Управление тепловым режимом: новые решения для новых задач

Управление тепловым режимом: новые решения для новых задач

Выпуск 12 (6711) от 25 июня 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

По мере усложнения и увеличения быстродействия таких систем, как серверы, переключатели и маршрутизаторы, требования к их потребляемой мощности также значительно ужесточаются. Более высокая потребляемая мощность означает более высокие рабочие температуры. В традиционных решениях по управлению тепловым режимом для отвода тепла от критических областей компонентов используются радиаторы или термопрокладки, но они могут быть недостаточно надежным. Соответственно, при повышении температур, генерируемых оборудованием центров обработки данных, требуются новые решения, способные их выдерживать.

Обновления архитектур центров обработки данных (ЦОД) обычно приводят к их усложнению. При этом при сохранении существующих габаритов объем обрабатываемых данных удваивается или утраивается, что приводит к большему нагреву компонентов и внутренней части систем ЦОД. При повышенных температурах компоненты изнашиваются быстрее, в силу чего требуется более эффективное охлаждение систем. Поскольку плотность расположения компонентов во внутренней части системы увеличивается, пространство для рассеивания тепла уменьшается.


Традиционные решения

Как правило, для управления тепловым режимом и охлаждением компонентов используются три типа решений. Один из вариантов – ​использование прямого металлического контакта с теплоотводом (радиатором), т. е. металлического переходника между прибором и радиатором. Применение этого метода связано с принудительным воздушным охлаждением, что становится все более проблематичным по мере увеличения выделяемого тепла и уменьшения пространства между прибором и теплоотводом.

Другой вариант – ​это термоэластичные межфазные материалы (thermoelastic interface materials, TIM), или термопрокладки. Это губчатые прорезиненные материалы, действующие как теплопровод между горячим модулем и охлаждающей плитой. С точки зрения контакта с модулем и отвода тепла от него в радиатор, TIM – ​за счет эластичности – ​могут работать лучше, чем некоторые непосредственные металлические переходники.

Одна из проблем, возникающих при использовании TIM, заключается в их отвердевании через некоторое время и, соответственно, ухудшении рабочих характеристик. Кроме того, для TIM может потребоваться высокий уровень сжатия, чтобы получить требуемую для некоторых потребителей производительность теплопередачи. Это более сложная конструкция, и поскольку эластичность TIM со временем ухудшается, термопрокладки необходимо периодически заменять.

Наконец, некоторые разработчики используют верхний теплоотвод, связанный с термопрокладкой. При таком подходе в первую очередь рассматривается совместимость компонентов под радиатором, а термопрокладка облегчает теплопередачу между отдельными компонентами и радиатором. Это решение может иметь те же недостатки, что и использование только TIM.

Новая технология управления тепловым режимом

Специалисты компании TE Connectivity (Шаффхаузен, Швейцария) разработали новое решение для управления тепловым режимом, в котором используются преимущества термопрокладок и преодолеваются их недостатки путем создания металлической, механической версии термопрокладки. В конструкции используется материал на основе меди, который устойчив к сжатию и поэтому не требует замены, а кроме того, обеспечивает высокие значения нагревостойкости и теплопередачи. Также его использование обычно не требует средств сжатия для обеспечения хорошего контакта с оптическим модулем (рис. 1).



Источник: TE Connectivity

Рисунок 1. Новое теплоотводное решение на основе меди (тепловой мост), увеличивающее нагревостойкость и термоперенос



Источник: TE Connectivity

Рисунок 2. Сопоставление традиционного теплообменного решения (а) и теплового моста (б)


Этот тип решения хорошо подходит для конструкций с ограниченным потоком воздуха или вообще без него, а также при использовании стационарных теплоотводов, таких как радиаторы с групповым или жидкостным охлаждением.

Такое устройство позволяет, в частности, снизить общую сложность линейной карты26. Это связано с тем, что в предполагаемых случаях использования тепловой мост не требует дополнительных средств сжатия вокруг термопрокладки, как это обычно требуется. Устройство состоит из нескольких пластин, интегрированных с пружинами, что дает возможность регулировать расстояние между теплообменным устройством и оптическим модулем.

В целом из-за более эффективного отведения тепла тепловые характеристики нового решения превосходят параметры большинства термопрокладок или металлических радиаторов. Рабочий ход теплообменника составляет один миллиметр, благодаря чему можно установить более тесный контакт с оптическими модулями. По сравнению с традиционными решениями новая технология теплопередачи может предложить в два раза более высокую нагревостойкость (рис. 2).

Таким образом, основные преимущества технологии теплоотвода с помощью теплового моста заключаются в следующем:

почти нулевом зазоре в конструкции для оптимального сжатия и теплопередачи;

оптимизации для применений с использованием охлаждающих пластин с жидкостным охлаждением или тепловыми трубками, групповых радиаторов или приложений с прямой проводимостью практически без воздушного потока;

стабильных, длительных тепловых характеристиках при эластичной конструкции сжатия, устойчивой к отвердению и релаксации по прошествии длительного времени;

низком и постоянном значении сжатия между охлаждающей пластиной и разъемом ввода–вывода.

повышенной долговечности по сравнению с большинством традиционных технологий, что снижает необходимость замены компонентов в период обслуживания.


Galbraith Zachary. Thermal Management: New Solutions for New Challenges. Electronic Design, May 22, 2020: https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/article/21132211/thermal-management-new-solutions-for-new-challenges/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