ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6295| Title: | Енергоефективні методи охолодження електронних компонентів |
| Authors: | Рудаков, Костянтин Сергійович Кравченко, Кирило Олександрович |
| Issue Date: | Jun-2025 |
| Abstract: | У роботі було проведено всебічне дослідження енергоефективних методів охолодження електронних компонентів, що становить особливо актуальну тематику в умовах сучасного розвитку електроніки, де підвищення тепловиділення стає критичним чинником, який впливає на надійність, продуктивність і довговічність електронних пристроїв. В межах роботи було системно досліджено фізичні процеси теплопередачі, проаналізовано сучасні технології охолодження, виконано чисельне моделювання теплових процесів та здійснено порівняльну оцінку ефективності різних систем охолодження. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6295 |
| Appears in Collections: | 123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_123_2025_Кравченко.pdf Restricted Access | 1.5 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» на тему: ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІ МЕТОДИ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КОМПНЕНТІВ Виконав студент 4 курсу групи СКС-2107 спеціальності 123 Комп’ютерна інженерія Кирило КРАВЧЕНКО (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Керівник Костянтин РУДАКОВ (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Рецензент (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Захист дозволяю: зав. кафедри, д.т.н., професор Валентина ЛУКАШЕНКО (підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Черкаси 2025 2 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Розвиток електроніки та інформаційних технологій супроводжується постійним підвищенням потужності промислових та побутових приладів. Недостатня ефективність тепловідведення призводить до підвищення робочих температур, що, у свою чергу, скорочує ресурс роботи електроніки, знижує швидкодію та збільшує ризик непередбачених відмов. У зв’язку з цим, пошук і впровадження енергоефективних методів охолодження є критично важливим для забезпечення стабільну роботу компонентів із мінімальним споживанням енергії, зокрема в портативних та вбудованих системах. Мета роботи. Метою дослідження є аналіз, порівняння та експериментальне оцінювання різних методів охолодження електронних компонентів з точки зору їх енергоефективності, а також вибір оптимальних рішень для різних класів пристроїв. Для досягнення мети були поставлені наступні завдання: • провести огляд методів охолодження електронних компонентів; • розробити критерії оцінки енергоефективності систем охолодження; • виконати розрахунки температурного режиму при використанні різних типів охолодження; • здійснити порівняльний аналіз охолодження на прикладах електронних компонентів з різною тепловою потужністю; • сформулювати практичні рекомендації щодо вибору охолодження з урахуванням енергоспоживання і теплового навантаження. Об’єкт дослідження. Методи охолодження електронних компонентів та їх енергоефективність залежно від типу та потужності. 3 Предмет дослідження. Енергоефективні методи охолодження електронних компонентів в електронних пристроях. Методи дослідження. У дослідженні застосовано аналітичні та експериментальні методи. Проведено аналіз літературних джерел і технічної документації, розраховано тепловий опір та енергоефективність для різних систем охолодження. Для експериментальної частини змодельовано температурні режими п’ятьох електронних компонентів із застосуванням чотирьох типів охолодження. Отримані результати подано у вигляді таблиць, графіків і висновків щодо доцільності застосування кожного методу. 4 ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ СВО – Система водяного охолодження. КС – Комп’ютерні системи ТІМ – Термоінтерфейсні матеріали CFM — Cubic Feet per Minute Одиниця вимірювання об’єму повітряного потоку. TEC — Термоелектричний система COP — Відношення корисної теплової потужності, яку система відводить, до затраченої електричної потужності. TDP — Максимальна кількість тепла, яке система охолодження повинна ефективно відводити від компонента. 5 ВСТУП Розвиток електроніки в останні роки, супроводжується постійним зростанням потужності та функціональних можливостей електронних приладів. Сучасні пристрої — від побутових гаджетів до високопродуктивних обчислювальних систем — стають дедалі компактнішими, продуктивнішими й енергоємнішими. Все це закономірно веде до збільшення тепловиділення в процесі їхньої експлуатації. Надлишкове тепло, що генерується активними електронними компонентами: процесорами, транзисторами, силовими модулями – потребує ефективного відведення для запобігання перегріванню, зниженню надійності, деградації параметрів чи навіть повного виходу з ладу. Підвищення теплового навантаження вимагає застосування ефективних систем терморегуляції, які забезпечують стабільну роботу пристроїв у різноманітних умовах експлуатації. Наразі охолодження електронних компонентів є одним з критично важливих аспектів проєктування будь-якої електронної системи, а в багатьох галузях — ключовим чинником, що визначає допустиму потужність, габарити, вартість та надійність кінцевого продукту. Найпоширенішими методами охолодження залишаються пасивні (тепловідвід через радіатори, теплові трубки, матеріали з високою теплопровідністю) та активні (використання вентиляторів, систем рідинного охолодження тощо). Проте зі зростанням необхідної потужності розсіювання електронних компонентів, ці традиційні методи дедалі частіше виявляються недостатніми або економічно неефективними. У цьому контексті надзвичайно актуальним стає пошук і впровадження енергоефективних методів охолодження, які б забезпечували необхідний рівень тепловідведення при мінімальних енергетичних, конструктивних та економічних витратах. Енергоефективність у цьому випадку означає не лише зниження споживання електроенергії системою охолодження, а й оптимальне 6 використання теплопровідних матеріалів, інженерних рішень та системного підходу до розподілу теплових потоків у межах електронного пристрою. У практиці проєктування електроніки часто спостерігається фрагментарний підхід до систем охолодження. Інженери зазвичай застосовують окремі технічні рішення без урахування всіх взаємозалежних факторів: типу компонентів, режимів їх роботи, розміщення на платі, зовнішніх умов, методів керування живленням тощо. Це ускладнює процес оптимізації системи охолодження в цілому, призводить до перевитрати ресурсів або, навпаки, до недостатньої ефективності охолодження. Виникає потреба у створенні моделі комплексного підходу до охолодження електронних компонентів, яка дозволить поєднувати знання про різні методи тепловідведення, аналітичні й емпіричні дані. Така модель повинна враховувати всі рівні теплового управління — від вибору елементної бази та компонентного розміщення до інтеграції в системи охолодження загального рівня. 7 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КОМПОНЕНТІВ 1.1. Проблема тепловиділення в сучасній електроніці Електронні системи постійно розвиваються, зростає обчислювальна потужність та одночасно зменшуються їхні розміри. Висока щільність монтажу компонентів та використання матеріалів з обмеженими теплопровідними властивостями призводять до значного підвищення температури під час експлуатації електронних пристроїв. У разі відсутності ефективної системи тепловідведення відбувається перегрів компонентів, що може призвести до погіршення їхніх характеристик, втрати функціональності або навіть до повного виходу з ладу. Перегрів не лише впливає на надійність і довговічність пристроїв, а й становить потенційну загрозу для користувача та оточення. Поширеними наслідками перегріву електронних компонентів є: 1. Деградація або руйнування напівпровідникових структур; 2. Втрата ємності або пробивання діелектрика в конденсаторах; 3. Механічні пошкодження; 4. Зменшення терміну служби електронних компонентів; 5. Порушення стабільності роботи; Тому охолодження є важливим елементом у сучасних електронних систем. Також важливим критерієм є енергоефективність, оскільки деякі системи охолодження також споживають енергію та впливають на загальне енергоспоживання, що має важливе значення для електроніки де зниження споживання енергії впливає на грошові витрати, надійність систем та час роботи. 1.2. Основні механізми передачі тепла Передача тепла в електронних системах базуються на трьох фізичних механізмах: теплопровідність, конвекції та теплове випромінювання. Ці 8 механізми є фундаментальними у фізиці теплообміну та широко застосовуються при розробці систем охолодження. Теплопровідність — це процес передачі тепла всередині твердих тіл або між ними за рахунок коливальнь атомів і молекул. Тепло передається від більш нагрітих частинок до холодніших без переміщення самих частинок у просторі. Теплопровідність відіграє ключову роль у процесі відведення тепла від активних елементів до радіаторів або тепловідвідних пластин. Найвищу теплопровідність мають метали, такі як мідь і алюміній, які найчастіше використовуються як тепловідводи. Теплопровідність описується законом Фур’є: �� = − д��е — потік тепла (Вт), — коефіцієнт теплопровідності матеріалу (Вт/м·К), — градієнт температури в напрямку передачі тепла (К/м). Конвекція — це передача тепла в рідинах і газах за рахунок переміщення мас частинок теплоносія. Розрізняють природну та примусову конвекцію. У природній конвекції рух теплоносія викликаний різницею густини, що виникає внаслідок нерівномірного нагрівання, а в примусовій конвекції забезпечується вентиляторами, насосами або іншими пристроями, які створюють рух теплоносія. Конвекція широко використовується в системах охолодження електроніки: від радіаторів з природним охолодженням до складних активних систем з вентиляторним обдувом або рідинним охолодженням. 9 Закон Ньютона для конвекц=ії ℎфо(рму−люєт)ься так: ∞ де ℎ — потужність тепловіддачі (Вт), — коефіцієнт тепловіддачі конвекції (Вт/м²·К), — площа поверхні теплообміну (м²), — температура поверхні (К), ∞ — температура навколишнього середовища (К). Теплове випромінювання — це передача теплової енергії у вигляді електромагнітних хвиль, яка відбувається в результаті теплового збудження атомів. Випромінювання може відбуватися у вакуумі, що робить цей механізм єдино можливим способом теплопередачі в умовах, де відсутнє середовище для перенесення тепла. Інтенсивність теплового випромінювання зростає зі збільшенням температури та залежить від емісивністі поверхонь: матові та темні поверхні мають вищу здатність до випромінювання тепла порівняно з гладкими й блискучими. Хоча внесок теплового випромінювання невеликий, в умовах високих температур або у вакуу=мних с(исте−мах й) ого значення стає суттєвим. 