Techniki chłodzenia elementów elektronicznych (artykuł przeglądowy)

Transkrypt

1 Dr inż. MACIEJ JAWORSKI Instytut Techniki Cieplnej Politechnika Warszawska Techniki chłodzenia elementów elektronicznych (artykuł przeglądowy) Wprowadzenie Rozwój mikroprocesorów, którego celem jest stały wzrost liczby operacji wykonywanych w ciągu sekundy, jest osiągany przede wszystkim przez zwiększanie liczby tranzystorów w procesorze oraz zwiększanie szybkości taktowania. Współczesne procesory wielordzeniowe mają setki milionów tranzystorów, co jest możliwe dzięki stosowanej technologii ich wytwarzania pozwalającej na tworzenie struktury, której wymiar charakterystyczny jest obecnie na poziomie 45 nm. Ogromna liczba procesorów, taktowanych z częstotliwością kilku GHz jest źródłem dużego strumienia ciepła, które należy odprowadzić do otoczenia, aby nie dopuścić do przegrzania procesora. Procesory w komputerach osobistych wydzielają ciepło, którego strumień jest rzędu kilkudziesięciu, a nawet ponad 100 W. Procesory specjalne generują nawet kilkaset W mocy cieplnej. Z punktu widzenia chłodzenia procesorów, oprócz ilości wydzielanego ciepła, istotna jest również bardzo mała powierzchnia procesora. Gęstość strumienia ciepła na powierzchni procesorów osiąga wartość kilkuset W/cm 2 (kilka MW na m 2, takie obciążenia cieple występują np. na powierzchni elementów paliwowych reaktorów jądrowych, komór spalania, dysz silników rakietowych [4]). W odniesieniu do komputerów osobistych zagadnienia chłodzenia procesorów nabrały dużego znaczenia na przełomie lat 80-tych i 90-tych XX w. Problem ten istniał oczywiście już dużo wcześniej w komputerach dużej mocy typu main-frame. Omawiane tu problemy chłodzenia elektroniki mają odniesienie nie tylko do komputerów różnych klas (desk-top, laptop, superkomputery), ale są istotne również w telekomunikacji (centrale telefoniczne, stacje przekaźnikowe), mobilnych urządzeniach elektronicznych (np. PDA personal digital assistant), układach kontroli i sterowania w lotnictwie, kosmonautyce i systemach militarnych. W każdym przypadku elementy elektroniczne, które są przedmiotem zainteresowania projektantów systemów cieplnych (w języku angielskim istnieje określenie thermal management systems) mają wspólną cechę są to obiekty małe, będące powierzchniowymi źródłami ciepła; jeżeli występują w dużej liczbie (komputery wieloprocesorowe), to tworzą rozproszoną strukturę źródeł ciepła. Zagadnienie chłodzenia układów elektronicznych jest bardzo szerokie ze względu na złożoność i różnorodność systemów elektronicznych. Najczęściej wyróżnia się trzy następujące poziomy: pojedyncze elementy elektroniczne, tzn. procesor (układ scalony), tranzystor mocy itp.; obwody drukowane (lub obwody zamknięte w jednej obudowie) zawierające wiele układów scalonych będących źródłem ciepła. Jako przykład można opisać układ chłodzenia zastosowany w laboratorium LHC (Large Hadron Collider) w CERN. W laboratorium tym istnieją bardzo rozbudowane elektroniczne układy zasilające, sterujące i pomiarowe. Ocenia się, że łączna moc cieplna, którą należy odprowadzić z tych instalacji jest na poziomie 2 MW. Charakterystyczne jest też znaczne rozproszenie tych źródeł ciepła bardzo dużo elementów elektronicznych na stosunkowo dużych obwodach drukowanych upakowanych w kilkuset szafach. Moc cieplna pojedynczego obwodu drukowanego wynosi ok. 60 W, moc jednej szafy dochodzi do 8 kw. Zaprojektowano specjalny układ chłodzenia, którego podstawowym elementem jest płaski wymiennik ciepła (z wodą jako czynnikiem chłodzącym), o wymiarach zbliżonych do wymiarów obwodów drukowanych i grubości 1,5 mm, Każdy