Новые технологии кондуктивного охлаждения от компании Schroff

Введение

В современном мире вычислительная мощность, а значит и энерго­потребление электронных устройств, непрерывно растет, в то же время их габаритные размеры постоянно уменьшаются. Следствием этого является повышение удельного тепловыделения, приводящее к необходимости решения задачи по обеспечению соответствующего охлаждения. Ситуация может быть осложнена дополнительными требованиями, предъявляемыми к устройству, такими как необходимость в пыле- и влагозащите, наличие электромагнитного экранирования, отсутствие шумности, повышенная надежность. В таком случае наиболее рациональным вариантом становится применение безвентиляторного охлаждения, но ввиду небольшой охлаждающей способности корпуса существует вероятность ограничения производительности используемых плат либо установки дорогостоящего жидкостного охлаждения или решения с применением тепловых трубок.

Рис. 1. Компьютер Advantech в корпусе с кондуктивным охлаждением

Несмотря на очевидные преимущества, традиционные корпуса с кондуктивным охлаждением (рис. 1) имеют существенный недостаток: обычно каждый такой корпус разрабатывается под конкретную плату, что делает его производство целесообразным только в случае действительно больших тиражей. Тем не менее есть множество задач, требующих производства, к примеру, нескольких сотен уникальных устройств, а ограниченные сроки или бюджет могут не позволить заниматься разработкой заказного корпуса. Для решения подобных задач компания Schroff предлагает новый корпус Interscale С (рис. 2), конструкция которого разработана под общим руководством д. т. н., ведущего инженера Адама Павловски (Adam Pawlowski).

Рис. 2. Корпус Schroff Interscale C

Технологические ограничения безвентиляторных систем охлаждения

Конструкция устройства с кондуктивным охлаждением обычно предполагает организацию прямого теплового канала от источника тепла (процессора, рис. 3а) к радиатору, отводящему тепло во внешнюю среду (рис. 3в). В качестве переносчика тепла может использоваться металлический, в частности алюминиевый, теплопроводящий модуль (рис. 3б), тепловая трубка или жидкость.

Рис. 3. Схема устройства с кондуктивным охлаждением: а) процессор; б) алюминиевый теплопроводящий модуль; в) радиатор

Для того чтобы система была способна рассеивать максимальное количество тепла, критически важно минимизировать тепловые сопротивления всех компонентов, а также мест их контакта. Увеличение теплового сопротивления может быть вызвано неплотным контактом поверхностей (рис. 4), неровностями на них (в том числе и на микроскопическом уровне), излишней твердостью материалов, неидеальным геометрическим расположением проводников друг относительно друга или несоответствием их размеров.

Рис. 4. Неидеальный контакт поверхностей теплоотводящих компонентов

К сожалению, такие факторы, как неравномерность толщины печатной платы, нестабильность монтажных размеров процессора и сокета, погрешности, вызванные геометрией корпуса и монтажных шпилек, способны приводить к суммарным ошибкам, достигающим ±1,5 мм. Разумеется, подобные зазоры повышают тепловое сопротивление, мешая теплу свободно перетекать от процессора к радиатору, и не позволяют системе эффективно охлаждаться.

Для устранения этих погрешностей предназначены теплопроводящие прокладки (рис. 5), устанавливаемые, как правило, между теплопроводящим модулем и радиатором. При этом для компенсации суммарной погрешности ±1,5 мм понадобится прокладка толщиной не менее 5 мм.

Рис. 5. Теплопроводящая прокладка, установленная на теплопроводящий модуль

Несмотря на то, что применение теплопроводящих прокладок позволяет повысить эффективность переноса тепла и компенсировать геометрические погрешности, строение теплоотводящего канала все еще остается неоптимальным, так как использование прокладок имеет и негативные последствия.

При увеличении площади контакта проводников и компенсации зазоров теплопроводящие прокладки, тем не менее, увеличивают суммарное тепловое сопротивление. Теплопроводность алюминия составляет 200–240 Вт/(м·К), в то время как теплопроводность прокладок достигает 1–5 Вт/(м·К). Тепловое сопротивление прокладки растет линейно с увеличением ее толщины.

Кроме того, возникает риск нестабильности охлаждения на протяжении жизненного цикла устройства, поскольку теплопроводящие прокладки подвержены пластическим деформациям в результате воздействия давления. Заменять их следует каждый раз, когда корпус открывается, в ином случае необходимая прижимная сила может быть не достигнута, а тепловое сопротивление возрастет.