4 ∞4 де — потужність тепловіддачі (Вт), — емісивність поверхні від 0 до 1, — стала Стефана– Больцмана (5,67 × 10⁻⁸ Вт/м² · К⁴), 10 Т — площа поверхні теплообміну (м²), Т — абсолютна температура поверхні (К), ∞ — абсолютна температура поверхні навколишнього середовища (К). Складний теплообмін — це передача теплової енергії кількома механізмами. Наприклад, при передачі тепла через корпус електронного пристрою спочатку відбувається конвекція від гарячого повітря до стінки, далі тепло проходить крізь матеріал стінки шляхом теплопровідності, а потім передається у зовнішнє середовище за рахунок конвекції та теплового випромінювання. 1.3 Тепловий діапазон експлуатації компнентів електронних схем Дотримання чітко визначеного температурного режиму експлуатації є надзвичайно важливим як для забезпечення стабільності роботи окремих компонентів, так і для гарантування загальної надійності пристрою. Для глибшого розуміння цього питання доцільно розглянути низку ключових аспектів, що визначають потребу в підтримці деталей у конкретно визначеному температурному діапазоні. Усі електронні компоненти можна умовно поділити на дві великі групи: сильнопотужні та слабопотужні прилади. У першій категорії — силові транзистори, силові діоди, процесори, де втрата електричної потужності може досягати десятків або навіть сотень ват. У другій — малопотужні логічні елементи, компактні сенсори, мікроконтролери та інші інтегральні схеми, в яких тепловиділення обмежується одиницями або частинами ватта. Саме масштаби тепловиділення визначають ступінь критичності температурного контролю: у сильнопотужних елементів невірна температура може швидко 11 призвести до термічного руйнування, тоді як у слабопотужних вона позначається, радше, на дрейфі параметрів і деградації ресурсів. Електричні параметри кристалів, з яких виготовлені інтегральні схеми, залежать від трьох взаємопов’язаних температурних чинників: температури власного нагрівання під час роботи, температури корпусу та розташованого поруч теплообмінника(напр. радіатора), а також температури навколишнього середовища. Температура самої кремнієвої пластини визначає швидкість руху носіїв заряду, ширину забороненої зони та, як наслідок, поріг спрацьовування напівпровідникових переходів. Температура корпусу впливає на тепловідведення із кристала через термодинамічний опір між кристалом і зовнішнім охолоджувачем. Зовнішня температура навколишнього середовища задає граничні умови відводу тепла в атмосферу або пасивний теплообмінник системи охолодження. У процесі функціонування електронного елементу значна частина поданої через нього електричної потужності перетворюється на теплоту внаслідок джоулевого нагрівання. Інтенсивність цього тепловиділення прямо залежить від струму навантаження і величини напруги, що прикладена до приладу. Зі збільшенням тепловиділення зростає температура кристала, що неминуче призводить до зниження максимальної допустимої потужності розсіювання, зміни робочого струму та напруги відкриття. Основними параметрами є (максимальна) потужність розсіювання, яку здатен витримати компонент за номінальних умов охолодження, та коефіцієнт зниження потужності розсіювання при підвищенні температури. Ці значення мають важливе значення при проєктуванні систем охолодження оскільки дозволяють розрахувати максимально допустиме теплове навантаження за конкретних умов. 12 2 ОГЛЯД МЕТОДІВ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КОМПОНЕНТІВ Методи охолодження класифікуюця за механізмами тепло передачі. Пасивне охолодження здійснюєтся за рахунок природніх механізмів, а активне охолодження за длпомогою примусового руху теплоносія або електричним підсиленням. 2.1 Пасивне охолодження Пасивне охолодження використовує природні фізичні процеси, такі як теплопровідность, теплове випромінювання та природня конвекція без застосування додаткових джерел енергії або рухомих частин. Це дозволяє здійснювати охолодження без використання енергії, підвищити надійність системи та зменшити рівень шуму. Основними засобами пасивного охолодження є радіатори, сстеми з фазозмінними матеріалами, а також пасивні системи рідиного охолодження, такі як термосифони або системи повного занурення в діелектричну рідину. У сучасних умовах також активно досліджуються нові матеріали з високою теплопровідністю, зокрема нанокомпозити та графенові структури, які значно підвищують ефективність пасивного охолодження. 2.1.1 Пасивне повітряне охолодження Радіатори найпоширеніший тип теплообмінного обладнання, що використовується в системах пасивного охолодження електронних компонентів. Їх головна функція збільшення площі теплообміну поверхні джерела до навколишнього середовища. Теплообмін відбуваєтся за рахунок теплопровідності між джерелем та поверхнею радіатора, а розсівання тепла в навколишне середовище за рахунок природної конвекції та теплового випромінювання. 13 Матеріал, з якого виготовлено радіатор впливає на ефективність тепловідведення, масу конструкції, вартість виробу та його стійкість до зовнішніх чинників. Основними вимогами до матеріалу є теплопровідність та щільність. Не менш важливими є й механічні, технологічні та економічні характеристики. Матеріал Теплопровідність, Щільність, Вт/(м·К) г/см³ Переваги Недоліки Мідь Висока Висока вартість, 390 8.96 ефективність окислюєтся Стійкий до Алюміній Нижча 237 2.70 корозії, дешевий теплопровідність Графіт Легкий, 400 2.0 гнучкий Крихкий Зазвичай радіатори виготовляються з алюмінію або міді, але з подальшим розвитком з’явилися нові, більш ефективні матеріали такі як високотеплопровідні нанокомпозити. Це матеріали, у яких до базової металевої матриці вводяться нанорозмірні наповнювачі з винятковими теплопровідними властивостями. Їх застосування дозволяє суттєво покращити характеристики звичайних радіаторів. Тип Теплопровідність, нанокомпозиту Склад Вт/(м·К) Переваги Недоліки Висока Графеновмісні Алюмінієва Легкий, вартість, матриця + підвищена складність композити 310 5% графен теплопровідність, рівномірного хороша механіка введення графену Нижча Композити з Алюміній + Електроізоляція, провідність, нітридом бору 230 легкість ніж у 8% BN графенових матеріалів Висока Композити з Покращена Алюміній + теплопровідність, вартість, вуглецевими 280 нанотрубками 6% CNT міцність, агломерація зносостійкість CNT, складне виготовлення 14 На площу поверхні теплообміну впливає конфігурація ребер яка включає конструкцію ребер, геометричні параметри, структуру, організацію та орієнтацію ребер. Поширеними типами конструкції ребер є пластинчаті та штивтові. Пластинчасті ребра — це тонкі вертикальні пластини розташовані паралельно. Які забезпечують велику площу тепло обміну при простій конструкції та утворюють паралельні канали для повітря. Штифтові ребра — це стержні зазвичай циліндричні або прямокутні, розташовані в лінійному або шаховому порядку. Забезпечують кращу турбулізацію потоку та стабільніший теплообмін у всіх напрямках. Геометричні параметри радіатора такі як товщина, висота та відстань між ребрами також впливають на розміри конструкції її вагу та міцність. 15 Структура ребер повязанна з організацією поверхні тепло обміника, яка визначає, яким чином теплоносій взаємодіє з поверхнею. Вона впливає на інтенсивність теплообміну та гідродинамічний опір. Окрім класичних гладких ребер використовують різноманітні структуровані поверхні, які підвищують ефективність тепловідведення. Гладкі поверхні є стандартом у простих конструкціях. Вони мають низький опір потоку та прості у виготовленні, однак менш ефективні у руйнуванні прикордонного шару повітря, що знижує коефіцієнт теплопередачі. Мікрожорсткі структури з мікровиступами або рельєфом, які сприяють руйнуванню прикордонного шару повітря покращуючи турбулізацію потоку та збільшеню поверхні теплообміну. Що може підвищити коефіцієнт тепловіддачі до 15 % без збільшення габаритів радіатора. Пориста структура дозволяє досягти значного збільшення поверхні теплообміну на одиницю об'єму. Така структура здатна забезпечити інтенсивний теплообмін при мінімальному русі повітря та малій вазі. Перфорація це наскрізні отвори або прорізи для проходження повітря. Вона знижує масу конструкції, сприяє вентиляції та покращує охолодження, особливо в умовах природної конвекції. Також дозволяє створити локальні турбулентні зони які підвищують коефіцієнт теплопередачі. Важливою для ефективного теплообміну є організація і орієнтація ребер у радіаторах. При лінійному розташуванні ребер — коли вони вирівняні рядами в одному напрямку — повітря проходить крізь канали з мінімальним опором, що добре підходить для примусової конвекції з потужним обдувом. Натомість шахове розташування створює численні турбулентні зони й руйнує прикордонний шар повітря, завдяки чому за низьких швидкостей потоку досягається кращий теплообмін. Радіальне та кільцеве розташування. Ребра розходяться від центру до краю або розташовуються кільцями, що допомагає рівномірно розсіювати тепло з елементів циліндричної форми. Радіальні радіатори особливо 16 ефективні там, де необхідно розподілити тепловий потік на всі боки від джерела, а кільцеві ребра сприяють більш рівномірного охолодженню по всій поверхні. Кут нахилу та орієнтація ребер, дозволяє покращити ефективність конаекції. При природній конвекції вертикальне розташування ребер є ефективнішим, так як горезонтальне розміщення заважає підйому гарячого повітря вгору. Проте у пристроях з примусовою конвекцією нахилені на 15– 30° ребра знижують аеродинамічний опір і збільшують коефіцієнт тепловіддачі. У складних конструкціях комбінують пряму й вигнуту геометрію ребер або мінливий кут нахилу, щоб адаптувати радіатор до особливостей внутрішнього потоку й габаритних обмежень корпусу. Для більшої ефективності при меншій вартості деякі матеріали комбінують наприклад основу роблять з міді а ребра з алюмінію що дозволяє зменшити тепловий опір до 40%. Нанісши покриття на радіатор ми не лише захистимо метал від зовнішніх чиників, але й за допомогою певних технологій покриття ми збільшимо їх кофіцієнт випромінення. Основні технології та їхній вплив на тепловідведення: Анодне оксидування алюмінію формує пористий шар Al₂O₃, який підвищує емісивність поверхні. Після чорного анодування коефіцієнт випромінювання алюмінієвого радіатора виростає з 0,14 до 0,92, а загальний тепловий опір знижується на 15 % . Така обробка також підвищує корозійну стійкість і зменшує механічний знос ребер. Нанесення спеціальних чорних або темно сірих матових фарб із високою емісивністю простіше та дешевше рішення з анодуванням, яке дозволяє досягти коефіцієнта випромінювання близько 0,85–0,90. Правильно підібране порошкове фарбування знижує тепловий опір радіатора до 10 % порівняно з нефарбованою поверхнею . Також рекомендує застосовувати покриття з алмазоподібного вуглецю (Diamond-Like Carbon) або керамічні оксиди для елементів з високими 17 температурними навантаженнями. Це збільшить вартість виготовлення, але забезпечить емісивність понад 0,95 та надійний захист у агресивних середовищах. 