wymiennik chłodzi dwie płyty drukowane jest on umieszczony między nimi i dociśnięty do nich z użyciem past termoprzewodzących. Aby uniknąć wycieków wody, jest ona utrzymywana pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie otoczenia; superkomputery i duże, zwarte systemy elektroniczne. Przykładem może być superkomputer BlueGen/L (IBM). Składa się on z ponad 65 tysięcy procesorów czterordzeniowych. Umieszczone są one w 64 szafach (racks) w każdej są 32 płyty, na każdej płycie 32 procesory. Ciepło z poszczególnych procesorów jest odprowadzane za pośrednictwem radiatorów, natomiast szafy są chłodzone powietrzem. Średni strumień cieplny z jednej szafy wynosi ok. 2,5 kw; maksymalny strumień dla jednego procesora wynosi ok. 15 W. W analogiczny sposób chłodzone są np. centrale telefoniczne (podobna jest konfiguracja układów elektronicznych). W dalszej części artykułu przedstawione zostaną współczesne techniki chłodzenia układów elektronicznych na poziomie pojedynczego procesora (układu scalonego). Na tym poziomie bowiem obserwuje się bardzo dynamiczny rozwój technologii zapewniających intensyfikację wymiany ciepła i tworzone są bardzo wyrafinowane układy do transportu ciepła, często bazujące na osiągnięciach nanotechnologii. 1. Klasyfikacja technik chłodzenia procesorów Obecnie znanych jest bardzo wiele technik chłodzenia procesorów. Oczywiście nie wszystkie znalazły szersze, praktyczne zastosowanie niektóre nie przyjęły się ze względu na problemy eksploatacyjne, inne są jeszcze w fazie badań. W literaturze (dotyczącej wymiany ciepła oraz architektury urządzeń elektronicznych) metody chłodzenia elektroniki klasyfikuje się 32 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE

2 biorąc pod uwagę dominujące mechanizmy wymiany ciepła. Wstępnie dzieli się je ze względu na stan czynnika chłodzącego. I tak wyodrębnia się: techniki chłodzenia, w których czynnik roboczy nie zmienia fazy w czasie pracy (czynnikiem roboczym może być powietrze, woda lub inne ciecze), techniki, w których następuje zmiana fazy czynnika roboczego (tzn. wrzenie cieczy na powierzchni chłodzonej). Przy chłodzeniu czynnikiem jednofazowym można wyróżnić następujące, szczególne przypadki: chłodzenie powietrzem: w warunkach konwekcji naturalnej, w warunkach konwekcji naturalnej z rozwiniętą powierzchnią wymiany ciepła (radiator), w warunkach konwekcji wymuszonej (radiator + wentylator), chłodzenie strugą powietrza, nadmuch powietrza z dużą szybkością prostopadle do chłodzonej powierzchni, chłodzenie cieczą: z zastosowaniem tradycyjnej chłodnicy cieczowej (tzw. cold plate), z zastosowaniem mikrokanałowego wymiennika ciepła zintegrowanego z procesorem (średnica kanałów od kilkudziesięciu do kilkuset mm), chłodzenie strugą cieczy (ang. jet impingement), Techniki oparte na wrzeniu czynnika roboczego różnią się warunkami, w jakich przebiega proces wrzenia przy powierzchni chłodzonej. Można tu wyróżnić: wrzenie w dużej objętości (w zbiorniczku przymocowanym do procesora), wrzenie w kanałach (wymiennika analogicznego do chłodnicy cieczowej), wrzenie w mikrokanałach, chłodzenie strugą cieczy (jet impingement) z jej parowaniem na powierzchni, parowanie rozpylonych kropel na chłodzonej powierzchni (ang. spray cooling). W układach chłodzenia elektroniki coraz powszechniej wykorzystuje się specjalne elementy intensyfikujące wymianę ciepła, takie jak rurki cieplne (ang. heat pipes) oraz moduły (chłodziarki) termoelektryczne. Nie tworzą one samodzielnie układów chłodzenia, ich zadaniem jest poprawa efektywności wcześniej przedstawionych technik chłodzenia, np. przez zwiększenie sprawności żeber