Jak chłodzić elektronikę, gdy powietrze jest zawsze gorące

Jestem w trakcie planowania eksperymentu, który obejmuje umieszczenie sprzętu elektrycznego w kopalni na rok lub dłużej. Tam, gdzie sprzęt zostanie umieszczony w kopalni (770 m głębokości), temperatura otoczenia będzie stale wynosić około 45 ° C. Muszę to sprawdzić, ale wyobrażam sobie, że będzie też dość wilgotno.

W szczególności sprzęt, z którego będę korzystać, obejmuje: laptop, dwie fotopowielacze wysokiego napięcia (do 2,5 kV, niskiego prądu stałego) (których zasilacze niewątpliwie wytwarzają znaczną ilość własnego ciepła) oraz niskie napięcie Tablica DAQ.

Problem polega na tym, że w kopalni (lub równoważnie na pustyni lub w środowisku przemysłowym o wysokiej temperaturze) stałe ciepło oznacza normalną metodę chłodzenia komponentów - poprzez wachlowanie nad nimi otaczającego powietrza - po prostu nie działa. Co więcej, zastanawiałem się nad umieszczeniem sprzętu w „mini lodówce”, ale wymiennik ciepła z tyłu również opiera się na chłodnym powietrzu z otoczenia, więc wkrótce się zepsuje.

Sprzęt zostanie umieszczony w zamkniętej skrzyni, aby można było wykorzystać ten fakt, aby utrzymać całą objętość wewnętrzną w temperaturze bardziej przyjaznej dla procesora. Szczerze mówiąc, nie wiem od czego zacząć.

Szczerze mówiąc, jeśli „nie wiesz od czego zacząć”, poproś kogoś, kto to zrobi. Wygląda na to, że koszt awarii jest bardzo wysoki, więc nie czas na eksperymentowanie i uczenie się na błędach. Znajdź kogoś, kto zna te rzeczy. Możesz spojrzeć im przez ramię i spróbować wykonać jak najwięcej chrząknięć, więc następnym razem będziesz ekspertem. Myślę, że całkiem nie doceniam podstawowych zasad i mogę coś zrobić. Jednak dla wyjątkowo wysokiej niezawodności zwykle istnieje wiele wiedzy i doświadczenia, których nie zgadłbyś z samej fizyki. Nie wziąłbym tego na siebie bez eksperta, który przynajmniej od czasu do czasu zadawałby pytania i błogosławił ostateczny projekt. Więc z punktu widzenia ekspertów, oto kilka myśli:

Pierwsze 45C nie jest aż tak gorące. To tylko 113 F, co nie jest niezgodne z temperaturą letniego cienia w różnych częściach świata. Zwykłe gadżety elektroniczne, chyba że specjalnie do użytku laboratoryjnego lub innych ograniczeń środowiskowych, zostaną zaprojektowane do pracy w temperaturze 45 ° C. Pomyśl o tym. Jeśli zostawiłeś swój telefon komórkowy na desce rozdzielczej samochodu zaparkowanego w letnim słońcu w Phoenix, prawdopodobnie nie obwiniałbyś go za to, że nie działa. Oczywiście wtedy prawdopodobnie nie byłbyś w stanie tego wytrzymać bez zranienia się. Ale jeśli stałeś na zewnątrz w cieniu drzewa latem po południu w Phoenix, prawdopodobnie byłbyś wkurzony, gdyby Twój telefon nie działał. To 113F.

Po drugie, dwie inne zalety, które masz, to to, że ten 45C jest wysoce niezawodny i zasadniczo nieskończony. Innymi słowy, cały czas jest 45 ° C, czy to latem, czy zimą na powierzchni. Ponadto można zrzucić kilka kW do „pokoju” rozsądnej wielkości tej kopalni, a nadal będzie to 45 ° C.

Tak więc najlepszym rozwiązaniem, jak wskazał Russell, jest takie sprecyzowanie, aby działały dobrze w temperaturze otoczenia 45 ° C. Rozłóż je wystarczająco, aby każda rzecz widziała temperaturę 45 ° C, najlepiej bez potrzeby wymuszonego chłodzenia powietrzem. W ten sposób nie musisz się martwić o to, co się stanie, gdy zepsuje się zwijanie. Ponownie, większość gotowych sprzętów elektronicznych powinna już być z tym w porządku. Żywotność może się zmniejszyć, więc obniżaj wartość. Zdobądź rzeczy dobrej jakości, które normalnie powinny trwać 10 lat.