2.1.2 Пасивне рідинне охолодження Пасивні рідинні системи охолодження використовують властивості рідини для передачі тепла без застосування насосів чи вентиляторів. Рух рідини забезпечується завдяки гравітації, капілярним силам або природній конвекції. Занурення в діелектричні рідини є одним з способів пасивного охолодження електронних компонентів, при якому електроніка повністю або частково занурюєтся у спеціальні рідини, що мають високу теплопровідність та діелектричні властивості, існує два типи охолодження однофазне охолодження та двофазне охолодження. При однофазному охолодженні рідина поглинає тепло від компонентів і передає його через конвекцію та теплопровідність, не змінюючи агрегатного стану. Такий режим типово використовується з мінеральною оливою, силіконовими рідинами тощо. У методі двофазного охолодження тепло від електронних компонентів призводить до випаровування охолоджувальної рідини та подальшої конденсації забезпечуючи значно ефективніше тепловідведення порівняно з однофазними системами. Назва рідини Тип Температура Теплопровідність, охолодження кипіння, °C Вт/м·К Опис Флуоровані Fluorinert (3M) Двофазне 30–170 0.06–0.08 електроізоляційні рідини Фторвмісні охолоджуючі Novec (3M) Двофазне ~61 0.07 рідини з низьким впливом на довкілля Мінеральна Mineral Oil Однофазне - 0.12–0.15 ізоляційна олива Силіконова рідина Silicone Oil Однофазне - 0.13 (термостійка ізоляційна рідина) 18 Перфторполіефіри PFPE Двофазне 55–270 0.07 – хімічно інертні (Perfluoropolyether) рідини До переваг цього методу належить, висока ефективність охолодження. Через безпосередній контакт рідини з усією площою поверхні що виділяє тепло, завдяки чому забезпечується рівномірне й інтенсивне тепловідведення. Також такий підхід є повністю пасивним, оскільки не потребує застосування насосів або вентиляторів, що дозволяє досягти максимальної енерго єфективності та підвищити надійність системи. Додатковою перевагою є захист компонентів від пилу, вологи та корозії, оскільки рідина утворює замкнене середовище, не даючи доступу шкідливим факторам зовнішнього середовища. Ще однією важливою перевагою є повна безшумність роботи, що досягається завдяки відсутності механічних елементів охолодження. Водночас, цей метод має суттєві недоліки такі як висока вартість діелектричних рідин, які застосовуються у таких системах, зокрема тих що використовуются в двофазному методіі та інші спеціалізовані теплоносії. Також важливою є необхідність герметизації корпусу, оскільки витоки рідини або її пари можуть призвести до втрати ефективності чи пошкодження електроніки. Конструкції з повним зануренням можуть ускладнювати обслуговування та ремонт електронних компонентів, що знаходяться під шаром рідини, особливо у випадках, коли потрібен швидкий доступ до внутрішніх елементів системи. Також прикладом пасивного рідиного охолодження є теплові трубки, які використовують явище капілярного транспортного кола із фазовою зміною робочої рідини. Їхня роль у пасивному охолодженні електроніки полягає в швидкому перенесенні тепла з гарячої точки до місця передачі яке може бути сполучене з радіатором. 19 Складаються теплові трубки з герметично закупореної металевої трубки, внутрішню поверхню якої покрито капілярною структурою. Усередині трубки знаходиться робоча рідина при низькому тиску. У випаровувальній зоні тепло, отримане від компоненту, викликає випаровування рідини. Пар переміщується до конденсаційної зони, де віддає тепло і знову конденсується. Капілярний ефект повертає конденсат до випаровувальної ділянки, відновлюючи цикл. Існує багато типів теплових трубок. Вибір типу теплової трубки залежить від габаритів системи, необхідного теплового потоку, орієнтації пристрою та температурного діапазону експлуатації. Основні типи теплових трубок, кожен із яких підходить під певні умови та застосування: 1. Класичні циліндричні теплові трубки Герметичні металеві трубки з капілярною структурою та робочою рідиною. Використовуються практично у всіх настільних і портативних системах для відведення теплового потоку. 2. Ультратонкі плоскі теплові трубки 20 Модифікація класичних трубок у формі тонких стрічок товщина стінки яких <0,5 мм, що дозволяє вбудовувати їх у надкомпактні пристрої. Вони зберігають продуктивність при своїх малих розмірах. 3. Пульсуючі теплові трубки Система без чіткої внутрішньої капілярної структури у якій теплоносій переходить у пульсуючий режим руху пари й рідини. Випаровувальна зона випаровує частину робочої рідини, яка тисне на рідину, штовхаючи її до конденсаційної ділянки, де пара знову конденсується. Так формуєтся безперерний рух який постійно передає тепло створюючи високий коефіцієнт тепловіддачі. Використовують їх у системах охолодження високопродуктивних комп’ютерів, серверів і компактних електронних модулів, де важлива висока щільність відводу тепла й обмежений простір. 4. Паро-рідинні камери Це плоскі теплообмінники, у яких випаровувальна та конденсаційна зони розгорнуті у площині, забезпечуючи рівномірний розподіл тепла під великими площами їх застосовують в дата-центрах . 5. Кільцеві та петльові теплові трубки Використовують окремі випарювальні та конденсаційні блоки, з’єднані трубками з капілярною сіткою дозволяють відводити тепло на значні відстані та у складних орієнтаціях. Найпоширенішими матеріалами для корпусу трубки є мідь і алюміній. Мідні корпуси мають кращі теплопровідні властивості близько 390–400 Вт/(м·К) порівняно з алюмінієвими близько 230 Вт/(м·К), однак алюміній легший і дешевший, що робить його кращим вибором у масовому виробництві. Капілярна структура може бути виконана із мідної або латунної сітки, пористого металу, або керамічного матеріалу. Параметри структури такі як розмір пор та капілярна дія безпосередньо визначають здатність трубки роботи у вертикальному положенні або навіть проти напрямку гравітації. Пористість 21 і товщина гніта впливають також на тепловий опір — надто товстий гніт може затримувати повернення рідини. Також важливою є робоча рідина в середені трубки основною характеристикою якої є латентна теплота випаровування визначає кількість тепла яке рідина. Рідина Робоча Теплопровідність Латентна теплота температура °C Вт/(м·К) випаровування Мін. Макс. кДж/кг Вода 1 200 0,640 2410 Аміак -60 100 0,521 1372 Метанол -80 120 0,200 1168 Етанол -110 100 0,167 846 Ацетон -95 80 0,180 534 1.3.3 Термоінтерфейсні матеріали Термоінтерфейсні матеріали — це речовини або компоненти, які використовують для покращення теплопередачі між поверхнею електронного компонента і охолоджуючим елементом. Основна задача таких матеріалів — заповнити мікронерівності та мікрозазори, які утворюються між твердими тілами, щоб запобігти потрапляння повітря в ці зазори, тому що повітря є дуже поганим теплопровіднико. Вибір TIM є важливим етапом у проєктуванні систем охолодження електроніки. Правильний добір матеріалу та технології нанесення дозволяє значно знизити тепловий опір інтерфейсу, покращивши загальну ефективність тепловидалення та надійність пристроїв. 22 TIM можна поділити на кілька класів: 1. Полімери та полімерні нанокомпозити TIM на основі силіконових або епоксидних полімерів які доповнюються термопровідними наповнювачами для підвищення їх теплопровідності. Вони прості в нанесені та встановлені, мають високу пластичність, що дозволяє заповнювати навіть дуже дрібні нерівності. Їх головним недоліком є обмежена довговічність. 2. Металеві TIM Металеві TIM — це фольги, низькоплавкі сплави та рідкі метали які створюють напряму теплопровідний канал між теплонавантаженим компонентом і радіатором що дозволяє досягти високої тепло провідності та більшу стійкість до циклічних нагрівань. 3. Орієнтовані структуровані композити TIM з орієнтованими композитами які формують теплові канали уздовж напрямку віддачі тепла. Такі матеріали демонструють високу теплопровідність та дуже малий контактний опір, зберігаючи при цьому високу механічну гнучкість, але через свою структуру є дорогими в виготовлені складними в використані та чутливими до дефектів і нерівномірностей у структурі. Категорія Матеріал Переваги Полімерні пасти Al₂O₃ / SiC / h-BN Діелектрик, гнучкі Вуглецеві композити Графен / CNT Висока k, але провідні Металеві сплави In–Sn, Bi–Sn Низький контактний Rθ Орієнтовані Висока ефективність при тонких структури VAG / Aligned h-BN шарах 2.2 Активне охолодження На відміну від пасивних методів, активне охолодження передбачає використання додаткових джерел енергії для забезпечення примусового теплообміну. Мета таких систем підтримання стабільної температури електронних компонентів у режимах високого навантаження, де пасивного охолодження вже недостатньо. Це досягається за допомогою вентиляторів, насосів, елементів Пельтьє. 23 Активне охолодження дозволяє значно підвищити тепловідведення і адаптувати систему до змін теплового навантаження. Водночас такі системи мають вищу складність, споживання енергії та потенційну необхідність технічного обслуговування. Основні типи активного охолодження: повітряне, рідинне охолодження та термоелектричні системи, а також гібридні та інтелектуальні рішення, що поєднують кілька технологій для досягнення максимальної ефективності. 2.2.1 Активне повітряне охолодження Активне повітряне охолодження базується на примусовій конвекції: тепло відводиться від гарячих електронних компонентів за допомогою повітряного потоку, створеного вентиляторами або турбінами. Цей метод широко застосовується в персональних комп’ютерах, серверних стійках, телекомунікаційному та промисловому обладнанні завдяки простоті конструкції та невисокій вартості. Системі активного повітряного охолодження можуть включати в себе такі три основні елементи: 1. Вентилятор (один або кілька); 2. Радіатор з ребрами, що передає тепло від компонента; 24 3. Канал або система повітряного потоку для організації спрямованого обдування. Радіатори виготовляються з алюмінію або міді. Геометрія ребер підбирається так, щоб максимізувати площу теплообміну та мінімізувати опір потокуповітря. Сучасні рішення включають прямі ребра та вбудовані турбулізатори. Напрямні канали та кожухи рівномірно спрямовують потік повітря через область охолодження, що підвищує ефективність на 10–30 %. Аеродинамічна оптимізація лопатей та загальна конструкція вентилятора відіграють велику роль у продуктивності й енергоефективності систем повітряного охолодження. Вентилятори застосовюются декількох типів: 1. Осьові вентилятори: забезпечують потік повітря через лопасті уздовж осі обертання. Ефективні при невеликому опорі повітря. 