Как охлаждать будем? Жидкость или воздух: «за» и «против»

Одна из наиболее серьёзных проблем современной микроэлектроники – теплообмен. И дело даже не в десятках и сотнях ватт тепловой мощности, которые приходится отводить от аппаратуры – энергетики и двигателестроители давно научились управлять гораздо бóльшими тепловыми потоками. Проблема в том, что эти десятки и сотни ватт приходится отводить с поверхности кристалла, меньшей по площади тетрадочной клеточки. То есть удельные значения тепловой мощности получаются огромными. Из-за этого, в частности, разработчики пошли на создание многоядерных процессоров – это единственный способ разделить тепловые потоки на кристалле.

Предельная температура микроэлектронных структур определяется физическими свойствами материалов, из которых они изготовлены. Полузабытый ныне германий выдерживал не более 85 градусов Цельсия, кремний побольше – 120 градусов. Рекордсменом являются полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия (соединения галлия с мышьяком, GaAs), он выдерживает температуру в 140 градусов. Но это – предельные значения, на которых приборы никогда не работают. Инженеры всегда стараются оставить запас в 20-25 градусов. Причина проста: работа на предельных значениях температур значительно ускоряет старение полупроводников и снижает срок службы приборов на их основе.

Сказанное в полной мере относится к видеостенам на основе проекционных кубов. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу от ртутных и ксеноновых ламп к сверхъярким светодиодам, которые выделяют гораздо меньше тепла, чем лампы, но тоже нуждаются в охлаждении. Отметим, кстати, что красный светодиод при работе примерно на 10 градусов теплее синего и зелёного.

Рассмотрим системы охлаждения проекционных кубов с использованием светодиодов. Существуют три вида систем охлаждения: воздушные, жидкостные и испарительные.

Рис. 1. Система жидкостного охлаждения

Жидкостное охлаждение широко используется в технике с конца XIX века. Пример – всем хорошо известный автомобильный радиатор. Система жидкостного охлаждения состоит из насоса, шлангов, расширительного бачка и радиатора. Насос прокачивает жидкость через блок охлаждения, контактирующий со светодиодным модулем, где она поглощает тепло, и передаёт в радиатор, представляющий собой ряд трубок и рёбер с большой площадью поверхности. С помощью вентилятора через радиатор прогоняется воздух, который сбрасывает тепло в окружающее пространство. Из помещения тепло отводится системой кондиционирования воздуха, установленной в здании.

Механические насосы, используемые в этих системах, имеют ограниченный срок службы – не более 30 тыс. часов эксплуатации. Вместо воды используют этиленгликоль, который имеет более высокую температуру кипения, но довольно токсичен. Свойства этиленгликоля со временем ухудшаются, поэтому его также необходимо периодически заменять. В случае протечки системы охлаждения хладоагент может вызвать серьёзное повреждение одного или нескольких кубов видеостены. Кроме того, насосы издают довольно неприятный шум.

Системы воздушного охлаждения состоят из пассивного теплообменника и канала циркуляции воздуха на основе вентилятора.

Поскольку системы воздушного охлаждения менее эффективны, чем жидкостные, для каждого светодиодного модуля в проекционном кубе устанавливается свой испарительный теплопоглотитель.

Принцип его работы заключается в следующем. Тепловая энергия, отводимая от светодиода, испаряет воду внутри поглотителя. Пар расширяется и через небольшую медную тепловую трубку поступает в герметичный радиатор. Вентилятор прогоняет через его рёбра воздух, который охлаждает водяной пар и поглощает тепловую энергию. Пар опять становится жидкостью, и под действием силы тяжести вода через фитиль тепловой трубки стекает обратно в основание.

Рис. 2. Тепловая трубка

Система воздушного охлаждения гораздо проще и надёжнее жидкостной, поскольку она всегда герметична. В ней нет шлангов, насосов и других движущихся частей, не нужно заменять охлаждающую жидкость. Объем жидкости, используемой в такой системе, намного меньше, поэтому риск повреждения в результате её утечки гораздо ниже. Срок её службы намного больше и составляет 100 тыс. часов. Кроме того, она не требует проведения технического обслуживания.

Если сравнить любой светодиодный проекционный куб с системой охлаждения на основе насоса с видеокубом той же яркости с использованием системы воздушного охлаждения с теплопоглотителем, то окажется, что в первом случае для работы требуется как минимум на 50% больше электроэнергии, чем во втором, и при этом в окружающую среду отдаётся как минимум на 50% больше тепловой энергии.

Подводя итог этой небольшой статьи, можно сделать вывод, что, с учётом опубликованных данных по энергопотреблению, тепловыделению и сроку службы, жидкостное охлаждение в лучшем случае является неизбежным злом. Система воздушного охлаждения проще и надёжнее, поэтому её выбор становится очевидным.

Источник: www.avclub.pro