radiatora, lub podwyższenie temperatury radiatora przy jednoczesnym obniżeniu temperatury chłodzonej powierzchni procesora. Dominującym mechanizmem transportu ciepła w układach chłodzących jest konwekcja. Miarą intensywności tego procesu jest współczynnik przejmowania ciepła a [W/ (m 2 K)]. Zakres tego parametru jest bardzo szeroki, obejmuje pięć rzędów wielkości od kilku do kilkuset tysięcy. Na rysunku 1 pokazano zakresy wartości współczynnika a dla wybranych przypadków wymiany ciepła realizowanych w układach chłodzenia procesorów. Jak widać, dobierając odpowiedni czynnik oraz wykorzystując szczególne właściwości cieplne procesu wrzenia (przemiany fazowej), można uzyskać bardzo duże intensywności chłodzenia. Widać to również na rysunku 2, gdzie porównano efektywność chłodzenia dla wybranych przypadków w odniesieniu do naturalnego chłodzenia procesora (bez żadnych elementów wspomagających). Na tym rysunku należy zwrócić uwagę na bardzo dobre parametry radiatorów chłodzonych powietrzem, lepsze niż układy cieczowe na bazie freonów (również układy dwufazowe). Tak dobre właściwości termiczne uzyskuje się w nowoczesnych radiatorach przede wszystkim dzięki użyciu w ich konstrukcji rurek cieplnych. 2. Rurki cieplne Przed omówieniem poszczególnych metod chłodzenia procesorów wydaje się celowe krótkie przybliżenie zasad działania rurek cieplnych. Jak już wspomniano, są one coraz częściej wykorzystywane do poprawy efektywności radiatorów z typową powierzchnią użebrowaną. Na ich bazie tworzy się też specjalne konstrukcje radiatorów. Rurki cieplne są dwufazowymi, biernymi elementami do przenoszenia (transportu) ciepła. Dwufazowymi, ponieważ czynnik robo- 1. Wartości współczynników przejmowania ciepła dla różnych płynów w różnych warunkach wymiany ciepła [8] 2. Względna intensywność chłodzenia przy zastosowaniu różnych technik i czynników roboczych w odniesieniu do bezpośredniego chłodzenia procesora powietrzem w warunkach konwekcji naturalnej [8] tel , fax kom cool@cool.pl

3 czy podlega zmianie fazy między ciekłą a gazową (parowanie i kondensacja); biernymi, ponieważ przepływ czynnika w układzie nie wymaga urządzeń mechanicznych jest wynikiem napięcia powierzchniowego w fazie ciekłej oraz zastosowania specjalnej struktury porowatej w przestrzeni roboczej. Schemat rurki cieplnej pokazano na rysunku 3. Wykonana jest ona z prostej lub zagiętej rurki, której wewnętrzna powierzchnia jest wyłożona materiałem porowatym (ang. wick), lub wydrążone są kanały o małych przekrojach. Rurka wypełniona jest czynnikiem roboczym (najczęściej wodą, ale może to być metanol, etanol, amoniak, aceton). W rurce wyróżnia się trzy strefy po jednej stronie jest parownik, po drugiej skraplacz, część środkowa jest strefą adiabatyczną. W parowniku czynnik roboczy paruje (pobierając ciepło z powierzchni chłodzonej). Pary czynnika środkowym kanałem przepływają do strefy skraplacza, gdzie ulegają kondensacji oddając ciepło do otoczenia. Kondensat (ciecz) przepływa do parownika w materiale porowatym pod wpływem sił kapilarnych, wynikających z istnienia napięcia powierzchniowego. Zdolność do przenoszenia dużych strumieni ciepła rurek cieplnych wynika przede wszystkim z dużej pojemności cieplnej czynnika roboczego (pojemność cieplna uwzględnia ciepło parowania) oraz dużej intensywności przejmowania ciepła w parowniku i skraplaczu jest to charakterystyczne dla konwekcyjnej wymiany ciepła z przemianami fazowymi ciecz para. Na przykład rurka cieplna (z woda jako czynnikiem roboczym) o średnicy 0,6 cm i długości 15 cm w układzie poziomym jest w stanie przenieść strumień ciepła 300 W przy różnicy temperatury 2 