2. Радіальні вентилятори (турбіни): повітря викидається перпендикулярно осі обертання, створює вищий тиск. 3. Гібридні: поєднують конструктивні переваги обох типів, використовуються у відеокартах і серверах. Оптимізовані для вузьких каналів повітряного охолодження Лопасті зазвичай тонкі із поступовою зміною кута атаки від кореня до кінчика, що дозволяє мінімізувати зріз повітряного потоку на краях і зменшити турбулентні втрати. Кут нахилу лопасті підбирають таким чином, щоб забезпечити оптимальний баланс між об’ємом потоку й необхідним тиском: чим більший кут, тим ефективніше переміщується повітря, але тим більше зростає енергоспоживання. Ще одним важливим чинником є кількість і довжина лопастей. Конфігурації з 5–7 лопатями створюють менший опір і працюють тихіше на високих обертах, тоді як 9–11 лопатей дозволяють досягти вищого статичного 25 тиску, корисного при обдуві щільно оребрених радіаторів, але водночас генерують більше шуму та споживають більше енергії. Довжина лопаті також важлива: оскільки лінійна швидкість на периферії вища, подовжені лопаті збільшують повітряний потік, проте збільшують рівень шуму. Лопасті мають закруглений край, що знижує вихрові потоки й шум, а додавання невеликого клиноподібного зрізу може ще більше зменшити завихрення та підвищити статичний тиск. Вибір матеріалів впливає на жорсткість і довговічність, лопаті з ABS або поліпропілену легкі та недорогі, але при високих температурах можуть деформуватися, тоді як армовані композитні полімери або металеві рамки забезпечують стійкість до вібрацій і температурних стресів. Не менш важливим є співвідношення діаметра центрального диска вентилятора до загального діаметра, більший підвищує жорсткість конструкції, але зменшує корисну площу лопатей і, відповідно, CFM. Бюджетні моделі зазвичай обладнані підшипниками ковзання, які мають просту конструкцію та низьку вартість. Проте з часом такі вентилятори втрачають плавність обертання, можуть видавати сторонні звуки та швидше зношуються, особливо при горизонтальному монтажі. Значно кращі результати демонструють вентилятори на кулькових підшипниках. Вони витриваліші, менш схильні до зносу та зберігають стабільну роботу в будь- якому положенні. Тип підшипника також відіграє роль у надійності та рівні шуму. Бюджетні моделі зазвичай обладнані підшипниками ковзання, які мають просту конструкцію та низьку вартість. Проте з часом такі вентилятори втрачають плавність обертання, можуть видавати сторонні звуки та швидше зношуються, особливо при горизонтальному монтажі. Значно кращі результати демонструють вентилятори на кулькових підшипниках. Вони 26 витриваліші, менш схильні до зносу та зберігають стабільну роботу в будь- якому положенні. Втулкові працюють тихіше, але мають менш тривалий ресурс; шарикопідшипники довговічніші, але можуть бути гучніші; гідродинамічні підшипники (FDB) поєднують переваги обох попередніх типів. Найкращий результат забезпечують вентилятори з гідродинамічними підшипниками — такими як FDB (Fluid Dynamic Bearing), SSO (Self-Stabilizing Oil-pressure), HDB та подібні. Завдяки рідинному мастилу, яке створює тонкий шар між рухомими частинами, ці вентилятори працюють надзвичайно тихо, мають мінімальні вібрації й значно довший термін служби. Саме вони використовуються у якісних системах охолодження, орієнтованих на безшумну або малошумну роботу. Також якісне статичне балансування лопатей мінімізує вібрації, що продовжує термін служби підшипників, а встановлення гумових демпферів або силіконових підвісок між корпусом вентилятора та радіатором ефективно знижує передавання вібрацій на корпус пристрою. Окрім оптимізації радіаторів і вибору ефективних вентиляторів, енергоефективність повітряного охолодження можна підвищити з допомогою. Динамічного керування швидкістю що знизить споживання до 50 % під час низьких навантажень, а індивідуальні графіки з відношеням швиткості до температури запобігають зайвим витратам енергії. Головними перевагами повітряного охолодження є простота монтажу й обслуговування, широкий вибір готових рішень і відносно низька вартість. Водночас його ефективність обмежена високим рівнем шуму, зменшенням продуктивності при засміченні пилом та неможливістю самостійно справлятися із відведенням тепла понад приблизно 300 W без додаткових інноваційних елементів. 27 Іноваційним методом активного повытряного охолодження що розвиваєтся є охолодження з використанням п’єзоелектричних охолоджувачів. П’єзоелектричні охолоджувачі — це інноваційні пристрої для активного повітряного охолодження, які замінюють традиційні вентилятори на тонкі п’єзоелектричні мембрани. Замість обертання лопатей вони створюють спрямований потік повітря за рахунок високочастотних вібрацій. П’єзоелемент під дією змінного електричного поля деформується й вібрує з високою частотою. Ці коливання передаються на тонку мембрану або лопасть, формуючи локальні зони стиснення й розрідження повітря. Створюючи потік повітря який відводить тепло від поверхні чіпа або радіатора. Коеф. Матеріал Позначення п’єзоелектричного Температура Переваги ефекту (d₃₁), пК/Н Кюрі, °C Цирконат- Високий титанат PZT 100–250 300–350 п’єзоелектричний свинцю коефіцієнт Титанат Безсвинцева барію BaTiO₃ 50–150 120–130 альтернатива, екологічніша Титанат- Широкий цирконат- PLZT 150–300 200–250 діапазон робочих барій (PLZT) температур Полімід + Гнучкість, п’єзоґратка PVDF 20–30 — тонкоплівкові (PVDF) застосування Факторами, що визначають ефективність п’єзоелектричних охолоджувачів, є резонансна частота самого п’єзоелемента — при точному налаштуванні на резонанс забезпечується максимальна амплітуда вібрацій, а отже й оптимальний об’єм створюваного повітряного потоку. Амплітуда коливань мембрани прямо корелює із силою потоку: чим більша амплітуда, тим інтенсивніше охолодження. Не менш важливою є геометрія вихідного сопла та напрямок: правильна форма отворів і каналів мінімізує втрати тиску й формує спрямований потік. Також великий вплив має розташування 28 п’єзоелемента відносно джерела тепла — найкращі результати досягаються, коли потік точно направлений на гарячу зону. Різниця температур між розігрітою поверхнею та навколишнім середовищем визначає, наскільки інтенсивно відбувається відведення тепла: більший градієнт сприяє швидшому переносу теплової енергії. До переваг цих систем належать дуже низький рівень шуму близько 25– 30 дБА , висока надійність завдяки мінімальній кількості механічних елементів, а також компактність і мала вага — тонкі модулі легко інтегруються в ультратонкі пристрої. Споживання електроенергії на рівні сотень міліватт забезпечує додаткову енергоефективність. Водночас вони мають свої недоліки, їхня теплова потужність обмежена, тому вони підходять переважно для пристроїв із помірним тепловиділенням. Досягти оптимальної роботи можна лише за умови точного налаштування резонансної частоти та амплітуди вібрацій, що ускладнює розробку модулів. Також вартість таких систем зазвичай вища, ніж у традиційних вентиляторів. 2.2.2 Активне рідинне охолодження з примусовою циркуляцією Активне рідинне охолодження — це високоефективний метод тепловідведення, який застосовується у випадках, коли повітряне охолодження не може забезпечити достатню продуктивність. Воно ґрунтується на здатності рідин ефективно поглинати і переносити тепло, завдяки високій теплопровідності, теплоємності, щільності та примусової циркуляції рідини. 29 У цій системі тепло від джерела спочатку передається в с теплообмінник, виготовлений з міді або мідно-нікелевого сплаву. Всередині водоблока розташовані мікроканали або турбулізуючі вставки, які максимально збільшують площу контакту між рідиною і нагрітою поверхнею, забезпечуючи тепловий опір на рівні 0,01–0,05 К/Вт. Після нагріву рідини її примусово переміщує в закритому контурі насос. У сучасних рішеннях найчастіше використовують магнітно-левітаційні центробіжні помпи: вони поєднують високу продуктивність з низьким рівнем шуму та нижчим споживанням менергії. Резервуар системи компенсує температурні зміни об’єму рідини й полегшує обслуговування, дозволяючи візуально контролювати рівень охолоджувача та своєчасно доливати рідину або інгібітори корозії. Нагріта рідина рухається далі до радіатора, де тепло передаєтся в навколишне середовище. Шланги та фітинги, виконані з армованих матеріалів, гарантують герметичність і довговічність контуру. Склад / В’язкіс Теплопровідні ть при Теплоємніс Рідина концентра сть, Вт/(м·К) 25 ° ть, Особливості ція C, мПа·с кДж/(кг·К) Висока Вода теплоємність, 100 % 0,598 0,89 4,18 низька в’язкість Вода + 30 % Захист від етиленглікол 70/30 % ~0,48 2,0 3,8 замерзання, ю антикорозія 30 Вода + 30 % Менше пропіленглік 70/30 % ~0,46 ~3,0 ~3,7 токсичний, олю більш в’язкий Вода + 0,5 Підвищена Al₂O₃ ₂ ₃ теплопровідні - % Al O нанофлюїд нано– 0,65 – 0,75 1,2 – 1,5 3,9 – 4,1 сть, частинки осадження можливе Висока CuO- Вода + 0,5 нанофлюїд 0,62 – теплопровідні 0,72 1,3 – 1,6 3,8 – 4,0 % CuO сть, вища корозійність Графеновий Вода + 0,1 Дуже висока нанофлюїд % графен 0,80 – 1,0 1,1 – 1,4 3,9 теплопровідні сть, дорожчий Підвищена CNT- нанофлюїд Вода + 0,2 міцність (вуглецеві 0,70 – 0,85 1,5 – 2,0 3,8 струменя, % CNT нанотрубки) складне змішування Для забільшення ефективності застосовують нанофлюїди — теплоносії, збагачені наночастинками Al₂O₃, CuO, SiO₂ або карбоновими нанотрубками. Навіть при малій концентрації вони підвищують теплопровідність рідини. Така добавка вимагає додаткових антикорозійних присадок і точного ультразвукового змішування, щоб уникнути випадання осаду, а також посилює гідравлічний опір, що варто враховувати при виборі насоса. Присадка Призначення Типова концентрація Приклади/коментарі Використовується в Антифриз суміші з водою; Етиленгліколь (запобігання 20–30 % обов’язково замерзанню) антикорозійні присадки Пропіленгліколь Антифриз, Частіше в медичному нетоксичний 20–30 % та харчовому обладнанні Створюють захисний Ортофосфати Інгібітор корозії шар на поверхнях, алюмінію 1–3 % сумісні з різними металами Силікати Інгібітор корозії – Застосовують у міді 0,5 2 % суміші з фосфатами 31 для комплексного захисту Бензотіазол Інгібітор корозії Особливо ефективний сталі 0,1–0,5 % у системах з нержавіючою сталлю Біоцид/фунгіцид Запобігає мікробному Ізотіазолінони (запобігає росту <0,1 % росту та біофільтрам грибків) у контурі Піна/пухирці Полімерні або Антиспін силіконові добавки, (запобігає 0,01–0,1 % утворенню піни) знижують ризик гідравлічних шумів Додаються в низькій Флуоресцентні барвники Локалізація витоків сліди (ppm) концентрації для швидкого виявлення пошкоджень Перевагами активного рідинного охолодження є можливість відведення сотень ватів на компактній площі і гнучкість розміщення елементів у корпусі. З іншого боку, такі системи складніші в монтажі та обслуговуванні, потребують герметизації й періодичної заміни рідини, а також несуть ризик витоків і додаткові витрати на антикорозійні присадки. Найпоширенішими комерційними варіантами є All-in-One рішення де всі компоненти інтегровані в один модуль для простої установки. Для ентузіастів існують кастомні системи з індивідуальним вибором насоса, радіатора, шлангів і фітингів, що забезпечують максимальну продуктивність у геймерських та професійних робочих станціях. 2.2.3 Термоелектричне охолодження Термоелектричне охолодження працює на ефекті Пельтьє, є перспективним напрямом у сфері точного температурного контролю електронних компонентів. Завдяки відсутності рухомих частин, компактним розмірам і можливості точного регулювання температури, такі системи знаходять широке застосування у високотехнологічних галузях: охолодженні лазерів, оптичних сенсорів, мобільної та медичної електроніки, а також у побутових пристроях. 