Особое внимание нужно уделять подбору таких параметров прокладки, как толщина, твердость и теплопроводность (тепловое сопротивление). Помимо ухудшения теплопроводности, выбор слишком толстой или слишком твердой прокладки может повлечь повреждение процессора из-за излишнего давления. Наконец, с течением времени прокладки теряют свои теплопроводящие свойства и подлежат периодической замене.

Новая концепция кондуктивного охлаждения для корпуса Interscale С

Удовлетворить растущие потребности в охлаждении, вызванные постоянным увеличением мощности электроники, и преодолеть ограничения описанных решений по организации кондуктивного охлаждения призван корпус Schroff Interscale С, оснащенный универсальным теплопроводящим модулем (FHC — Flexible Heat Conductor). Их совместное применение позволяет получить решение с эффективным кондуктивным теплоотводом и стабильно надежной работой на протяжении всего жизненного цикла устройства.

Универсальный теплопроводящий модуль FHC не только использует хорошую теплопроводность алюминия, но и способен сжиматься и расширяться в вертикальном направлении благодаря применению встроенных пружин.

Рис. 6. Теплопроводящий модуль FHC высотой 20 мм

Теплопроводящие модули FHC представлены двумя стандартными вариантами высотой 20 и 70 мм. Модули FHC (рис. 6) высотой 20 мм совместимы с любыми микропроцессорами производства Intel, AMD, VIA, Freescale, NVIDIA и Texas Instruments и не требуют применения монтажных скоб благодаря креплению непосредственно на спину процессора с помощью теплопроводящей клейкой ленты (рис. 7). Модули способны расширяться и сжиматься на ±1,5 мм, что позволяет отказаться от теплопроводящих прокладок.

Рис. 7. Корпус Interscale С с установленной в нем платой формата Embedded NUC и теплопроводящим модулем FHC высотой 20 мм

Теплопроводящие модули FHC высотой 70 мм (рис. 8) разработаны для применения совместно с платами формата ATX/ITX/Mini-ITX и COM на базе процессоров Intel Core-i и AMD, использующих следующие сокеты:

• Intel: LGA775, LGA1150, LGA1155, LGA1156, LGA1366, LGA2011;
• AMD: AM2, AM2(+), AM3, AM3(+), FM1, FM2, FM2(+).
  
  

  Рис. 8. Теплопроводящий модуль FHC высотой 70 мм

Оба производителя используют стандартизированные точки монтажа, не мешающие остальным компонентам печатной платы (рис. 9).

Рис. 9. Крепежная скоба теплопроводящего модуля FHC высотой 70 мм

Рис. 10. Рама теплопроводящего модуля FHC высотой 70 мм

Модули FHC высотой 70 мм способны расширяться и сжиматься на ±2,5 мм. Создаваемая ими прижимная сила входит в диапазон разрешенных воздействий для множества различных процессоров, поэтому риск повредить процессор при неправильной установке модуля FHC исключен. Данные модули монтируются с помощью опоясывающей их алюминиевой монтажной рамы (рис. 10) и крепежной скобы. Монтажная рама позволяет легко монтировать модуль FHC, предохраняя печатную плату от нежелательных механических воздействий, и обеспечивает защиту внутренней части модуля от загрязнения. Конструкция из крепежной скобы и рамы предоставляет возможность разместить модуль FHC точно над процессором и надежно закрепить на печатной плате (рис. 11).

Рис. 11. Установленный на плате теплопроводящий модуль FHC высотой 70 мм

Сводная техническая информация по обоим типам модулей FHC приведена в таблице.

Ключевые преимущества теплопроводящего модуля FHC:

• Наличие встроенных пружин позволяет модулю FHC расширяться, устраняя зазоры между компонентами. Нет необходимости использовать теплопроводящие прокладки.
• Благодаря встроенным пружинам создается прижимная сила, позволяющая улучшить контакт поверхностей и понизить тепловое сопротивление.
• В случае если компоненты (к примеру, радиатор и процессор) расположены не параллельно друг другу, модуль FHC компенсирует негативное влияние этого фактора благодаря способности изгибаться (менять угол между нижней и верхней поверхностями модуля).
• На протяжении всего жизненного цикла устройства свойства системы охлаждения с модулем FHC остаются неизменными, так как в конструкции отсутствуют детали, подлежащие замене (в частности, теплопроводящие прокладки). Кроме того, нет риска повредить процессор при неправильном выборе прокладки.