Jeśli naprawdę potrzebujesz chłodzenia, moją pierwszą reakcją na szarpnięcie kolanem jest zbudowanie małego pokoju i umieszczenie w nim 2 lub 3 klimatyzatorów. Upewnij się, że każdy klimatyzator jest w stanie wystarczająco schłodzić pomieszczenie. Wiele klimatyzatorów służy do nadmiarowości. Wydaje się, że mówisz, że to tylko kilka kW, co jest niewielkie jak na klimatyzatory. 1 kW to tylko 3400 BTU / godzinę. Wygląda na to, że każdy ostatni element nie musi być chłodzony, więc część potrzebnej mocy można rozproszyć na zewnątrz pomieszczenia i nie zwiększa obciążenia klimatyzatora. 113F nie jest tak gorący i na pewno są dostępne z półki klimatyzatory przeznaczone do pracy w takich warunkach. Chłodzenie pomieszczenia zawsze przy 2 lub 3 urządzeniach gwarantuje niezawodność. Jest to jednak obszar, w którym naprawdę powinieneś skonsultować się z ekspertem.

Odpowiedź jest łatwa, ale niekoniecznie akceptowalna :-).

• Chłodzenie będzie najłatwiejsze.

• Klimatyzator z innym czynnikiem chłodniczym może wystarczyć - eksperci HVAC mogą doradzić.

• Należy zaplanować niezawodność systemu i reakcję na awarię. Czy musi być nadmiarowo-bezpieczny w razie awarii, czy powinien zostać wyłączony w przypadku awarii chłodzenia?

• Musisz określić maksymalną „lokalną temperaturę otoczenia”, w której będzie działać urządzenie.

• Musisz zapewnić „środowisko lokalne, które nigdy nie jest cieplejsze niż dopuszczalna maksymalna temperatura otoczenia.

• Jeśli niezbędna temperatura jest niższa niż lokalna temperatura otoczenia 45 C, MUSISZ zapewnić chłodzenie, aby utrzymać lokalną temperaturę.

Po ustaleniu tego niezbędnego, ale nieuniknionego wymogu, można go rozwiązać na dwa sposoby.

Założyć:

Temperatura otoczenia nigdy nie przekracza 45 C.

Otoczenia = temperatura kopalni = Ta.

Temperatura lokalna = temperatura obudowy urządzenia = Tl

Więc albo

1 Możesz sprawić, aby sprzęt mógł działać w Ta (45C)

lub

2 Możesz zapewnić chłodzenie obudowy do Tl.

1 jest lepszy, jeśli można to osiągnąć, ponieważ wymaga mniej długoterminowej opieki, zarządzania i niezawodności. Jeśli znajdziesz sprzęt, który będzie działał w 50 ° C (Ta + 5), będziesz w stanie zapewnić chłodzenie dmuchanym powietrzem i bardzo dobrą konstrukcję. Zdolność do pracy w Ta + 10 (55C byłoby lepsze, a TA + 15 lub 20 jeszcze lepsze). Radiatory o wartości 1C / Watt robią wrażenie, więc przy Ta + 5 można rozproszyć tylko 5 Watów za pomocą radiatora 1C / W lub 20 W przy Ta + 20. Jeśli potrzebujesz znacznie więcej niż około 10 Watt mocy, możesz użyć transferu „heat pipe” z dala od sprzętu, który następnie pozwala na uzyskanie tak znacznego wydmuchu radiatora, jak jest to wymagane.

Wspominasz o „laptopie”, ale prawdopodobnie zauważysz, że istnieją niestandardowe urządzenia, które zaspokoją Twoje potrzeby komputerowe i które są przeznaczone na niskie zużycie energii i trudne warunki środowiskowe. Ostatecznie takie specjalnie zaprojektowane urządzenie może być tańsze niż standardowy laptop + dużo bólu.

Jeśli np. Twoje lampy powielające MUSZĄ działać w punkcie Ta, MUSISZ je schłodzić.

CHŁODZENIE:

W tym środowisku istnieje wiele sposobów chłodzenia. Prawdopodobnie najłatwiejszą, najprostszą i najwyższą wydajnością w tym środowisku, pod warunkiem, że dostępna jest wystarczająca moc, jest standardowy klimatyzator lub lodówka „cyklu Rankine'a”, ALE z typem czynnika chłodniczego i ciśnieniami / napełnieniem zaprojektowanymi przez eksperta od klimatyzacji. Chociaż w standardowych jednostkach z półki raczej nie ma czynników optymalnych dla Thot = Ta = 45 ° C, jest całkiem prawdopodobne, że wymagałoby to niewiele więcej niż uzupełnienie bardziej odpowiednim czynnikiem chłodniczym. Jest to tak atrakcyjna opcja, że ​​rozmowa z ekspertem HVAC powinna być jednym z pierwszych działań. Zobacz [1] na końcu, aby poznać niektóre prawdopodobne punkty wyjścia.