32 Класичний термоелектричний модуль складається з багатьох пар p- та n- типу напівпровідників, зазвичай на основі бісмуту та телуридних сполук, які з’єднані електрично послідовно та термічно паралельно між двома керамічними пластинами. При подачі постійного струму через модуль один бік охолоджуються, а інший — нагрівається. Ефект Пельтьє дозволяє за допомогою електричної енергії забезпечити направлений тепловий потік. У термоелектричних модулях холодна і гаряча сторони формуються завдяки узгодженій роботі двох типів напівпровідників: N-тип на холодному боці електрони поглинають теплову енергію від охолоджуваної поверхні, після чого спрямовуються до гарячої сторони, переносячи з собою накопичене тепло. P-тип дірки створюють сприятливі умови для прийому електронів, коли ці дірки на гарячій стороні рекомбінують з електронами, накопичена теплова енергія передається до радіатора або іншого теплообмінника. Ефективність термо TEC залежить від комплексу матеріальних і конструктивних факторів, зокрема коефіцієнта теплопровідності, електропровідності, щільності струму та температурного градієнта між спаями. 33 Ключовим чинником ефективності TEC є ефективність термоелектричного матеріалу, виражена як ZT, яка залежить від теплопровідності, електропровідності та коефіцієнта Зеєбека. Вдосконалені суперґраткові структури з напівпровідникових матеріалів, дозволили підвищити ефективність до 25 % у порівнянні з класичними сплавами. Матеріал Тип Темп. носіїв діапазон, Коефіцієнт ZT (макс.) Переваги Недоліки °C Висока Bi₂Te₃ (бі та та p ефективність при Крихкість, - n- - телурид) тип 0-250 1.2 кімнатних токсичність температурах; телуриду поширений Працює при Токсичність PbTe (плюмбум p-тип 400-600 1.4 високих свинцю; телурид) температурах складність обробки Стійкість до Складна SiGe високих технологія (силіцій- n-тип 500-1000 1.0 температур; виробництва; германій) використовується дорога в космосі сировина Дуже високий Нестабільність SnSe при (селенід тип ZT; нові p- 300-800 2.0 олова) екологічні нагріванні; матеріали слабка механіка Гарна Не до кінця Skutterudites (CoSb₃ та n- та p- ефективність при стабільні; тип 400-800 1.5 ін.) середніх T; складні у перспективні виробництві Half-Heusler та p Висока Нижчий ZT n- - (ZrNiSn, тип 500-1000 1.0–1.2 стабільність, порівняно з HfNiSn) нетоксичні SnSe або PbTe Конструктивні фактори термоелектричного модуля не менш важливі, ніж матеріальні властивості, і серйозно впливають на його продуктивність. Ключову роль відіграє геометрія ніжок термопар: їхня довжина та переріз визначають баланс між тепловим та внутрішнім опором. Збільшення довжини ніжок зменшує небажаний поперечний перенос тепла, але підвищує електричний опір, тоді як збільшений переріз знижує опір, але водночас збільшує площу для небажаного прямого теплового потоку. 34 Кількість пар n- і p-типу безпосередньо пов’язана з максимальною холодопродуктивністю: чим їх більше, тим більше тепла модуль може перенести. Однак збільшення числа термопар веде до зростання габаритів, підвищення електричного опору та посилення теплового навантаження на гарячу сторону. Не менш важливим є й розташування ніжок у модулі: оптимальна відстань між ними забезпечує рівномірне розподілення струму та теплового потоку, що мінімізує втрати між сусідніми елементами. При цьому контактний термоінтерфейс — тонкі шари термопасти або металеві прокладки між напівпровідником і керамічною пластиною — має бути максимально щільним, щоб мінімізувати додатковий тепловий опір. Самі керамічні пластини повинні бути досить тонкими для зниження опору, але достатньо міцними для механічної жорсткості та електроізоляції. Внутрішні теплові бар’єри, які утворюють металеві перемички між термопарами, також повинні бути дуже тонкими та якісно припаяними, щоб звести контактний опір до мінімуму. Схема живлення та розводка струму повинні забезпечувати однаковий струм крізь кожну пару термопар — інакше окремі елементи можуть перегріватися або працювати менш ефективно. У сукупності всі ці конструктивні деталі, разом із вибором матеріалів, визначають, наскільки близько реальний модуль TEC може наблизитися до ідеального значення ZT і наскільки ефективно він зможе відводити тепло в умовах конкретного застосування. Термоелектричні охолоджувачі характеризуються компактністю та мінімальною товщиною, що дозволяє інтегрувати їх у тонкі корпуси портативних і вбудованих пристроїв. Оскільки в їхній конструкції немає рухомих частин, вони працюють абсолютно безшумно й відзначаються високою надійністю, позбавлені потреби в обслуговуванні механічних вузлів. Змінюючи величину вхідного струму, можна дуже точно підтримувати задану 35 температуру з роздільною здатністю до десятих часток градуса, а перемикання полярності живлення перетворює охолоджувач у нагрівач, що розширює можливості його застосування. Окрім того, термоелектричні модулі не містять фреонів чи компресорів, тому їх використання не супроводжується викидами шкідливих речовин і може вважатися екологічним. Швидкий відгук на зміну живлення робить їх особливо корисними в системах, де необхідна миттєва корекція температури. Водночас продуктивність термоелектричних систем обмежена низьким коефіцієнтом продуктивності: значна частина спожитої електроенергії перетворюється не в охолодження, а в теплові втрати. Щоб забезпечити різницю температур між холодною та гарячою стороною, гарячу сторону потрібно додатково охолоджувати за допомогою радіатора чи рідинного контуру. Через обмежену площу охолоджуваної поверхні та відносно невеликий тепловий потік термоелектричні охолоджувачі не підходять для великих навантажень. Їхня собівартість та ціна супутніх компонентів— радіаторів, контролерів і блоків живлення— вища, ніж у традиційних вентиляторів або рідинних систем. Крім того, ефективність модулів стрімко падає при великих температурних градієнтах, а поганий тепловий контакт або надмірне нагрівання гарячої сторони ще більше знижують їх продуктивність. 36 РОЗДІЛ 3. ПРАКТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КОМПОНЕНТІВ 3.1 Мета та завдання дослідження Метою даного практичного розділу є порівняльний аналіз ефективності різних систем охолодження електронних компонентів з урахуванням ключових параметрів: теплового опору, температури компоненту та енергоефективності. Завданням є побудова моделі оцінки ефективності на основі експериментальних даних та визначення найбільш доцільних рішень залежно від умов експлуатації. Для оцінки ефективності було проаналізовано чотири основні типи охолодження: 1. Пасивне охолодження; 2. Активне повітряне охолодження; 3. Активне повітряне охолодження з тепловими трубками; 4. Рідинне охолодження. Кожна система тестувалась в однакових умовах теплового навантаження з подальшим вимірюванням температури компоненту та розрахунком теплового опору й енергоефективності. 3.2 Формування математичної моделі оцінвання ефективності систем охолодження В ході практичного дослідження ефективності систем охолодження будуть застосовані формули: знаходження температури компоненту, розрахунку теплової провідності, вираження коефіцієнта продуктивності охолодження. 1. Формула визначення температури компоненту: 37 Tcomponent — кінцева температура електронного компоненту (°C); Tambient — температура навколишнього середовища (°C); Rₜₕ — тепловий опір системи охолодження (°C/Вт); P — потужність, що виділяється компонентом (Вт). Ця формула дозволяє розрахувати, наскільки підвищується температура компоненту над температурою середовища в залежності від його тепловиділення та здатності системи охолодження відводити тепло. 2. Розрахунок теплової провідності: ηthermal — теплова провідність системи [Вт/°C] Показує, скільки ват тепла відводиться при підвищенні температури на 1 °C. Чим менше значення ηthermal, тим вище ефективність. 3. Формула енергетичної ефективності системи охолодження: Формула визначає, скільки одиниць теплової потужності відводиться системою на 1 Вт витраченої електроенергії. На відміну від теплопровідності, цей параметр оцінює витратну ефективність, а не фізичну здатність до тепловідведення. Якщо розглядувана система не споживає енергії (пасивна), ефективність → ∞. 4. Вираження коефіцієнта продуктивності охолодження: 38 COP — Коефіцієнт продуктивності (Coefficient of Performance); Qcooling — Корисне теплове навантаження, що видаляється з охолоджуваного об'єкта (холодопродуктивність), [Вт]; Winput — Робоча потужність, споживана холодильною системою (енергія для компресора, вентиляторів, насосів), [Вт]. COP визначає, скільки одиниць теплової енергії видаляється з охолоджуваної зони на 1 одиницю витраченої електричної енергії. У наведеній таблиці зібрані основні математичні моделі, які використовуються для кількісної оцінки ефективності різних систем охолодження електронних компонентів. У першому стовпці вказано тип системи – від найпростіших пасивних повітряних радіаторів до комплексних рідинних AIO-модулів та термоелектричних охолоджувачів (Пельтьє). Другий стовпець демонструє універсальну формулу для розрахунку кінцевої температури компоненту, в якій до температури навколишнього 39 середовища додається добуток потужності тепловиділення на тепловий опір системи. Третій стовпець містить додаткові вирази для обчислення теплoї та енергоефективності кожної системи: у пасивних рішеннях – обернена величина до теплового опору або співвідношення потужності до різниці температур, в активних повітряних кулерах – співвідношення теплового навантаження до енергоспоживання вентилятора, у системах занурення в оливу – знову ж обернена величина теплового опору, а в рідинних AIO- модулях – відношення теплової потужності до сукупного споживання насоса й вентиляторів. Для термоелектричних схем з радіатором додатково наведена формула розрахунку температури холодної поверхні через максимально можливу різницю температур і силу струму, що дозволяє оцінити діапазон робочих параметрів Пельтьє-елемента. Такий комплексний підхід забезпечує об’єктивне порівняння методів відведення тепла та дозволяє обирати оптимальні рішення залежно від технічних й експлуатаційних вимог. 