась на уровне ~55°С. Так вентиляторы в паре с оптимальной конструкцией корпуса и учетом достаточного расстояния между платами позволили эффективно охлаждать устройство. На этом примере хорошо видно, почему принудительное охлаждение остается столь популярным в промышленном применении в работе с мощными пользовательскими устройствами.
 

Пример №6: Охлаждение 1U-корпуса коммутатора

На последнем примере покажем, как работает термомоделирование в проектах с комбинированным охлаждением, где на начальном этапе проектирования используется и теплопроводность, и принудительная конвекция.

Итак, задача: разработать универсальный 1U-корпус для различных модификаций промышленного коммутатора. При проектировании большое значение имел правильный выбор компоновки корпуса. Было сделано порядка 30 итераций термического моделирования. Расчет помог определиться с расположением радиаторов и вентиляторов, их количеством, расположением блока питания, компонентов на плате и перфорацией на передней панели корпуса.

 

Проработка внутренней компоновки промышленного коммутатора

Проработка внутренней компоновки промышленного коммутатора

 

В итоге проект был реализован в таком виде:

 
 Система охлаждения устройства: 8 вентиляторов и три алюминиевых радиатора

Система охлаждения устройства: 8 вентиляторов и три алюминиевых радиатора

 

Такая конфигурация — кулер + радиатор — хорошо знакома пользователям стационарных компьютеров. Те, кто сам собирал свое железо, мог обратить внимание на различные термоинтерфейсы: термопасту и термопрокладки между чипами и радиатором, которые используются для более эффективного теплоотведения. Возможно, кто-то читает эту статью со своего игрового компьютера с модной системой жидкостного/водяного охлаждения. :-) И все эти методы и компоненты для отвода тепла от электроники объединяет один важный инструмент, который используется еще на начальной стадии проектирования устройств — термомоделирование и анализ. Оно помогает выбрать материал корпуса, расположение компонентов на плате и оптимальную систему охлаждения электроники. В результате такое моделирование затачивает под себя и внешний вид устройства.

Вывод: расчет температурных характеристик печатных плат и всего устройства в целом — это неотъемлемый этап проектирования современной серийной электроники, который помогает производителям снизить риски сбоев, сэкономить деньги и время.

 

Подробнее о промышленном дизайне

 

 

Наши проекты

 

Промышленный дизайн фитнес-браслета Экспертиза Promwad в разработке и производстве электронных устройств помогла заказчику произвести и поставить на рынок партии в 11000 фитнес-браслетов
Дизайн и конструкция считывателя СКУД Мы разработали стильный корпус настенного считывателя СКУД с полноценной RGB-подсветкой и возможностью изменения дизайна и текстуры
Цифровая рация для водных видов спорта По запросу стартапа мы разработали цифровую рацию со встроенным MP3-плеером для активных видов спорта на воде (серфинга, кайтсерфинга, виндсерфинга)
Корпус хаба-адаптера Мы разработали 3D-модель корпусного решения для хаба саунд бара. Конструкция имеет рабочий температурный диапазон от 0 до +40˚С и степень защиты IP54
Промышленные коммутаторы Мы разработали новую линейку из восьми промышленных Ethernet-коммутаторов 1Gb/10Gbps, работающих в температурном диапазоне от -20 до +70°C
Корпус дозиметра Мы обновили корпус профессиональной модели дозиметра: разработали дизайн и конструкцию, доработали готовую печатную плату заказчика
Корпус глубиномера Мы разработали дизайн и конструкцию корпуса глубиномера в соответствии с требованиями заказчика к форме, дизайну, характеристикам устройства и бюджету
Корпус эхолота Мы разработали современный промышленный дизайн и надежную конструкцию эхолота нового поколения, обеспечив простоту сборки и обслуживания устройства
Блок для ЖД Мы разработали универсальный коммуникационно-навигационный блок для связи и навигации в кабине машиниста поезда
Браслет нательный модуль Мы предложили дизайн браслета, который обеспечивает удобство и практичность использования, безопасность, простоту сборки, эргономичность и компактность
Станция контроля воздуха Мы разработали станцию контроля качества воздуха, которая отправляет данные на IoT-сервер, откуда она загружается в онлайн-карту
Коммутатор L2 на 8 и 16 портов Мы создали для заказчика референс-дизайн промышленных управляемых коммутаторов с портами 10Gbase-X и 10/100/1000Base-T
Роутер с контент-фильтром Мы разработали опытные образцы умного абонентского роутера (Smart CPE) со встроенным сервисом контент-фильтрации и блокировки рекламы
Браслет для младенцев Мы разработали концепцию продукта, продумали дизайн и конструкцию корпуса для браслета и зарядной станции, оценили стоимость производства опытных образцов
Qoobi One Запустили в производство устройство на радиолампах, которое преобразует цифровую музыку в аналоговый формат и выводит на домашнюю аудиосистему
BYPASS сетевой анализатор Мы создали прототипы анализатора сетевого трафика для реализации функции BYPASS
Роутер для малого офиса Разработали и подготовили к производству модем-маршрутизатор с поддержкой всех видов офисной связи

