So kühlen Sie Elektronik, wenn die Luft immer heiß ist

Ich bin gerade dabei, ein Experiment zu planen, bei dem einige elektrische Geräte für ein Jahr oder länger in einer Mine platziert werden. Wenn die Ausrüstung in der Mine (770 m tief) aufgestellt wird, beträgt die Umgebungstemperatur konstant ca. 45 ° C. Ich muss das überprüfen, aber ich kann mir vorstellen, dass es auch ziemlich feucht sein wird.

Zu den Geräten, die ich verwenden werde, gehören: ein Laptop, zwei Hochspannungs-Fotovervielfacherröhren (bis zu 2,5 kV, niedriger Gleichstrom) (deren Stromversorgungen zweifellos einen erheblichen Teil ihrer eigenen Wärme erzeugen) und eine Niederspannung DAQ-Board.

Das Problem ist, dass in der Mine (oder gleichwertig in einer Wüste oder einer industriellen Hochtemperaturumgebung) die konstante Wärme die normale Methode zum Kühlen von Bauteilen bedeutet - indem die Umgebungsluft über ihnen aufgefächert wird - einfach nicht funktioniert. Außerdem hatte ich überlegt, das Gerät in einen „Minikühlschrank“ zu stellen, aber der Wärmetauscher auf der Rückseite ist auch auf kühle Umgebungsluft angewiesen, damit er bald kaputt geht.

Die Ausrüstung wird in einer versiegelten Kiste untergebracht, so dass diese Tatsache möglicherweise ausgenutzt werden kann, um das gesamte Innenvolumen auf einer prozessorfreundlicheren Temperatur zu halten. Um ehrlich zu sein, weiß ich nicht, wo ich anfangen soll.

Ehrlich gesagt, wenn Sie "nicht wissen, wo Sie anfangen sollen", holen Sie sich jemanden, der dies tut. Es hört sich so an, als wären die Kosten für ein Scheitern sehr hoch, daher ist dies nicht die Zeit, um zu experimentieren und aus Fehlern zu lernen. Finde jemanden, der dieses Zeug kennt. Sie können über die Schulter schauen und versuchen, so viel wie möglich von der Grunzarbeit zu machen, damit Sie das nächste Mal der Experte sind. Ich denke, ich verstehe die Grundprinzipien ziemlich gut und könnte etwas zum Laufen bringen. Für eine besonders hohe Zuverlässigkeit gibt es jedoch normalerweise viele Überlieferungen und Erfahrungen, die Sie allein aus der Physik nicht erraten würden. Ohne einen Experten würde ich das nicht auf mich nehmen, um zumindest gelegentlich Fragen zu stellen und das ultimative Design zu segnen. Aus nicht sachkundiger Sicht sind hier einige Gedanken:

Das erste 45C ist gar nicht so heiß. Es ist nur 113F, was für die Sommerlufttemperatur in verschiedenen Teilen der Welt nicht unpassend ist. Gewöhnliche Elektronikgeräte wurden, sofern sie nicht speziell für Laborzwecke oder andere Umgebungsbedingungen vorgesehen sind, für den Betrieb bei 45 ° C ausgelegt. Denk darüber nach. Wenn Sie Ihr Handy auf dem Armaturenbrett Ihres in der Sommersonne in Phoenix geparkten Autos liegen lassen würden, würden Sie es wahrscheinlich nicht dafür verantwortlich machen, dass es nicht funktioniert. Natürlich könnten Sie es wahrscheinlich auch nicht halten, ohne sich selbst zu verletzen. Aber wenn Sie am Nachmittag des Sommers in Phoenix draußen im Schatten eines Baumes stehen würden, wären Sie wahrscheinlich sauer, wenn Ihr Handy nicht funktioniert hätte. Das ist 113F.

Zweitens haben Sie zwei weitere Vorteile: Dieser 45C ist äußerst zuverlässig und im Wesentlichen unendlich. Mit anderen Worten, es ist immer 45 ° C, egal ob Sommer oder Winter an der Oberfläche. Sie können auch ein paar kW in einen "Raum" dieser Mine mit angemessener Größe ablassen, und es wird immer noch 45 ° C sein.

Wie Russell ebenfalls betonte, besteht die beste Lösung darin, die Dinge so zu spezifizieren, dass sie bei 45 ° C einwandfrei funktionieren. Platzieren Sie sie so weit, dass jedes Objekt die 45 ° C-Umgebung sieht, vorzugsweise ohne dass eine erzwungene Luftkühlung erforderlich ist. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Gedanken darüber machen, was passiert, wenn die Wicklung zusammenbricht. Auch hier sollten die meisten elektronischen Geräte von der Stange damit bereits einverstanden sein. Die Lebensdauer kann sinken, also verringern. Holen Sie sich qualitativ hochwertige Produkte, die normalerweise 10 Jahre halten sollten.