3.3 Аналіз теплових режимів силових та керуючих електронних компонентів Було роведено детальний аналіз теплових характеристик ключових електронних компонентів, що використовуються у складі розроблюваного пристрою. Особливу увагу приділено елементам, які працюють з високими струмами або споживають значну потужність, що обумовлює необхідність ретельного підбору систем охолодження для забезпечення їхньої надійної та довготривалої роботи. Для кожного з розглянутих компонентів наведено: базові електричні параметри; розрахунок тепловиділення на основі робочих умов; тип корпусу та його теплові характеристики; рекомендації щодо охолодження з урахуванням типу навантаження та умов експлуатації: LM317 (лінійний стабілізатор напруги) 40 Архітектура: Аналоговий регулятор Вхідна напруга: 12 В Вихідна напруга: 5 В Максимальний струм: 1.0 А Розрахунок тепловиділення: P = (U − U) × I = (12 В − 5 В) × 1.0 А = 7 Вт Тип корпусу: TO-220 Особливості охолодження: Пасивний алюмінієвий радіатор, прикручений до корпусу. Для покращення теплопередачі використовується термопаста. При навантаженні понад 1 А — бажано використовувати вентилятор або встановлення на загальний тепловідвід. IRF540N (силовий MOSFET) Архітектура: N-канальний MOSFET Drain-Source напруга (приклад): 12 В 41 Максимальний струм: 10 А Опір відкритого каналу: R 0.044 Ом Розрахунок тепловиділення: P = I² × R = (10 А)² × 0.044 Ом = 4.4 Вт Тип корпусу: TO-220 Особливості охолодження: При тепловиділенні до 5 Вт достатньо середнього пасивного радіатора. За тривалого навантаження застосовують вентилятори або теплопровідні пластини, змонтовані на шасі пристрою. Intel Core i5 (настільний CPU) Архітектура: x86 Напруга ядра: 1.1 В Максимальний струм: 60 А Розрахунок тепловиділення: P = 1.1 В × 60 А = 66 Вт (відповідає типовому TDP = 65 Вт) Тип корпусу: LGA 1200 (розмір кристалу ~10×10 мм) Особливості охолодження: Великий баштовий кулер з тепловими трубками або СВО (водяне охолодження). Контроль обертів через BIOS/UEFI. Використовується термопаста між кристалом і основою радіатора. NVIDIA GA104 (GPU, RTX 3070) 42 Архітектура: Ampere Напруга живлення: 12 В Максимальний струм: 18.3 А Розрахунок тепловиділення: P = 12 В × 18.3 А = 219.6 Вт Тип корпусу: BGA (30×30 мм GPU) Особливості охолодження: Розширена система з тепловими трубками, радіатором і двома/трьома вентиляторами. У ноутбуках — компактні мідні радіатори + динамічне обмеження частоти (thermal throttling). Автоматичне регулювання TDP у залежності від температури. SEMIKRON SKM75GB (IGBT модуль) Архітектура: IGBT Типова робоча напруга колектор-емітер U: 300 В 43 Максимальний струм: до 150 А Втрати (провідні + перемикальні): ~75 Вт (залежно від частоти ШІМ і струму) Розрахунок (за даташитом): P ≈ 75 Вт при 125 А та 15 кГц Тип корпусу: Модуль (прибл. 106×45×30 мм) Особливості охолодження: Рідинне охолодження або встановлення на мідну основу з примусовим повітряним обдувом. У промислових застосуваннях — монтаж на теплообмінники з водяним контуром. Оцінено компоненти різного призначення: від простих аналогових стабілізаторів напруги (LM317) і MOSFET-транзисторів (IRF540N) до високопродуктивних процесорів (Intel Core i5) та графічних прискорювачів (NVIDIA GA104), а також потужних IGBT-модулів (SEMIKRON SKM75GB), які широко застосовуються у промисловій електроніці. Такий підхід дозволяє забезпечити всебічне розуміння вимог до теплового менеджменту на всіх рівнях електронної системи. 3.4 Вибір та обґрунтування систем охолодження електронних компонентів Нижче представлено технічне обґрунтування вибору п’яти різних систем охолодження, які забезпечують ефективне тепловідведення від електронних елементів. Розглянуті рішення охоплюють пасивні та активні повітряні, рідинні й термоелектричні способи відведення тепла, що дозволяє оптимізувати холодильний контур залежно від потужності компонентів, габаритів, рівня шуму та складності обслуговування: Fischer Elektronik SK 129 50 SA (пасивне повітряне охолодження) 44 Тип: пасивне повітряне охолодження Конструктивні особливості: Радіатор виготовлений з анодованого алюмінію, має габарити 50 × 50 × 25 мм та забезпечує природне тепловідведення без використання вентилятора. Конструкція з вертикальними ребрами сприяє покращенню теплообміну за рахунок збільшеної площі поверхні. Тепловий опір: R=3.8 °C/Вт Переваги: безшумна робота, проста конструкція, не потребує обслуговування Недоліки: ефективність обмежена природною конвекцією, залежить від орієнтації в просторі Arctic Alpine 23 (активне повітряне охолодження) 45 Тип: активне повітряне охолодження Конструктивні особливості: Arctic Alpine 23 – це бюджетний кулер із вентилятором діаметром 90 мм, призначений насамперед для мультимедійних та офісних ПК. Виготовлений із 50 Y-подібних алюмінієвих ребер, що збільшує площу теплообміну зовнішній діаметр = 93,4 мм. На основу радіатора вже заздалегідь нанесено термопасту Arctic MX-2, У складі кулера – 90 мм PWM-вентилятор з підшипником «Fluid Dynamic Bearing», який працює в діапазоні від 100 до 2000 об/хв. Завдяки цьому забезпечується як достатній рівень охолодження, так і низький рівень шуму – лише 0,3 TDP = 75В R= 1,5 °C/Вт W= 0,72 W Cooler Master Hyper 212 RGB (активне повітряне охолодження з тепловими трубками) 46 Тип: активне повітряне охолодження з тепловими трубками Конструктивні особливості: Cooler Master Hyper 212 RGB – це баштова система охолодження із одним 120 мм RGB-вентилятором. Радіатор складається з алюмінієвих пластин із чотирма мідними теплопровідними трубками, які безпосередньо контактують із теплорозподільною кришкою процесора, що підвищує ефективність тепловідведення. Зовні радіатор вкритий чорною нікель-покриттям для покращення віддачі тепла та естетичного вигляду. Встановлений вентилятор SF120R RGB розміром 120×120×25 мм працює в діапазоні 650–2000 RPM (PWM) ± 10 %, забезпечує максимальний повітряний потік до 59 CFM і статичний тиск 2.1 мм. Рівень шуму коливається від 8 до 30 дБ А. Завдяки оптимізованому дизайну лопатей і підшипнику з низьким тертям MTTF > 160 000 годин. TDP = 140В R= 0,32 °C/Вт W= 1,92 W Enermax LIQTECH TR4 II 360mm (активне рідинне охолодження) Тип: активне повітряне охолодження з тепловими трубками Конструктивні особливості: 47 Радіатор Enermax LIQTECH TR4 II 360 мм виконаний із тонких алюмінієвих ребер, по краях яких вмонтовані гумові демпфери для ефективного гасіння вібрацій та мінімізації шуму під час роботи. Для прискорення передачі тепла використано технології Central Coolant Inlet (CCI), що забезпечує рівномірний розподіл охолоджуючої рідиниї. Помпа оснащена керамічним нанопідшипником із заявленим пропускним потоком до 450 л/год, що гарантує тривалий термін служби та стабільну продуктивність. У складі системи охолодження використовуються три 120×120×25 мм PWM-вентилятори із лопатевим дизайном T.B. Pressure, що створені спеціально для високого статичного тиску. Кожен вентилятор здатний обертатися в діапазоні 500–2300 RPM, генеруючи максимальний повітряний потік приблизно 102,17 CFM. Завдяки оптимізованому профілю лопатей і антивібраційним прокладкам рівень шуму коливається від 14 до 28 dB, що дозволяє поєднати високу ефективність охолодження з відносною тишею роботи. TDP =500В R= 0,067 °C/Вт W= 15,6 W 3.5 Оцінка продуктивності систем теплової теромегуляції електронних компонентів та В таблицях наведено порівняльну характеристику температурного режиму п’яти різних електронних компонентів при застосуванні чотирьох типів охолодження: пасивного повітряного, активного повітряного, активного з тепловими трубками та активного рідинного. Вони містять такі ключові параметри: температурою компоненту та енергоефективністю. Для подальшого аналізу також враховано критичні температури досліджуваних компонентів: 1. Стабілізатор напруги LM317 – 125 °C 48 2. MOSFET IRF540N – 175 °C 3. Процесор Intel Core i5 – 100–105 °C 4. Графічний процесор NVIDIA GA104 (RTX 3070) – 93–95 °C 5. Потужний IGBT-модуль SEMIKRON SKM75GB – 150–175 °C LM317 (лінійний стабілізатор): Тепловий опір (°C/Вт) Температура компоненту (°C) COP (Вт) Пасивне повітряне 56°C ∞ Активне повітряне 35°C 9,7 Активне повітряне з 27°C 3,6 тепловими трубками Активне рідине 25°C 0,4 Лінійний стабілізатор LM317 є прикладом малопотужного електронного компонента, що зазвичай використовується для забезпечення стабілізованої напруги в схемах низького струму. Типове тепловиділення цього стабілізатора при стандартних режимах роботи складає 2–3 Вт, що відносно незначне в порівнянні з більш потужними компонентами, такими як процесори чи силові ключі. Результати показали, що при пасивному повітряному охолодженні температура корпусу стабілізатора досягає 56 °C, що є менш ніж половиною його критичної температури (125 °C). Такий температурний режим абсолютно безпечний і відповідає нормам тривалого використання. Крім того, пасивне охолодження не має власного енергоспоживання, а отже, характеризується формально нескінченним COP, що означає максимальну енергоефективність з точки зору витрат на охолодження. Використання активного повітряного охолодження дозволяє знизити температуру до 35 °C, але при цьому потребує електроживлення вентилятора. COP такої системи склав 9,7, що вказує на достатньо високий рівень енергоефективності. Проте, враховуючи низьку теплову потужність LM317, 49 застосування вентилятора не дає суттєвих переваг у реальних умовах, окрім як для екстремальних температур довкілля або дуже щільного компонування. Впровадження теплових трубок ще більше знижує температуру — до 27 °C, але COP падає до 3,6 через більшу складність і теплову інерційність конструкції. Це свідчить про зниження енергоефективності при незначному виграші в температурі, що для малопотужного елементу не виправдовує витрат на виробництво чи інтеграцію такої системи. Найменш доцільним виявилось активне рідинне охолодження, яке хоча й забезпечує найнижчу температуру — 25 °C, але має вкрай низький COP = 0,4. Це зумовлено високим енергоспоживанням помпи, можливим споживанням вентилятора та складністю в обслуговуванні. У випадку LM317 така система є абсолютно невиправданою — витрати на охолодження перевищують необхідне тепло, яке потрібно відвести. Для копоненту LM317 найбільш ефективним, надійним і економічним рішенням є пасивне повітряне охолодження. Активні методи, особливо з використанням складних систем, таких як теплові трубки або рідинне охолодження, не мають практичної доцільності для елементів з низьким тепловим навантаженням. Це дозволяє зменшити як енергоспоживання, так і вартість системи загалом. 