3 K. Jej efektywna przewodność cieplna wynosi W/(m K), przewodność cieplna miedzi wynosi ok. 400 W/(m K). Z punktu widzenia zastosowania rurek cieplnych w radiatorach istotne jest, ze w trakcie pracy (przenoszenia ciepła) różnica temperatury miedzy jej końcami (parownikiem i skraplaczem) jest bardzo mała. Na przełomie lat 80-tych i 90-tych XX w., gównie dla potrzeb techniki kosmicznej 3. Rurka cieplna: 1 obudowa, 2 materiał porowaty, 3 kanał parowy, 4 przepływ pary czynnika roboczego, 5 przepływ cieczy (kondensatu) [13] 4. Schemat pierścieniowej rurki cieplnej (loop heat pipe) opracowano rurki cieplne o innej budowie niż opisana wyżej. One także znalazły zastosowanie w chłodzeniu procesorów. W układach chłodzenia laptopów wykorzystuje się tzw. pierścieniowe rurki cieplne (ang. loop heat pipe). Schemat takiego elementu pokazano na rysunku 4. Układ składa się z parownika (mocowanego do chłodzonej powierzchni), skraplacza (użebrowany element oddający ciepło do otoczenia) oraz oddzielnych przewodów cieczowego i parowego. Materiał porowaty, w którym następuje wymuszenie przepływu czynnika roboczego znajduje się w tylko w parowniku; przewody parowy i cieczowy maja gładkie wewnętrzne powierzchnie, co zmniejsza opory przepływu. Taki układ ma cechy rurki cieplnej (bardzo dużą efektywność przenoszenia ciepła), dodatkową cechą jest możliwość dopasowania kształtu (przez gięcie rurek) do istniejącej przestrzeni, np. wewnątrz obudowy komputera. Rurki mogą być też stosunkowo długie, dzięki czemu radiator (na skraplaczu) można znacznie odsunąć od procesora. Kolejną konstrukcją jest tzw. pulsacyjna rurka cieplna (ang. pulsating heat pipe), której schemat pokazano na rysunku 5 jest to pęczek utworzony z jednej, długiej pozaginanej rurki. Średnica tej rurki jest na tyle mała (średnica wewnętrzna zależy od rodzaju czynnika, zazwyczaj wynosi ok. 1 mm, ograniczenie związane jest z napięciem powierzchniowym cieczy oraz gęstością fazy ciekłej i parowej), aby wewnątrz utworzyły się korki cieczy rozdzielone korkami (pęcherzami) parowymi. Ciepło doprowadzone do układu w parowniku powoduje powiększanie się korków parowych, co powoduje przemieszanie się czynnika w rurkach. Ponieważ rurek jest bardzo dużo, w części z nich ruch odbywa się w kierunku skraplacza (gdzie korki parowe częściowo kondensują), a w części w kierunku parownika (gdzie odparowuje ciecz). Mimo złożonego charakteru procesów cieplnoprzepływowych, które mają miejsce w tym układzie (stwarza to problemy na etapie projektowania i czasami przy uruchamianiu) układy cieplne mające taką konstrukcję pracują bardzo efektywnie. W układach chłodzenia procesorów wykorzystuje się też pewne specjalne rozwiązania, które mają właściwości rurek cieplnych (ze względu na mechanizm transportu ciepła), mające jednak kształt np. płaskich za- 34 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE

4 5. Schemat pulsacyjnej rurki cieplnej sobników. Przykłady takich rozwiązań pokazano w dalszej części artykułu. 3. Chłodzenie powietrzem Naturalne chłodzenie powietrzem jest możliwe w sytuacji, kiedy strumień ciepła, jaki należy odprowadzić z elementu elektronicznego jest na poziomie dziesiętnych części W. W takich sytuacjach duże znaczenie ma podłoże, do którego element jest przymocowany (obwód drukowany), przez które następuje odprowadzanie ciepła na drodze przewodzenia. Przy większych strumieniach ciepła (w przypadku procesorów komputerów PC, począwszy od serii 80286, we wczesnych latach tych), zapewnienie odpowiedniego chłodzenia wymagało rozwinięcia powierzchni przejmowania ciepła, a więc zastosowania radiatora. Obecnie, przy chłodzeniu