Wenn Sie wirklich Kühlung brauchen, besteht meine erste Reaktion darin, einen kleinen Raum zu bauen und 2 oder 3 Klimaanlagen hinein zu stellen. Stellen Sie sicher, dass eine Klimaanlage den Raum ausreichend kühlen kann. Die mehreren Klimaanlagen dienen der Redundanz. Sie scheinen zu sagen, dass es nur ein paar kW sind, was für Klimaanlagen klein ist. 1 kW entspricht nur 3400 BTU / Stunde. Es hört sich auch so an, als müsste nicht jeder letzte Gegenstand gekühlt werden, sodass ein Teil der benötigten Energie außerhalb des Raums abgeführt werden kann und nicht zur Belastung der Klimaanlage beiträgt. 113F ist nicht so heiß und es gibt sicherlich handelsübliche Klimaanlagen, die unter diesen Bedingungen funktionieren sollen. Wenn der Raum immer mit 2 oder 3 Einheiten gekühlt wird, ist dies zuverlässig. Dies ist jedoch ein Bereich, in dem Sie unbedingt einen Experten konsultieren sollten.

Die Antwort ist einfach, aber nicht unbedingt akzeptabel :-).

• Das Abkühlen ist am einfachsten.

• Eine Klimaanlage mit unterschiedlichem Kältemittel kann ausreichen - HLK-Experten können beraten.

• Die Zuverlässigkeit des Systems und die Reaktion auf Fehler müssen geplant werden. Muss es redundant und ausfallsicher sein oder sollte es bei einem Kühlungsfehler heruntergefahren werden?

• Sie müssen die maximale "lokale Umgebungstemperatur" bestimmen, bei der das Gerät arbeiten wird.

• Sie müssen eine "lokale Umgebung bereitstellen, die niemals heißer als die akzeptable maximale Umgebungstemperatur ist.

• Wenn die erforderliche Temperatur unter der lokalen Umgebungstemperatur von 45 ° C liegt, MÜSSEN Sie für Kühlung sorgen, um die lokale Temperatur aufrechtzuerhalten.

Nachdem Sie diese notwendige, aber unvermeidbare Anforderung festgelegt haben, können Sie sie auf zwei Arten angehen.

Annehmen:

Die Umgebungstemperatur beträgt niemals> 45 ° C.

Umgebungstemperatur = Minentemperatur = Ta.

Lokale Temperatur = Gehäusetemperatur des Geräts = Tl

Dann auch nicht

1 Sie können das Gerät bei Ta (45C) betriebsbereit machen.

oder

2 Sie können Tl mit der Kühlung eines Gehäuses versorgen.

1 ist überlegen, wenn Sie es erreichen können, da es weniger Langzeitpflege, Management und Zuverlässigkeit erfordert. Wenn Sie Geräte finden, die bei 50 ° C (Ta + 5) betrieben werden, können Sie mit geblasener Luft und sehr gutem Design für Kühlung sorgen. Fähigkeit, bei Ta + 10 zu arbeiten (55 ° C wäre besser und TA + 15 oder 20 noch besser). Kühlkörper mit einer Nennleistung von 1C / Watt werden ziemlich beeindruckend, sodass Sie bei Ta + 5 nur 5 Watt mit einem 1C / W-Kühlkörper oder 20 Watt bei Ta + 20 verbrauchen können. Wenn Sie wesentlich mehr als 10 Watt Verlustleistung benötigen, können Sie eine "Heatpipe" -Übertragung von der Ausrüstung weg verwenden, die dann so stark geblasene Kühlkörper wie erforderlich ermöglicht.

Sie erwähnen "einen Laptop", aber Sie werden wahrscheinlich feststellen, dass es benutzerdefinierte Geräte gibt, die Ihren Computeranforderungen entsprechen und auf geringen Stromverbrauch und raue Umgebungsbedingungen ausgerichtet sind. Letztendlich kann ein solches speziell entwickeltes Gerät billiger sein als ein Standard-Laptop + viel Schmerz.

Wenn zB Ihre Fotovervielfacherröhren unter Ta laufen MÜSSEN, MÜSSEN Sie sie abkühlen.

KÜHLUNG:

In dieser Umgebung gibt es zahlreiche Möglichkeiten zur Kühlung. Die wahrscheinlich einfachste und einfachste und höchste Kapazität in dieser Umgebung, sofern genügend Leistung zur Verfügung steht, ist eine Standardklimaanlage oder ein Kühlschrank mit "Rankine-Zyklus", ABER mit dem Kältemitteltyp und den von einem Klimaanlagenexperten entworfenen Drücken / Füllungen. Während Standardgeräte von der Stange wahrscheinlich keine Kältemittel haben, die für Thot = Ta = 45 ° C optimal sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass kaum mehr als eine Nachfüllung mit einem geeigneteren Kältemittel erforderlich ist. Dies ist eine so attraktive Option, dass das Gespräch mit einem HLK-Experten eine Ihrer ersten Maßnahmen sein sollte. Siehe [1] am Ende für einige wahrscheinliche Ausgangspunkte.