Обе версии модулей FHC спроектированы для применения в корпусах Schroff Interscale C. Конструкция Interscale C основана на хорошо зарекомендовавшей себя серии корпусов Interscale M для электронных устройств малого форм-фактора. Однако если корпуса Interscale M оснащались вентиляторами и имели перфорированные стенки, то корпуса Interscale С предполагают кондуктивное охлаждение — они имеют внешний радиатор и конструктивно совместимы с модулями FHC (рис. 12).

Рис. 12. Пример устройства в корпусе Schroff Interscale С

Конструкция корпуса Interscale С использует шпунтовые соединения, что позволяет обеспечить ослабление электромагнитных помех на уровне около 20 дБ при частоте до 2 ГГц, а также степень пыле- и влагозащиты IP 30. Корпус состоит из трех основных частей: основания, передней панели и верхней крышки. Фиксация корпуса в собранном состоянии осуществляется с помощью всего двух винтов с возможностью опломбирования.

Стандартные варианты корпусов предназначены для распространенных форматов плат, таких как Mini-ITX, ATX, EmbeddedNUC, и других. Благодаря гибкости платформы Interscale за минимальное время могут быть реализованы системы нестандартных размеров, позволяющие разместить различные дополнительные модули, устанавливаемые вертикально платы или внутренние источники питания, а также имеющие любые другие модификации в соответствии с требованиями заказчика. Каждый корпус может быть оснащен радиатором с различной высотой ребер, благодаря чему заказчик получает решение с оптимальным соотношением цены и производительности.

Ключевые преимущества корпуса Interscale С:

• Наличие экранирования.
• Возможность выбрать радиатор с ребрами необходимой высоты.
• Возможность установить в стандартный корпус систему охлаждения на основе модуля FHC и не прибегать к разработке уникальной корпусировки. Стандартные корпуса созданы на основе общепринятых стандартов для встраиваемых компьютерных систем и представляют собой полностью готовое решение.
• Простота использования: сборка выполняется с помощью всего двух винтов.
• Радиатор интегрирован в верхнюю крышку корпуса, поставка осуществляется в собранном виде.
• Широкий выбор аксессуаров, таких как ножки, кронштейны, опоры для штабелирования, фиксирующие шпильки для крепления печатных плат.
• Возможность сделать корпус нестандартного размера позволяет разместить в нем устанавливаемые вертикально платы или внутренние источники питания. Разработка такого корпуса занимает минимальное время.
• При проектировании заказного решения возможно добавление отверстий и выемок различных размеров и форм, а также покраска корпуса в различные цвета палитры RAL (порошковое покрытие) и нанесение цветной трафаретной печати. Это позволяет в короткие сроки получить уникальное устройство с эстетичным внешним видом, а также нанести на корпус логотип компании-заказчика.
  
  

  Рис. 13. Оребрение радиатора (h — высота ребра)

Оценка эффективности

На эффективность кондуктивного охлаждения, помимо внутренней конструкции теплоотводящего канала, влияют еще некоторые факторы:

• Размер и форма оребрения радиатора (рис. 13). Увеличение высоты ребер радиатора (то есть увеличение общей площади его поверхности) уменьшает общее тепловое сопротивление всей системы охлаждения. На рис. 14 представлена диаграмма, позволяющая сравнить эффективность радиаторов с различной высотой ребер (22,5 и 5,0 мм и без ребер) при охлаждении одной и той же конфигурации системы.
  
  

  Рис. 14. Сравнительная диаграмма эффективности радиаторов с разной высотой оребрения

• Условия окружающей среды. Температура окружающей среды, а также мощность и направление воздушного потока, взаимодействующего с радиатором, оказывают сильное влияние на поведение системы охлаждения. При постоянном тепловыделении процессора температура радиатора линейно зависит от температуры окружающей среды (рис. 15).
  
  

  Рис. 15. Зависимость температуры радиатора от температуры окружающей среды при постоянном тепловыделении процессора

Оценка эффективности кондуктивного охлаждения с применением модуля FHC и корпуса Interscale C по сравнению с распространенными в данный момент на рынке решениями была произведена инженерами компании Schroff. Испытательная установка включала теплопроводящий модуль (монолитный алюминиевый либо FHC высотой 70 мм), корпус Interscale C с радиатором, источник тепла (процессор Intel i7) и несколько термопар для сбора данных. Для получения корректных результатов температуры процессора и окружающей среды поддерживались неизменными на протяжении всего эксперимента. Каждое измерение повторялось четыре раза. Длительность каждого измерения составляла 1,5 ч, чтобы гарантировать стабильное состояние системы. Необходимо отметить, что вне лабораторных условий фактическое тепловыделение устройств зависит от специфичных для конкретного приложения факторов, поэтому результаты описываемых тестов являются сравнительными, но не абсолютными.