Irma глюкометр Мы разработали и поставили на производство глюкометр – устройство для измерения концентрации глюкозы в капиллярной крови человека

Lapka алкотестер Мы разработали конструкцию и поставили на производство алкотестер для iPhone с керамическим корпусом

Рация на 2 SIM-картыМы разработали ударопрочный корпус и механическую конструкцию для специального навигационного терминала с функцией рации

Контроллер тягового электроприводаМы обновили контроллер тягового электропривода, который был разработан для вагонов производства «Метровагонмаш» более 10 лет назад

Parrot Разработали устройство для сбора данных с нескольких Bluetooth-датчиков и передачи данных на сервер
Бинокль для стадионов Мы разработали дизайн и конструкцию корпуса бинокля с дискретным увеличением Г=2.5:5 крат и поставили изделие на производство
Брелок для автосигнализации Команда инженеров Promwad разработала дизайн брелока для автомобильной сигнализации

SOFAZ считыватель СКД Мы разработали дизайн и конструкцию корпуса и запустили мелкосерийное производство считывателя системы контроля и управления доступом

ДО-РА дозиметр-радиометр Мы разработали дизайн корпуса и изготовили прототипы серии миниатюрных дозиметров «ДО-РА»

Locus ТВ-приставка DVB-TМы разработали цифровую ТВ-приставку (STB) с поддержкой формата DVB-T (MPEG-2/4), наземного цифрового вещания

Навигатор с компасом Разработан прототип компактного устройства для навигации, которое возвращает пользователя в точку старта

Lapka датчики для iPhone Разработали конструкцию корпуса, произвели установочную партию и подготовили к массовому производству набор датчиков для iPhone

Навигатор GPS+ГЛОНАСС для авто Мы разработали навигационное устройство для авто с поддержкой ГЛОНАСС/GPS, мобильной связи в режиме hands-free и передачи данных

OBD-II бортовой самописец Мы разработали портативный автомобильный самописец для контроля и диагностики технического состояния («черный ящик» для авто)
Smartlabs IPTV-приставка Самый крупносерийный проект! Мы разработали IPTV-приставку с ОТТ и PVR — выбор абонентов Ростелекома и МТС

AK1100 тонкий клиентМы разработали компьютер для сетей с клиент-серверной архитектурой, который переносит основные процессы на удаленный сервер

IP-Plug ARM-мини-серверМы разработали первый в России коммерческий plug-компьютер — IP-Plug АК-Systems

HDMI-CEC контроллер умного дома Спроектировали устройство для управления домашним кинотеатром, тюнером и другими элементами умного дома

JPEG2000 4-канальный регистраторМы разработали устройство видеорегистрации для оцифровки, хранения и выдачи по запросу аудио и видеопотоков от 4 аналоговых источников

IPTV STB DVB-T/S/S2Мы спроектировали цифровую IPTV-приставку с поддержкой форматов DVB-T и DVB-S/S2 на базе процессора SMP8654