HŐTÉSI MEGOLDÁSOK Az elektronikai technológia újdonságai Sinkovics Bálint 2009. október 13. BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY Hıterjedés a hıterjedés formái 1. Hıvezetés: a közeget alkotó részecskék elmozdulása nem számottevı, illetve rendezetlen, konkrét mechanizmusai: hımozgás, diffúzió, elemi hullámok. 2. Hıszállítás: a közeget alkotó részecskék rendezett elmozdulásával valósul meg, konkrét mechanizmusai: áramlás, (molekuláris szintő) vezetés, sugárzás. 3. Hısugárzás: az energia térbeli terjedésének elektromágneses hullámok formájában megvalósuló folyamata. Hőtési megoldások 2/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 1
Nem jeleníthetı meg a kép. Lehet, hogy nincs elegendı memória a megnyitásához, de az sem kizárt, hogy sérült a kép. Indítsa újra a számítógépet, és nyissa meg újból a fájlt. Ha továbbra is a piros x ikon jelenik meg, törölje a képet, és szúrja be ismét. Hıvezetés 1822 Fourier-törvény: dq dt = λ F dt dx ahol dq/dt a hıáram, λ a hıvezetési tényezı, F a felület, dt/dx a hımérsékleti gradiens Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) A hıvezetés általános differenciálegyenlete (λ hımérsékletfüggetlen): 2 2 2 T T T ρc T + + = 2 2 2 x y z λ t Hőtési megoldások 3/26 Hıszállítás Áramló közegre vonatkozı hıvezetési egyenlet: (a sugárzás elhanyagolásával, ha az áramló közegben csak hıvezetés, és a tömegáramból adódó hıáramlás van) 2 2 2 T T T + + 2 2 2 x y z ρc T = + w λ t x T + w x y T + w y z T z ahol w x, w y, w z a közeg sebességösszetevıi, melyek a Navier-Stokes egyenlet segítségével határozhatók meg. Hőtési megoldások 4/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 2
Hıátadás A hıátadás a szilárd testek és a folyadékok (gázok) határfelületén létrejövı hıterjedés, melyben a vezetés, a szállítás és a sugárzás is szerepet játszik. 1701 Newton, hıleadás egyenlete: dq dt ahol dq/dt a hıáram, α az ún. hıleadási tényezı, F a felület, ( ) = α F T sz T f T sz a szilárd test hımérséklete, T f a folyadék (gáz) hımérséklete. Isaac Newton (1642-1727) Hőtési megoldások 5/26 Hıátadás speciális esete Két szilárd test érintkezése: Mindhárom vezetési forma jelen van: vezetés, hıátadás-szállítás, sugárzás. Hőtési megoldások 6/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 3
Hısugárzás 1879 Stefan (Boltzmann): dq dt = ε σ F ( T ) 4 sz T 0 k (szürke testekre!) ahol dq/dt a hıáram, ε az emissziós tényezı, σ 0 a Stefan-Boltzmann állandó, 5,67e-8 W/(m 2 K 4 ) F a felület T sz a szilárd test hımérséklete, T k a környezet hımérséklete. Josef Stefan (1835-1893) Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) Hőtési megoldások 7/26 Halmazállapot-változások T Q Példa: 1 kg víz 20-100 C-ra melegítése: 0,335 MJ elforralása: 2,26 MJ energiát igényel Hőtési megoldások 8/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 4
Termikus interfész megoldások Interfész anyagok szerepe: rések kitöltése, kis hıellenállás. Megvalósítás: hıvezetı paszta, hıvezetı ragasztó, hıvezetı alátét, halmazállapotváltó anyagok. Hőtési megoldások 9/26 Hőtési megoldások - léghőtés Megvalósítás szempontjai, problémák: - a hıt kis felületrıl kell elvezetni, - lehetıleg nagy felületen kell leadni, - termikus ellenállást minimalizálni kell (lehetıleg egy tömbbıl legyen), - illesztéseknél a termikus ellenállást minimalizálni kell, - hıleadást mesterséges konvekcióval gyorsítani tudjuk. Hőtési megoldások 10/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 5
Hőtési megoldások - léghőtés Klasszikus hőtıbordák felépítése: Lamellák: - nagyobb felület => nagyobb hıleadás - nagyobb felület => nagyobb hıellenállás - kisebb vastagság => nagyobb felület - kisebb vastagság => nagyobb hıellenállás - kisebb vastagság => nehezebb megvalósíthatóság Talp: - mérete igazodik a hőtendı felülethez, - vastagabb talp => nagyobb hıkapacitás, jobb hıelosztás - vastagabb talp => nagyobb hıellenállás Hőtési megoldások 11/26 Hőtési megoldások - léghőtés Hőtıbordák anyagai: alumínium: olcsó, könnyen megmunkálható, jó hıleadás. vörösréz: magasabb ár, nehezen megmunkálható, jobb hıvezetıképesség, rosszabb hıleadás. Hőtési megoldások 12/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 6
Hőtési megoldások - léghőtés Hıleadás javítása: mesterséges konvekció Ventilállátorok alaptípusai: axiális, radiális. Legfontosabb jellemzıik: fordulatszám, méret, lapátok dılésszöge, lapátok kialakítása, felületének minısége. Hőtési megoldások 13/26 Hőtési megoldások léghőtés, példák Hőtési megoldások 14/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 7
Hőtési megoldások léghőtés, példák Hőtési megoldások 15/26 Hőtési megoldások - folyadékhőtés Mőködésének alapja: a folyadékok fajhıje nagyobb a gázokénál. Hőtési megoldások 16/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 8
Hőtési megoldások hıszállító csı Kifejlesztésének motivációja: a lehetı legnagyobb hıáram megvalósítása. Hıvezetıképessége 100...1000-szer akkora, mint a rézé. Mőködési elv: porózusfalú vákuumcsı, kis mennyiségő folyadékkal (víz) Hőtési megoldások 17/26 Hőtési megoldások heat pipe, példák Hőtési megoldások 18/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 9
Hőtési megoldások Peltier-hőtés Peltier-elem: félvezetı hıszivattyú bizmut-tellurit pn átmenetek elektromosan sorba, termikusan párhuzamosan kapcsolva. Többlépcsıs változattal ~ -150 C elérhet ı Megvalósítás: az elem meleg oldalán hőtéssel (folyadék), kétkörös folyadékhőtés. Hőtési megoldások 19/26 Hőtési megoldások Peltier, példák Hőtési megoldások 20/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 10
Hőtési megoldások kompresszoros hőtés Mőködési elve a normál hőtıgépével egyezik meg Hőtési megoldások 21/26 Hőtési megoldások kompresszoros hőtés Hőtési megoldások 22/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 11
Szekrény szint - példák Léghőtés: 3500 W/rack Hőtési megoldások 23/26 Szekrény szint - példák Folyadékhőtés: 70 kw/szekrény Hőtési megoldások 24/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 12
Szekrény szint - példák Kompresszoros hőtés: 43 kw/szekrény alacsony hımérséklet Hőtési megoldások 25/26 Direkt folyadékhőtés, példa IBM Bluefire: 11 szekrény 4096 db Power6 processzor (4.7 GHz) 330 GB RAM 71 TFLOPS Hőtési megoldások 26/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 13
Direkt folyadékhőtés, példa Rack-enként 16 db kétmagos processzor, 2x64 DIMM foglalat Hőtési megoldások 27/26 Sinkovics Bálint - BME-ETT 14