50 Температура компоненту (°C) 60 50 40 30 20 10 0 Пасивне повітряне Активне повітряне Активне повітряне з Активне рідине тепловими трубками Температура компоненту (°C) COP (Вт) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Пасивне повітряне Активне повітряне Активне повітряне з Активне рідине тепловими трубками COP (Вт) IRF540N (польовий транзистор): Тепловий опір (°C/Вт) Температура компоненту (°C) COP (Вт) Пасивне повітряне 44°C ∞ Активне повітряне 35°C 6,1 Активне повітряне з 26°C 2,2 тепловими трубками 51 Активне рідине 25°C 02 IRF540N є широко використовуваним n-канальним MOSFET- транзистором, призначеним для роботи в ключових або лінійних режимах у схемах потужністю до кількох десятків ват. З типовим тепловиділенням у межах 5–15 Вт залежно від режиму навантаження та частоти комутації, цей компонент потребує базового охолодження, особливо за умов тривалої експлуатації з високими струмами. При пасивному повітряному охолодженні температура транзистора досягла 44 °C, що значно нижче критичної температури (175 °C), встановленої виробником. Це вказує на достатню ефективність простого радіатора або тепловідводу без додаткових джерел енергії. Як і у випадку з LM317, такий підхід забезпечує нескінченне значення COP, оскільки система не споживає енергії на охолодження, а значить, є максимально енергоефективною. Застосування активного повітряного охолодження дало змогу знизити температуру до 35 °C при COP = 6,1. Це свідчить про прийнятну ефективність вентилятора при порівняно низькому енергоспоживанні. Умовно кажучи, така система може використовуватись у ситуаціях підвищеного навантаження або в умовах недостатньої вентиляції корпуса пристрою. Проте, в більшості випадків, додаткові витрати на вентилятор є надмірними. Використання теплових трубок забезпечило ще краще охолодження — температура знизилась до 26 °C, але COP впав до 2,2. Зниження енергоефективності пояснюється складністю конструкції, а також обмеженою тепловіддачею відносно потужного охолоджувача. Це робить теплові трубки малоефективними для компонентів середньої потужності, оскільки витрати на виробництво та інтеграцію перевищують вигоду. Найнижчий COP 0,2 спостерігався при використанні активного рідинного охолодження, яке знизило температуру лише на 1°C у порівнянні з тепловими трубками (до 25 °C). Таке охолодження вимагає енерговитратної 52 помпи, вентилятора, радіатора та герметичної системи циркуляції, що є абсолютно недоцільним для компонентів із тепловим навантаженням до 15 Вт. У випадку IRF540N, як і у випадку LM317, найбільш енергоефективним і практичним рішенням є пасивне або активне повітряне охолодження. Теплові трубки і, тим паче, рідинне охолодження не демонструють раціонального співвідношення між ефективністю охолодження та енерговитратами. Це підкреслює важливість адекватного вибору системи охолодження залежно від рівня теплового навантаження — надмірно складні технології не лише не покращують робочі параметри компонентів, але й знижують загальну енергоефективність пристрою. Температура компоненту (°C) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Пасивне повітряне Активне повітряне Активне повітряне з Активне рідине тепловими трубками Температура компоненту (°C) 53 COP (Вт) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Пасивне повітряне Активне повітряне Активне повітряне з Активне рідине тепловими трубками COP (Вт) Intel Core i5 (центральний процесор): Тепловий опір (°C/Вт) Температура компоненту (°C) COP (Вт) Пасивне повітряне _ _ Активне повітряне _ _ Активне повітряне з 46°C 34,3 тепловими трубками Активне рідине 29°C 4,2 Центральний процесор (CPU) є одним із ключових джерел тепловиділення в персональних комп’ютерах. Для моделей середнього рівня, таких як Intel Core i5, типове тепловиділення (TDP) зазвичай становить від 65 до 95 Вт, залежно від конкретного покоління та конфігурації. Такий рівень енергоспоживання і, відповідно, тепловиділення виключає можливість застосування пасивного охолодження, оскільки воно не здатне забезпечити достатнє відведення тепла без ризику перегріву або зниження продуктивності. У проведеному дослідженні було оцінено два основні типи активного охолодження: повітряне охолодження з тепловими трубками та рідинне 54 охолодження. Обидва варіанти забезпечують ефективне зниження температури, але суттєво відрізняються за енергоефективністю. Теплові трубки продемонстрували оптимальний баланс між ефективністю охолодження і енергоспоживанням. Вони забезпечили стабільну робочу температуру на рівні 46 °C, що є безпечним і комфортним значенням для нормальної роботи процесора. Водночас коефіцієнт енергоефективності COP становив 34,3 — найвище значення серед усіх типів охолодження для всіх протестованих компонентів. Це означає, що при мінімальному споживанні енергії система відводить значну кількість тепла. Висока енергоефективність теплових трубок пояснюється їх здатністю до швидкого теплопереносу з допомогою фазового переходу рідини всередині трубки та ефективного теплообміну з навколишнім середовищем через ребра охолодження. Такий тип охолодження особливо підходить для настільних комп’ютерів, офісної техніки, робочих станцій та побутових мультимедійних систем, де важливі не лише температурні характеристики, а й енергоспоживання, рівень шуму та довговічність обладнання. З іншого боку, рідинне охолодження, хоч і забезпечило кращий температурний результат (29 °C), має значно нижчий COP лише 4,2. Це вказує на високі енергетичні втрати системи охолодження, зумовлені роботою водяної помпи, вентиляторів на радіаторі та втратами в процесі циркуляції теплоносія. У результаті, хоча такий тип охолодження ідеально підходить для систем з екстремальними навантаженнями або для ентузіастів, він менш виправданий у повсякденних застосуваннях через підвищене енергоспоживання та складність обслуговування. Для центрального процесора Intel Core i5 найбільш енергоефективним та практичним є активне повітряне охолодження з тепловими трубками. Воно забезпечує достатнє зниження температури при мінімальних витратах енергії та ресурсів. Рідинне охолодження, хоча й ефективніше з точки зору 55 температури, не може конкурувати за показником енергоефективності і доцільне лише в умовах специфічних або екстремальних задач. Температура компоненту (°C) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Активне повітряне з тепловими трубками Активне рідине Температура компоненту (°C) COP (Вт) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Активне повітряне з тепловими трубками Активне рідине COP (Вт) NVIDIA GA104 (графічний процесор): Тепловий опір (°C/Вт) Температура компоненту (°C) COP (Вт) Пасивне повітряне _ _ 56 Активне повітряне _ _ Активне повітряне з _ _ тепловими трубками Активне рідине 39°C 14 Графічні процесори (GPU) сучасного покоління, зокрема архітектура NVIDIA GA104, характеризуються високим тепловиділенням, що може досягати 220 Вт під навантаженням. Такий рівень TDP повністю виключає можливість використання пасивного охолодження або стандартних повітряних систем без теплових трубок. В умовах інтенсивної графіки, обчислень або обробки великих масивів даних важливо забезпечити ефективне охолодження, інакше можливе зниження продуктивності або навіть пошкодження компонентів. Результати дослідження показали, що єдиним ефективним типом охолодження для GA104 є рідинне охолодження, яке дозволяє підтримувати стабільну робочу температуру 39 °C. Це значення є набагато нижчим за критичну температуру для графічних чіпів 85–95 °C, отже, система гарантує надійну теплову стабільність навіть за тривалих навантажень. Крім температурних характеристик, важливою є також енергоефективність охолоджуючої системи. У цьому випадку рідинне охолодження показало COP = 14, що є досить високим значенням. Це означає, що система охолодження відводить 14 Вт тепла на кожен витрачений ват електроенергії — ефективність, яка відповідає високим стандартам продуктивних комп’ютерних систем. Для графічного процесора з тепловиділенням на рівні 220 Вт рідинне охолодження є не лише ефективним, а й енергоефективним варіантом, що забезпечує комфортні температури роботи без надмірного енергоспоживання. Враховуючи це, рідинне охолодження можна вважати оптимальним вибором для високопродуктивних GPU, особливо у сферах, де стабільність, продуктивність і тиша є критично важливими. 57 Потужний IGBT-модуль SEMIKRON SKM75GB Тепловий опір (°C/Вт) Температура компоненту (°C) COP (Вт) Пасивне повітряне _ _ Активне повітряне _ _ Активне повітряне з 49°C 39 тепловими трубками Активне рідине 30°C 4,8 IGBT-модулі (Insulated Gate Bipolar Transistors) є ключовими елементами в енергетичних системах, перетворювачах частоти, індустріальних інверторах, а також в системах електроприводу, де вони працюють з великими струмами та високою напругою. Через постійне і тривале теплове навантаження, ефективне відведення тепла є критично важливим для забезпечення надійності та довговічності таких пристроїв. У ході аналізу охолоджувальних рішень було встановлено, що теплові трубки забезпечують робочу температуру 49 °C при дуже високому коефіцієнті енергоефективності COP = 39. Це означає, що за кожен ват спожитої енергії система здатна відвести 39 Вт теплової енергії, що робить її найбільш енергоефективним рішенням серед протестованих варіантів. Такий підхід є оптимальним у стабільних умовах експлуатації, де IGBT-модулі працюють у межах номінального струму без значних пікових навантажень. Однак, у випадках підвищених навантажень тепловідвід за допомогою теплових трубок може виявитися недостатнім. У таких ситуаціях застосування активного рідинного охолодження дозволяє знизити температуру модуля до 30 °C, що забезпечує високий запас по надійності. Проте COP для рідинної системи становить лише 4,8, тобто ефективність охолодження з точки зору енергоспоживання вища майже у 9 разів у теплових трубок. Це створює компроміс між енергоефективністю та потужністю охолодження. 58 Для IGBT-модулів системи охолодження мають підбиратись відповідно до умов експлуатації. Теплові трубки є найбільш енергоефективним рішенням за нормального режиму роботи, тоді як рідинне охолодження виправдане у високонавантажених або критичних середовищах, де безпечна температура є пріоритетом. Температура компоненту (°C) 60 50 40 30 20 10 0 Активне повітряне з тепловими трубками Активне рідине Температура компоненту (°C) COP (Вт) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Активне повітряне з тепловими трубками Активне рідине COP (Вт) 59 ВИСНОВКИ У роботі було проведено всебічне дослідження енергоефективних методів охолодження електронних компонентів, що становить особливо актуальну тематику в умовах сучасного розвитку електроніки, де підвищення тепловиділення стає критичним чинником, який впливає на надійність, продуктивність і довговічність електронних пристроїв. В межах роботи було системно досліджено фізичні процеси теплопередачі, проаналізовано сучасні технології охолодження, виконано чисельне моделювання теплових процесів та здійснено порівняльну оцінку ефективності різних систем охолодження. На першому етапі дослідження було визначено ключові фізичні процеси, що визначають ефективність систем охолодження: теплопровідність, природна та примусова конвекція, променисте тепло. Було акцентовано увагу на значенні параметрів теплового опору та теплоємності матеріалів при проєктуванні систем терморегуляції. Було охарактеризовано широкий спектр методів охолодження: пасивні (радіатори, теплопровідні прокладки, термопасти, теплові трубки), активні (вентилятори, рідинне охолодження), а також вузьклспеціалізовані рішення на основі ефекту Пельтьє. В роботі продемонстровано обґрунтованість вибору конкретного методу залежно від потужності тепловиділення, габаритів пристрою та умов експлуатації. Найбільш цінною частиною дослідження стало формування аналітичної моделі для оцінки ефективності систем охолодження. Було використано математичні формули для визначення температури компоненту, теплового опору, енергетичної ефективності та коефіцієнта продуктивності (COP). Проведено порівняння чотирьох типів систем охолодження: пасивної, активної повітряної, активної повітряної з тепловими трубками та активної рідинної. 