Stirlingkühler:

Hocheffiziente Stirling-Fahrradausrüstung. Mehrere Lieferanten. Sunpower et al.

Der Coleman Stirling Campingkühler kann Ihre Anforderungen direkt erfüllen. NICHT zu verwechseln mit billigeren Peltier-Kühlern. Ich kann Hinweise auf die Hersteller dieser und ähnlicher Stirling-Fahrradgeräte geben.

Peltier:

Gemäß elektrischen Kühlbehältern ABER richtig gemacht. Peltier-Geräte können in der von Ihnen beschriebenen Umgebung völlig ausreichend funktionieren. 10C Drop ist einfach und 20C plus ist machbar. Benötigt das richtige Design. Eine benutzerdefinierte Lösung kann am besten sein.

Benötigt wenig mehr als geeignete Kühlkörper, erheblichen Ta-Luftstrom, geringeren Tl-Luftstrom, Peltier-Geräte + Leistung. Peltier-Kühler mit einer Energiezufuhrkapazität von 50 W - 100 W sind verfügbar. Jedes von diesen würde in dieser Umgebung vielleicht 5 W - 10 W Gerätelast kühlen. TBD von Natur aus. Mehrere Peltier-Module werden verwendet, um den Bedarf zu decken.

Verdunstung. Ein Verdunstungskühler mit Wasser ("Sumpfkühler") kann ausreichen und einer mit anderen Flüssigkeiten kann. Dies nähert sich einer Klimaanlage, wenn dies in diesem Zusammenhang richtig gemacht wird.

Mehr bei Bedarf ...

[1] Wahrscheinlich nützliche Kältemittelstandorte:

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

20 Kältemittel zu verkaufen! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

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

Thermoelektrische Geräte (oder thermoelektrische Kühler, auch bekannt als TECs oder Peltier-Elemente) pumpen Wärme von einer Seite des Geräts zur anderen und können häufig Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten von bis zu 60 ° C erzeugen. Wenn Sie sie auf einer Seite auf 30 ° C abkühlen lassen, ist die andere Seite viel heißer als die Umgebungstemperatur von 45 ° C, sodass die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Erzwungene Kühlung (Lüfter) kann die Leistung verbessern.

Sie müssen so etwas wie einen (Mini) Kühlschrank bauen, wobei sich die TECs zwischen den Kühlkörpern innerhalb und außerhalb der Box befinden. Größe und Stromverbrauch der TECs hängen von der Menge an Energie ab, die sie verdrängen müssen.

Sie haben grundsätzlich drei "Werkzeuge" zu verwenden:

1.) Verringern Sie den Wärmewiderstand von Ihrer Wärmequelle zur Umgebung.

2.) Verringern Sie die erzeugte Wärme;

3.) Niedrigere "Umgebungstemperatur";

Temperatur der Elektronik = Te

Umgebungstemperatur = Ta

Wärmeerzeugung = P; typischerweise in Watt (W) angegeben.

Der Wärmewiderstand von Te nach Ta ist R; typischerweise angegeben in (Grad C) / W.

Te = Ta + PR. Eine andere Schreibweise ist: Te-Ta = Delta T = PR

Sie haben ein zulässiges Te, das Sie pflegen müssen. Nehmen wir an (zur Diskussion), es ist 80C (176F). Dein Ta ist 45C. Das bedeutet, dass Ihr Delta T 80 ° C - 45 ° C = 35 ° C beträgt. ~ WENN ~ Sie ein schönes, bequemes Büro hätten, wäre Ta gleich 25 ° C und Ihr Delta T wäre 80 ° C - 25 ° C = 55 ° C.

Für ein Büro ist Delta T = PR = 55. Für eine heiße Mine ist Delta T = PR = 35.

Sie sehen, eine heiße Mine macht es nur schwieriger (nicht unmöglich), Ihre Elektronik zu kühlen. Es bedeutet, dass Sie R für das heiße Minenszenario ungefähr 2/3 von dem machen müssen, was es für das coole Büro wäre. Sie können dies tun, indem Sie die Wärmeleitfähigkeit und / oder den Luftstrom erhöhen.

Nicht das, was ich tun würde, aber Sie könnten auch die "Umgebung" innerhalb der Box mit einem Kühlaggregat senken. Ja, es wird funktionieren, wenn Sie es mit Strom versorgen können. Es muss Ihr Bier nicht kalt halten: Das Verringern der Umgebungstemperatur von 45 ° C auf 20 ° C sollte ausreichen, um das Braten Ihres Laptops zu verhindern.

Sie können P auch reduzieren, indem Sie den Laptop sorgfältig kaufen und / oder übertakten. Wenn Sie Daten protokollieren, benötigen Sie wahrscheinlich nicht den Quad-Core mit der höchsten Ausgabe und einer GPU, mit der Sie die neuesten FPS-Videospiele spielen können. Kaufen Sie für geringen Strom.