powietrzem, radiator jest podstawowym elementem układu chłodzenia. Jest on także istotnym elementem innego typu układów chłodzenia (np. wodnych), znajduje się jednak nie w bezpośrednim kontakcie z procesorem. Obecnie spotyka się bardzo szeroką gamę radiatorów stosowanych do chłodzenia elektroniki. Różnice kształtu i wymiarów wynikają głównie z warunków pracy oraz ze względu na różne technologie wykonania. Radiatory działające w warunkach konwekcji naturalnej (bez wentylatora) mogą mieć dłuższe żebra, ale szczeliny między żebrami muszą być na tyle szerokie, aby zapewnić swobodny przepływ powietrza. W przypadku konwekcji wymuszonej (ruch powietrza wymuszony wentylatorem) możliwe jest stosowanie wentylatorów o gęsto upakowanych żebrach. Przykładem może być radiator z żebrami o grubości 0,2 mm i szczelinach 0,5 mm, współpracujący z wentylatorem zapewniającym przepływ powietrza z szybkością 8 10 m/s. Układy takie charakteryzują się więc zarówno dużą intensywnością przejmowania ciepła, jak i dużą powierzchnią wymiany ciepła. Radiatory wykonywane są różnymi technologiami. Najczęściej są one wytłaczane (w tym także przeciąganie prętów o określonym profilu) oraz odlewane. W ten sposób wytwarza się radiatory o stosunkowo grubych żebrach. Cienkie (także gęsto upakowane) żebra wykonuje się lutując cienkie blaszki do podstawy, wycinając je z grubego bloku, zaginając długie paski blachy lub wycinając (frezując) szczeliny międzyżebrowe. Przykładowe kształty radiatorów wykonywanych różnymi technologiami pokazano na rysunku 6. Pokazane na rysunku 6 radiatory charakteryzują się wąskimi żebrami. Jest to typowe dla tzw. radiatorów kołkowych (lewy górny), ale także w radiatorach z płaskimi żebrami wycina się poprzeczne szczeliny (np. lewy dolny), aby skrócić długość żeber. Takie powierzchnie użebrowane mają większe współczynniki przejmowania ciepła, co wynika z charakterystyki przepływu powietrza wzdłuż powierzchni żeber im krótsza droga przepływu, tym cieńsze warstwy przyścienne i większa efektywność przejmowania ciepła. Miarą efektywności radiatorów (odnosi się ogólnie do układów chłodzenia) jest opór cieplny, wyrażony w K/W (określa różnicę temperatury między chłodzoną powierzchnią a powietrzem, która zapewnia odprowadzenie 1 W strumienia ciepła). Radiatory chłodzone naturalnie (bez wentylatora) mają 6. Przykładowe kształty radiatorów wykonywanych różnymi technologiami tel , fax kom cool@cool.pl

5 opór cieplny od kilku do kilkunastu W/K. Zastosowanie wentylatorów (konwekcja wymuszona, szybkoobrotowe wentylatory zapewniające wydatek przepływu powietrza rzędu 20 l/s), pozwala ograniczyć opór cieplny nawet do poziomu 0,3 0,6 K/W. Radiatory takie dają możliwość odprowadzania strumienia ciepła do W [14]. Istnieje ograniczenie wzrostu mocy radiatorów (zmniejszenia oporu cieplnego) poprzez zwiększanie liczby żeber i ich wielkości oraz zwiększanie strumienia powietrza chłodzącego. Wynika to ograniczonego pola powierzchni chłodzonego elementu procesora; rdzenie procesorów, które są zasadniczym źródłem ciepła mają powierzchnię od 100 do 200 mm 2. Z tego powodu żebra długie oraz oddalone od procesora pracują znacznie gorzej mają niską sprawność. Aby poprawić dopływ ciepła do skrajnych żeber stosuje się miedziane płytki w aluminiowej podstawie radiatora (radiatory wykonane całkowicie z miedzi są cięższe i znacznie droższe). Przede wszystkim jednak pokonanie ograniczeń wielkości radiatora było możliwe dzięki zastosowaniu technologii rurek cieplnych. Można tu wyróżnić następujące podejścia: zastosowanie klasycznych rurek cieplnych doprowadzających ciepło do zewnętrznych części długich