60 Додатково було розглянуто вплив орієнтації радіаторів, вибору матеріалів, застосування термоінтерфейсів і вентиляторів з різними типами підшипників. Проведено аналіз конкретних електронних компонентів (IRF540N, LM317, Intel Core i5, NVIDIA GA104, SEMIKRON IGBT), з розрахунком їх теплових навантажень та відповідних систем охолодження. Підсумовуючи, в роботі здійснено комплексне дослідження енергоефективних методів охолодження електронних компонентів, що дозволило сформувати системне уявлення про сучасні підходи до теплового менеджменту в електроніці. Проаналізовано фізичні принципи тепловідведення, охарактеризовано основні типи систем охолодження, визначено їх переваги та недоліки в контексті енергоефективності, габаритних обмежень, шумових характеристик та зручності експлуатації. 61 ДЖЕРЕЛА 1. Yeh, L. T. (1995). Review of Heat Transfer Technologies in Electronic Equipment. Journal of Electronic Packaging, 117(4), 333–339. https://doi.org/10.1115/1.2793829SCIRP 2. Atay, A., Sarıarslan, B., Kuşçu, Y., Saygan, S., Akkuş, Y., Gürer, T., & Dursunkaya, Z. (2018). Effect of Design and Operating Parameters on the Thermal Performance of Aluminum Flat Grooved Heat Pipes. Applied Thermal Engineering, 132, 174–187. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.12.101e3s- conferences.org+1Nature+1 3. Zhang, Y., & Wang, X. (2022). Recent Advances in Thermal Interface Materials for Thermal Management of High-Power Electronics. Nanomaterials, 12(19), 3365. https://doi.org/10.3390/nano12193365 4. Zhang, Y., & Wang, X. (2022). Recent Advances in Thermal Interface Materials for Thermal Management of High-Power Electronics. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/363937041_Recent_Advances_in_ Thermal_Interface_Materials_for_Thermal_Management_of_High- Power_Electronics 5. Yousefi, T., & Khodadadi, J. M. (2018). Effect of Design and Operating Parameters on the Thermal Performance of Aluminum Flat Grooved Heat Pipes. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/322080329_Effect_of_Design_and _Operating_Parameters_on_the_Thermal_Performance_of_Aluminum_Flat _Grooved_Heat_Pipes 6. Electronics. MDPI. https://www.mdpi.com/journal/electronicsMDPI 7. Ghosh, S., & Saha, S. K. (2020). A Review of Advanced Thermal Interface Materials with Oriented Structures for Electronic Devices. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/385448175_A_Review_of_Advan 62 ced_Thermal_Interface_Materials_with_Oriented_Structures_for_Electronic _Devices 8. Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6th ed.). (2007). Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. Wiley. https://hyominsite.wordpress.com/wp- content/uploads/2015/03/fundamentals-of-heat-and-mass-transfer-6th- edition.pdf 9. How Heat Sink Anodization Improves Thermal Performance – Part 1 of 2. (2010). Advanced Thermal Solutions, Inc. https://www.qats.com/cms/2010/11/09/how-heat-sink-anondization- improves-thermal-performance-part-1-of-2/ 10. The Role of Anodization in Naturally Cooled Heat Sinks for Power Electronic Devices. (2020). ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/339221073_The_Role_of_Anodiz ation_in_Naturally_Cooled_Heat_Sinks_for_Power_Electronic_Devices 11. Garimella, S.V., et al. (2008). Heat Transfer Technologies in Electronic Equipment. Purdue e-Pubs. [Online]. Available: https://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1319&context=cooli ngpubs 12. Khandekar, S. et al. (2006). Review of heat transfer technologies in electronic equipment. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/239399321_Review_of_Heat_Tra nsfer_Technologies_in_Electronic_Equipment 13. Incropera, F.P. et al. (2006). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6th ed.). [Online]. Available: https://hyominsite.wordpress.com/wp- content/uploads/2015/03/fundamentals-of-heat-and-mass-transfer-6th- edition.pdf 14. Electronics journal, MDPI. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/journal/electronics 63 15. Jiang, Y. et al. (2020). The role of anodization in naturally cooled heat sinks for power electronic devices. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/339221073 16. How Heat Sink Anodization Improves Thermal Performance. ATS Blog. [Online]. Available: https://www.qats.com/cms/2010/11/09/how-heat-sink- anondization-improves-thermal-performance-part-1-of-2 17. Huang, Y. et al. (2018). Effect of design and operating parameters on the thermal performance of aluminum flat grooved heat pipes. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/322080329 18. Ndao, S. et al. (2022). Recent advances in thermal interface materials for thermal management of high-power electronics. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/363937041 19. Xie, H. et al. (2024). A Review of Advanced Thermal Interface Materials with Oriented Structures. ScienceDirect. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927796X25000452 20. 3M. (n.d.). Two-Phase Immersion Cooling Technical Paper. [Online]. Available: https://multimedia.3m.com/mws/media/1798675O/3m-two- phase-immersion-cooling-technical-paper.pdf 21. Stanford Nanoheat Lab. Extreme Cooling Technologies. [Online]. Available: https://nanoheat.stanford.edu/wp- content/uploads/2017/09/Extreme-Cooling.pdf 22. Zhao, Y. et al. (2023). A liquid nitrogen cooling circulation unit: Its design and performance study. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/379931083 23. Kim, H. et al. (2022). Liquid nitrogen cooled integrated power electronics module with high current capability. Academia.edu. [Online]. Available: https://www.academia.edu/81506832 24. Phase-change materials for thermal management of electronic devices (2022). ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/361401379 64 25. A review of phase change materials (PCMs) in electronic device cooling applications. ResearchGate. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/362699580 26. Gholamian, E. et al. (2021). Performance analysis of PCMs in high-density electronics. ScienceDirect. [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778821000487 27. Frontiers in Energy Research (2022). [Online]. Available: https://www.frontiersin.org/journals/energy- research/articles/10.3389/fenrg.2022.923454/full 28. NEC Technical Journal (2014). Advanced thermal design in embedded systems. [Online]. Available: https://www.nec.com/en/global/techrep/journal/recommend_year/2014/02.ht ml 29. PhysRevA.107.053521 (2023). Cooling laser study. MIT DSpace. [Online]. Available: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/154850/PhysRevA.107.0535 21.pdf 30. Fu, P., Zhao, L., Wang, X., Sun, J., & Xin, Z. (2023). A Review of Cooling Technologies in Lithium-Ion Power Battery Thermal Management Systems for New Energy Vehicles. Processes, 11(12), 3450. https://doi.org/10.3390/pr11123450MDPI 31. Sharma, R., et al. (2023). A comprehensive review on thermal management of electronic devices. Journal of Engineering and Applied Science. https://jeas.springeropen.com/articles/10.1186/s44147-023-00309- 2SpringerOpen 32. Tang, S., Juan, A., Drysdale, D., Menjivar, J.D., & Guzman, J. (2022). Optimized Active Cooling and Refrigeration using Antidoted Graphene for Heat Management of Microelectronics. arXiv preprint arXiv:2201.05847. https://arxiv.org/abs/2201.05847arXiv 65 33. Kalizan, J., & Tušek, J. (2021). Caloric Micro-cooling: Numerical modelling and parametric investigation. arXiv preprint arXiv:2108.12164. https://arxiv.org/abs/2108.12164arXiv 34. Butler, A., & Argyropoulos, C. (2022). Mechanically Tunable Radiative Cooling for Adaptive Thermal Control. arXiv preprint arXiv:2203.14697. https://arxiv.org/abs/2203.14697arXiv 35. Liu, Y., et al. (2020). A light-weight and high thermal performance graphene heat pipe. arXiv preprint arXiv:2002.11336. https://arxiv.org/abs/2002.11336arXiv 36. Murshed, S.M.S., & de Castro, C.A.N. (2017). A critical review of traditional and emerging techniques and fluids for electronics cooling. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 821–833. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.112 37. Schreiber, T., et al. (2021). Application of data-driven methods for energy system modelling demonstrated on an adaptive cooling supply system. Energy, 230, 120894. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120894Наукова періодика України 38. Murshed, S.M.S., & Nieto de Castro, C.A. (2017). A critical review of traditional and emerging techniques and fluids for electronics cooling. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 821–833. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.112 39. Suryawanshi, H.A. (2024). Predictions of thermal behavior of power electronics components with neural networks. [PhD thesis; Technische Hochschule Ingolstadt]. 40. Pei, Q., et al. (2022). CoolEdge: hotspot-relievable warm water cooling for energy-efficient edge datacenters. Proceedings of the 27th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, 814–829. https://doi.org/10.1145/3503222.3507713 66 41. Antal, M., et al. (2019). Reuse of Data Center Waste Heat in Nearby Neighborhoods: A Neural Networks-Based Prediction Model. Energies, 12(5), 814. https://doi.org/10.3390/en12050814 42. Chakraborty, S., Shukla, D., & Panigrahi, P.K. (2024). A review on coolant selection for thermal management of electronics and implementation of multiple-criteria decision-making approach. Applied Thermal Engineering, 245, 122807. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122807 43. Schreiber, T., et al. (2021). Application of data-driven methods for energy system modelling demonstrated on an adaptive cooling supply system. Energy, 230, 120894. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120894 44. Murshed, S.M.S., & Nieto de Castro, C.A. (2017). A critical review of traditional and emerging techniques and fluids for electronics cooling. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 821–833. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.112 45. Suryawanshi, H.A. (2024). Predictions of thermal behavior of power electronics components with neural networks. [PhD thesis; Technische Hochschule Ingolstadt]. 46. Pei, Q., et al. (2022). CoolEdge: hotspot-relievable warm water cooling for energy-efficient edge datacenters. Proceedings of the 27th ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, 814–829. https://doi.org/10.1145/3503222.3507713 47. Antal, M., et al. (2019). Reuse of Data Center Waste Heat in Nearby Neighborhoods: A Neural Networks-Based Prediction Model. Energies, 12(5), 814. https://doi.org/10.3390/en12050814 48. Chakraborty, S., Shukla, D., & Panigrahi, P.K. (2024). A review on coolant selection for thermal management of electronics and implementation of multiple-criteria decision-making approach. Applied Thermal Engineering, 245, 122807. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122807 67 49. Schreiber, T., et al. (2021). Application of data-driven methods for energy system modelling demonstrated on an adaptive cooling supply system. Energy, 230, 120894. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120894