Chłodnica Stirlinga:

Wysokowydajny sprzęt do cyklu Stirlinga. Kilku dostawców. Sunpower i in.

Chłodziarka campingowa Coleman Stirling może bezpośrednio zaspokoić Twoje potrzeby. NIE mylić z tańszymi chłodnicami typu Peltiera. Mogę podać odniesienia do producentów tego i podobnego sprzętu do cyklu Stirlinga.

Peltier:

Jak na elektryczne chłodne kosze, ALE zrobione poprawnie. Urządzenia Peltiera mogą działać całkowicie odpowiednio w opisywanym środowisku. Upuszczenie 10C jest łatwe, a 20C plus jest wykonalne. Potrzebuje odpowiedniego projektu. Niestandardowe rozwiązanie może być najlepsze.

Potrzebuje niewiele więcej niż odpowiednich radiatorów, znacznego przepływu powietrza Ta, niższego przepływu Tl, urządzeń Peltiera + mocy. Dostępne są chłodnice Peltiera o mocy wejściowej 50–100 W. Każdy z nich może ochłodzić być może 5–10 W obciążenia sprzętu w tym środowisku. TBD z założenia. Wiele modułów Peltiera służy do zaspokojenia potrzeb.

Wyparowująca Chłodnica parowa z użyciem wody („Swamp cooler”) MOŻE wystarczyć, a jedna z innymi płynami będzie w stanie to zrobić. To podejście zbliża się do klimatyzatora, jeśli jest właściwie wykonane w tym kontekście.

Więcej w razie potrzeby ...

[1] Prawdopodobnie przydatne witryny z czynnikami chłodniczymi:

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

20 czynników chłodniczych na sprzedaż! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

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

Urządzenia termoelektryczne (lub chłodnice termoelektryczne, znane również jako TEC, znane również jako elementy Peltiera) pompują ciepło z jednej strony urządzenia na drugą, często zdolne do wytworzenia różnic temperatur między obiema stronami do 60 ° C. Jeśli pozwolisz im ostygnąć z jednej strony do 30 ° C, druga strona będzie znacznie cieplejsza niż temperatura otoczenia 45 ° C, więc będzie mogła odprowadzać ciepło do otoczenia. Wymuszone chłodzenie (wentylator) może poprawić wydajność.

Będziesz musiał zbudować coś w rodzaju (mini) lodówki, z TEC między radiatorami wewnątrz i na zewnątrz pudełka, odpowiednio. Rozmiar i zużycie energii TEC będą zależeć od ilości energii, którą muszą wyprzeć.

Masz w zasadzie trzy „narzędzia” do użycia:

1.) Obniż opór cieplny od źródła ciepła do otoczenia;

2.) Obniż wytwarzane ciepło;

3.) Niższa temperatura „otoczenia”;

Temperatura elektroniki = Te

Temperatura otoczenia = Ta

Wytworzone ciepło = P; zazwyczaj podawane w watach (W).

Odporność termiczna od Te do Ta wynosi R; zwykle podawane w (stopniach C) / W.

Te = Ta + PR. Innym sposobem pisania jest: Te-Ta = Delta T = PR

Masz dopuszczalną wartość Te, którą musisz utrzymać. Powiedzmy (dla celów dyskusji), że jest to 80C (176F). Twoja Ta ma 45 ° C. Oznacza to, że delta T wynosi 80 ° C - 45 ° C = 35 ° C. ~ JEŚLI ~ miałeś ładne, wygodne biuro, Ta wynosiłaby 25 ° C, a twoja delta T wynosiłaby 80 ° C - 25 ° C = 55 ° C.

W biurze delta T = PR = 55. W gorącej kopalni delta T = PR = 35.

Widzisz, gorąca kopalnia tylko utrudnia (nie jest niemożliwa) chłodzenie twojej elektroniki. Oznacza to, że musisz zrobić R dla scenariusza gorącej kopalni około 2/3 tego, co byłoby dla chłodnego biura. możesz to zrobić, zwiększając przewodność cieplną i / lub przepływ powietrza.

Nie to, co bym zrobił, ale można również obniżyć „temperaturę otoczenia” w szafce za pomocą agregatu chłodniczego. Tak, zadziała, jeśli uda ci się zdobyć moc. Nie musi utrzymywać zimnego piwa: obniżenie temperatury otoczenia z 45 ° C do 20 ° C powinno wystarczyć do powstrzymania laptopa od smażenia.

Możesz także zmniejszyć P, ostrożnie kupując laptopa i / lub podkręcając go. Jeśli wykonujesz rejestrację danych, prawdopodobnie nie potrzebujesz czterordzeniowego procesora o najwyższej wydajności z procesorem graficznym, który umożliwia odtwarzanie najnowszych gier wideo FPS. Kupuj z niską mocą.