żeber lub/i dodatkowej powierzchni użebrowanej znajdującej się z dala od procesora przykład takiego rozwiązania pokazano na rysunku 7a. Najczęściej stosuje się kilka (4 do 8) równolegle umieszczonych rurek cieplnych, których parowniki przylutowane są do podstawy, natomiast na powierzchni części będącej skraplaczem przymocowane są żebra. W ten sposób można na tyle rozbudować powierzchnię wymiany ciepła, że dużą efektywność chłodzenia osiąga się także bez wentylatora (a więc ograniczając hałas); zastosowanie klasycznych rurek cieplnych w celu wyprowadzenia strumienia ciepła z powierzchni procesora do miejsca, w którym można zabudować radiator, problem z brakiem miejsca dla układu chłodzenia jest typowy np. w laptopach. Przykład takiego rozwiązania pokazano na rysunku 7b; zastosowanie pierścieniowych rurek cieplnych (loop heat pipe) w układach chłodzenia w laptopach (podobnie jak w poprzednim przypadku konieczność wyprowadzenia strumienia ciepła na pewną odległość 7. Zastosowanie klasycznych rurek cieplnych do zwiększenia efektywności radiatorów; a) zwiększenie powierzchni użebrowanej, b) wyprowadzenie ciepła do radiatora znajdującego się z dala od procesora (typowe rozwiązanie w laptopach) 8. Układ chłodzenia z pierścieniową rurką cieplną do zastosowania w laptopach 9. Powierzchnie użebrowane radiatory wykonane z pulsacyjnych rurek cieplnych. Radiator po lewej stronie jest wykonany z rurki o średnicach 1,6/1,2 mm, zwiniętej w pęczek (500 pętli), który stroną będącą parownikiem jest przylutowany do podstawy o wymiarach mm. Radiator ten może odprowadzić strumień ciepła do 450 W przy różnicy temperatury 40 C (szybkość strumienia powietrza 3 m/s). Opór cieplny tego radiatora wynosi 0,09 K/W od procesora, przykład układu chłodzącego o mocy cieplnej ok. 30 W, którego grubość wynosi 12 mm, pokazano na rysunku 8; utworzenie powierzchni użebrowanej z pulsacyjnych rurek cieplnych przykłady pokazano na rysunku 9; zastosowanie tzw. płaskich rurek cieplnych tworzących podstawę radiatora, dzięki czemu uzyskuje się równomierny dopływ ciepła do wszystkich żeber. Budowa takiej rurki pokazana jest na rysunku 10a. Tworzy ją prostopadłościenna, cienka komora, wyłożona wewnątrz materiałem porowatym i wypełniona odpowiednim czynnikiem roboczym. Część dolnej powierzchni (ta, która kontaktuje się z procesorem) pełni rolę parownika, 36 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE

6 Przy chłodzeniu pośrednim ciecz przepływa przez wymiennik ciepła kontaktujący się z procesorem (w języku angielski używa się określenie cold plate). Klasyczne wymienniki tego typu mają postać płaskich płytek z wewnętrznymi kanałami, przez które przepływa czynnik roboczy. Kształt, średnice oraz długość wewnętrznych kanałów zależą od stosowanej technologii wykonania. Przykładowy wymiennik cieczowy pokazano na rysunku 11. Na rysunku 12 natomiast pokazano cieczowy wymiennik ciepła, który nie ma wewnętrznych kanałów, ale ma użebrowaną powierzchnię ścianki kontaktującej się z procesorem, co zapewnia lepsze odprowadzanie ciepła. 10. Schemat działania płaskiej rurki cieplnej (a) oraz przykłady zastosowania tego rozwiązania w radiatorach natomiast górna (nad którą przymocowane są żebra) jest skraplaczem. Skropliny czynnika roboczego spływają do parownika w materiale porowatym. 