Измерение производительности кондуктивного охлаждения с применением модуля FHC высотой 70 мм проводилось в корпусе Interscale C, оснащенном радиатором с ребрами высотой 25 мм, при температуре процессора +75 °C и окружающей среды +20 °C. Были проведены три серии измерений. В первом варианте использовался монолитный алюминиевый теплопроводящий модуль с теплопроводящей прокладкой толщиной 5 мм, во втором — монолитный модуль с теплопроводящей прокладкой толщиной 3 мм, в третьем — модуль FHC (рис. 16).

Рис. 16. Схема тестирования теплопроводящего модуля FHC высотой 70 мм

В данных условиях в случае применения монолитного модуля с прокладкой толщиной 5 мм рассеянная радиатором тепловая мощность составила 32 Вт при суммарном тепловом сопротивлении 2,45 К/Вт. При использовании прокладки толщиной 3 мм мощность теплоотвода повысилась до 34 Вт. В варианте с модулем FHC тепловыделение составило 55 Вт при суммарном тепловом сопротивлении 1,444 К/Вт, что говорит об улучшении охлаждения на 72% по сравнению с традиционными методами кондуктивного охлаждения.

Дополнительные серии тестов 70-мм модуля FHC показали, что его эффективность практически не меняется при различной высоте модуля (то есть при разном сжатии пружины). При высоте, близкой к минимальной (сжатие модуля 85%), количество рассеиваемого тепла оказалось лишь на 1,5% больше, чем при 15%-ном сжатии модуля. Было также проведено сравнение результатов с данными, полученными при измерении параметров «идеальной» модели теплоотводящего канала: монолитный алюминиевый модуль соединялся с процессором и радиатором только с помощью термопасты при оптимальном давлении, а геометрические погрешности при монтаже были сведены к минимуму. Эффективность такой системы с монолитным модулем всего на 0,9% выше при температуре процессора +67 °C и на 3,4% выше при температуре +99 °C по сравнению с модулем FHC высотой 70 мм.

Сводная сравнительная диаграмма значений суммарных тепловых сопротивлений различных методов охлаждения при температуре окружающей среды +20 °C и процессора +99 °C представлена на рис. 17.

Рис. 17. Сравнительная диаграмма методов кондуктивного охлаждения

Пример реализации проекта на базе корпуса Interscale С

Совместными усилиями компаний Schroff и AdvantiX был реализован проект по разработке компьютера формата Mini-ITX на базе модифицированного корпуса Interscale C с радиатором с повышенной теплоотдачей (рис. 18). Модель ER-6000 может быть оснащена процессором класса Intel Core i7 с выделяемой тепловой мощностью до 45 Вт, ОЗУ до 32 Гбайт, а также HDD и флэш-накопителями. Блок питания внешний для сети ~220 В, для питания системы требуется напряжение =12 В. Дизайн устройства соответствует брендбуку AdvantiX.

Рис. 18. Компьютер AdvantiX ER-6000

Заключение

В условиях постоянного роста вычислительных мощностей процессоров и уменьшения размера электронных устройств необходимость в мощном кондуктивном охлаждении будет только возрастать, особенно при сохранении направленности на развитие децентрализованных решений. Универсальные теплопроводящие модули FHC и серия корпусов Interscale С позволяют не только поднять производительность кондуктивного охлаждения на новый уровень, но и существенно улучшить эргономику и надежность устройства в целом, предлагая разработчикам универсальный инструмент для создания одноплатных приложений.

Благодаря тому что корпус Interscale является стандартным изделием с гибкими возможностями доработки, а его тираж может варьироваться от одной до сотен штук, время, необходимое для запуска в серию устройства, разработанного заказчиком, значительно сокращается. Наличие электромагнитного экранирования у стандартного корпуса также становится большим преимуществом, позволяя упростить и ускорить разработку.

Корпус Interscale С и модуль FHC наверняка будут по достоинству оценены разработчиками одноплатных безвентиляторных компьютеров и модулей, встраиваемых систем, периферийных контрольных устройств, а также систем безопасности и визуализации.