4. Chłodzenie cieczą Ciecze jako czynniki chłodzące mają lepsze właściwości niż powietrze, ze względu na większą pojemność cieplną (ciepło właściwe, gęstość) oraz większą przewodność cieplną. W układach chłodzenia z pośrednim wymiennikiem ciepła najczęściej wykorzystuje się wodę jako czynnik roboczy (ma ona najlepsze właściwości termofizyczne) lub mieszaniny wody z glikolami. W układach z chłodzeniem bezpośrednim należy stosować ciecze dielektryczne, są to najczęściej fluoro-węglowodory (np. produkty firmy 3M o oznaczeniach handlowych FC-72, FC-77). Cieczowe układy chłodzące mają bardziej złożoną budową (w stosunku do prostych radiatorów). Oprócz wymiennika ciepła lub innego elementu będącego w kontakcie z chłodzącymi powierzchniami procesorów, muszą zawierać jeszcze: chłodnicę cieczy, najczęściej jest to wymiennik ciepła ciecz powietrze z wymuszonym przepływem powietrza, umieszczony z dala od procesora, pompę, naczynie wyrównawcze, przewody łączące. Do zalet chłodzenia cieczą należą: małe gabaryty elementu chłodzącego znajdującego się bezpośrednio przy procesorze (duży radiator odprowadzający ciepło od cieczy do otoczenia jest umieszczony z dala od procesora), równomierny rozkład temperatury na powierzchni chłodzonej (równomierny rozkład współczynnika przejmowania ciepła), niski poziom hałasu w stosunku do radiatorów z wymuszonym przepływem powietrza. Wadą jest możliwość rozszczelnienia się układu. W ostatnich latach bardzo dużo uwagi poświęca się mikro-wymiennikom ciepła, w których płyn chłodzący przepływa kanałami o średnicach od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów. Przejmowanie ciepła przy przepływie w mikrokanałach jest znacznie bardziej intensywne niż przy przepływie w kanałach o dużych średnicach, dzięki czemu w mikro-wymiennikach ciepła uzyskuje się bardzo duże gęstości strumienia odbieranego ciepła. Małe gabaryty tych wymienników pozwalają także na ich integrację z chłodzonymi elementami obecnie, stosując technologie podobne do stosowanych przy produkcji układów scalonych, wykonywane są krzemowe układy chłodzące, 11. Przykładowa konstrukcja boku wodnego z wierconymi i frezowanymi kanałami 12. Blok wodny (cieczowy) do chłodzenia procesorów z użebrowaną (żebra kołkowe) powierzchnią tel , fax kom cool@cool.pl

7 które są wbudowywane w obudowę procesorów. Na rysunku 13 pokazano moduł mikro-wymiennika ciepła (cały układa składa się z kilkunastu takich elementów), który w warunkach laboratoryjnych odbierał strumień ciepła o gęstości dochodzącej do 400 W/cm 2, przy wydatku cieczy 1,2 l/min. 13. Moduł mikrokanałowego wymiennika ciepła do chłodzenia procesorów Do współpracy z mikro-wymiennikami ciepła projektowane są specjalne mikropompy (które mają zastosowanie także w innych dziedzinach, np. w medycynie do precyzyjnego dozowania leków), których gabaryty są porównywalne z wielkością procesorów. Stosuje się pompy membranowe (wyporowe) z napędem piezoelektrycznym, elektrostatycznym, termopneumatycznym, a także pompy dynamiczne, w których przepływ cieczy wymuszony jest elektrohydrodynamicznie, elektroosmotycznie lub magnetohydrodynamicznie. Oprócz chłodzenia pośredniego (z chłodnicą cieczową pośrednim wymiennikiem ciepłą) w pewnych przypadkach stosuje się bezpośrednie chłodzenie cieczą. Ze względu na brak oporów cieplnych wprowadzanych przez dodatkowe elementy, jakimi są ścianki chłodnicy i powierzchnia jej kontaktu z procesorem, ten sposób chłodzenia jest bardziej efektywny. Wymaga jednak stosowania cieczy o właściwościach dielektrycznych głównie freonów. Ta technika ma zastosowanie w przypadku konieczności chłodzenia całych płyt drukowanych (PCB) zawierających dużą liczbę elementów elektronicznych wydzielających ciepło (takie sytuacje spotykane są w superkomputerach). Płyta taka jest wbudowywana w płaski wymiennik ciepła, przez który przepływa czynnik chłodniczy. 14. Schemat układu chłodzenia strugą cieczy (ang. jet impingement) W odniesieniu do pojedynczych procesorów rozważa się stosowanie chłodzenia bezpośredniego w postaci strugi cieczy natryskiwanej na procesor (rys. 14). W zależności od chłodzonego układu (pojedynczy procesor, macierz procesorów, płyty drukowane) stosuje się strugi kołowe lub szczelinowe, pojedyncze lub wielokrotne. Oś strugi może być prostopadła do chłodzonej powierzchni lub nachylona. Rozróżnia się strugi swobodne (struga cieczy w otoczeniu powietrza) lub zanurzone (ang. submerged jets). Do zalet tej techniki chłodzenia należą: bardzo duże współczynniki przejmowania ciepła, możliwość kontroli (zmiany) intensywności przejmowania ciepła zarówno w czasie jak i na powierzchni, możliwość dostosowania układu chłodzenia do konfiguracji źródeł ciepła (szczególnie w odniesieniu do chłodzenia płyt PCB). Jako przykład efektywności chłodzenia strugą cieczy można podać parametry układu chłodzenia, który był badany w warunkach laboratoryjnych: powierzchnia wymiany ciepła (powierzchnia procesora) 112 mm 2, odbierany strumień ciepła 200 W, gęstość strumienia ciepła 177 W/cm 2, maksymalna temperatura powierzchni procesora 95, przy różnicach temperatury na powierzchni nie przekraczających 3 K (bardzo duża równomierność chłodzenia); średnica dyszy 0,5 lub 0,8 mm, temperatura wody w dyszy 65 C, wydatek wody 4,72 g/s, szybkość 24,5 m/s, spadek ciśnienia 295 kpa. Ciąg dalszy artykułu zaprezentujemy w następnym numerze, redakcja Informacje Klimatyzacja mobilna Firmy DuPont i Honeywell postanowiły współpracować, by przyspieszyć opracowanie i skierowanie na rynek następnej generacji czynników chłodniczych o niskim potencjale globalnego ocieplenia, przeznaczonych dla klimatyzacji mobilnej. Jednym z celów tej współpracy jest opracowanie czynnika chłodniczego, który będzie kompatybilny z technologią R134a. Zgodnie z ocenami przemysłu, obecnie istnieje 400 milionów samochodów wyposażonych w systemy klimatyzacyjne, przy czym każdy z nich wykorzystuje 0,5 kg czynnika chłodniczego. Firmy DuPont i Honeywell utrzymują, że implementacja zamiany efektywnego energetycznie czynnika, który jest w ich opracowaniu, powinna zredukować emisje na całym świecie, odpowiednio w przeliczeniu na ilość 1046 milionów litrów paliwa rocznie w roku VDA oficjalnie optuje za mobilną klimatyzacją na CO 2. Niemieckie Stowarzyszenie Przemysły Samochodowego (VDA) potwierdziło ostatnio, że niemiecki przemysł samochodowy wybrał dla przyszłościowej klimatyzacji mobilnej naturalny czynnik chłodniczy CO 2 (R744). VDA skupia ponad 580 firm i 750 tys. pracowników zatrudnionych w niemieckim przemyśle samochodowym i przemysłach kooperujących. W jego ramach współpracują wszyscy najwięksi i najważniejsi niemieccy producenci samochodów, włączając w to Audi, BMW, Daimler Chrysler, Porsche i Volkswagen. Największa w historii chłodnica na wę- glowodór w Wielkiej Brytanii Największe urządzenie klimatyzacyjne wykorzystujące węglowodór (HC) jako czynnik chłodniczy w Wielkiej Brytanii zainstalowano w Church House w pobliżu obiektów Parlamentu w Westminster. Opiera się ono na chłodnicy wodnej o wydajności 600 kw, która jest częścią typoszeregu chłodnic na czynnik (HC) opracowanych przez firmę Earthcare Products, specjalizującą się w naturalnych czynnikach chłodniczych. Firma Earthcare twierdzi, że chłodnice te są pierwszymi chłodzonymi powietrzem chillerami pracującymi na naturalnych czynnikach chłodniczych (HC), dostarczającymi tak dużych wydajności chłodzenia (do 1030 kw w największym wykonaniu) oraz, że instalacja w Westminster jest istotnym kamieniem milowym w historii przemysłu urządzeń klimatyzacyjnych. 38 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE