Comment refroidir l'électronique lorsque l'air est toujours chaud

Je suis en train de planifier une expérience qui consiste à placer du matériel électrique dans une mine pendant un an ou plus. Lorsque l'équipement sera placé dans la mine (770 m de profondeur), la température ambiante sera constamment d'environ 45 ° C. Je dois vérifier cela, mais j'imagine que ce sera également assez humide.

Plus précisément, l'équipement que j'utiliserai comprend: un ordinateur portable, deux tubes photo-multiplicateurs haute tension (jusqu'à 2,5 kV, faible courant continu) (dont les alimentations génèrent sans aucun doute une quantité importante de leur propre chaleur), et une basse tension Carte DAQ.

Le problème est que dans la mine (ou de manière équivalente dans un désert ou un environnement industriel à haute température), la chaleur constante signifie que la méthode normale de refroidissement des composants - en ventilant l'air ambiant sur eux - ne fonctionnera tout simplement pas. De plus, j'avais envisagé de placer l'équipement dans un «mini-réfrigérateur» mais l'échangeur de chaleur à l'arrière dépend également de l'air ambiant frais, il se briserait donc rapidement.

L'équipement sera logé dans une caisse scellée afin qu'il puisse être possible d'exploiter ce fait afin de maintenir le volume intérieur entier à une température plus conviviale pour le processeur. Pour être honnête cependant, je ne sais pas par où commencer.

Franchement, si vous «ne savez pas par où commencer», demandez à quelqu'un de le faire. Il semble que le coût de l'échec soit très élevé, ce n'est donc pas le moment d'expérimenter et d'apprendre des erreurs. Trouvez quelqu'un qui connaît ce genre de choses. Vous pouvez regarder par-dessus leur épaule et essayer de faire autant de travail de grognement que possible, donc la prochaine fois que vous serez l'expert. Je pense que je comprends assez bien les principes de base et que je pourrais faire fonctionner quelque chose. Cependant, pour une fiabilité très élevée, il y a généralement beaucoup de savoir et d'expérience que vous ne devineriez pas à partir de la seule physique. Je ne prendrais pas cela sur moi sans un expert pour au moins poser des questions occasionnelles et bénir le design ultime. Donc, d'un point de vue non expert, voici quelques réflexions:

Le premier 45C n'est pas si chaud. Il ne fait que 113F, ce qui n'est pas hors de propos pour la température de l'air d'été à l'ombre dans diverses parties du monde. Les gadgets électroniques ordinaires, sauf s'ils sont spécifiquement destinés à un laboratoire ou à d'autres contraintes environnementales, auront été conçus pour fonctionner à une température ambiante de 45 ° C. Pensez-y. Si vous avez laissé votre téléphone portable sur le tableau de bord de votre voiture garée sous le soleil d'été à Phoenix, vous ne le blâmeriez probablement pas de ne pas travailler. Bien sûr, vous ne pourriez probablement pas le retenir sans vous blesser non plus. Mais, si vous vous teniez dehors à l'ombre d'un arbre en milieu d'après-midi à Phoenix, vous seriez probablement énervé si votre téléphone portable ne fonctionnait pas. C'est 113F.

Deuxièmement, vous avez deux autres avantages, c'est que ce 45C est très fiable et essentiellement infini. En d'autres termes, il fait 45C tout le temps, que ce soit l'été ou l'hiver en surface. De plus, vous pouvez déverser quelques kW dans une "pièce" de taille raisonnable de cette mine, et ce sera toujours 45C.

Ainsi, la meilleure solution, comme Russell l'a également souligné, est de spécifier les choses pour qu'elles fonctionnent bien à 45 ° C. Espacez-les suffisamment pour que chaque chose voie la température ambiante de 45 ° C, de préférence sans avoir besoin de refroidissement à air forcé. De cette façon, vous n'avez pas à vous soucier de ce qui se passe lorsque le bobinage tombe en panne. Encore une fois, la plupart des équipements électroniques standards devraient déjà convenir à cela. La durée de vie peut diminuer, donc déclassement. Obtenez des trucs de bonne qualité qui devraient normalement durer des dizaines d'années.

Si vous avez vraiment besoin de refroidissement, ma première réaction au genou est de construire une petite pièce et d'y mettre 2 ou 3 climatiseurs. Assurez-vous qu'un climatiseur a la capacité de refroidir suffisamment la pièce. Les climatiseurs multiples sont destinés à la redondance. Vous semblez dire qu'il ne s'agit que de quelques kW, ce qui est petit pour les climatiseurs. 1 kW est seulement 3400 BTU / heure. En outre, il semble que chaque dernier élément n'a pas besoin d'être refroidi, de sorte qu'une partie de la puissance dont vous avez besoin peut être dissipée à l'extérieur de la pièce et n'ajoute pas à la charge du climatiseur. Le 113F n'est pas si chaud et il y a certainement des climatiseurs prêts à l'emploi destinés à fonctionner dans ces conditions. Le fait d'avoir 2 ou 3 unités toujours en train de refroidir la pièce est pour la fiabilité. Cependant, c'est un domaine sur lequel vous devriez vraiment consulter un expert.

La réponse est simple mais pas nécessairement acceptable :-).

• Le refroidissement sera plus facile.

• Un climatiseur avec un réfrigérant différent peut suffire - des experts en CVC peuvent vous conseiller.

• La fiabilité du système et la réponse à la panne doivent être planifiées. Doit-il être redondant-à sécurité intégrée ou doit-il s'arrêter en cas de panne de refroidissement.

• Vous devez déterminer la température maximale "ambiante locale" dans laquelle l'équipement fonctionnera.

• Vous devez fournir un "environnement local qui n'est jamais plus chaud que la température ambiante maximale acceptable.

• Si la température nécessaire est inférieure à la température ambiante locale de 45 C, vous DEVEZ fournir un refroidissement pour maintenir la température locale.

Après avoir établi cette exigence nécessaire mais inévitable, vous pouvez y répondre de deux manières.

Présumer:

La température ambiante n'est jamais> 45 C.

Ambiant = température de la mine = Ta.

Température locale = température du boîtier de l'équipement = Tl

Alors soit

1 Vous pouvez rendre l'équipement capable de fonctionner à Ta (45C)

ou

2 Vous pouvez fournir le refroidissement d'un boîtier à Tl.

1 est supérieur si vous pouvez y parvenir car il implique moins de soins à long terme, de gestion et de fiabilité. Si vous pouvez trouver un équipement qui fonctionnera à 50 ° C (Ta + 5), vous pourrez fournir un refroidissement avec de l'air soufflé et une très bonne conception. Capacité à fonctionner à Ta + 10 (55C serait mieux et TA + 15 ou 20 encore mieux). Les dissipateurs thermiques de 1C / Watt deviennent assez impressionnants, donc à Ta + 5, vous ne pouvez dissiper que 5 Watt avec un dissipateur thermique 1C / W ou 20 Watt à Ta + 20. Si vous avez besoin d'une dissipation sensiblement supérieure à environ 10 watts, vous pouvez utiliser un transfert par "caloduc" loin de l'équipement, ce qui permet de dissiper autant de chaleur que nécessaire.

Vous mentionnez "un ordinateur portable" mais vous constaterez probablement qu'il existe des appareils personnalisés qui répondent à vos besoins informatiques et qui sont destinés à une faible consommation et à des conditions environnementales difficiles. En fin de compte, un tel appareil conçu à cet effet peut être moins cher qu'un ordinateur portable standard + beaucoup de douleur.

Si, par exemple, vos tubes photo-multiplicateurs DOIVENT fonctionner sous Ta, vous DEVEZ les refroidir.

REFROIDISSEMENT:

Il existe de nombreux moyens de refroidissement dans cet environnement. La capacité la plus simple, la plus simple et la plus élevée probablement dans cet environnement, à condition que la puissance soit suffisante, est un climatiseur ou un réfrigérateur "à cycle de Rankine" standard MAIS avec le type de réfrigérant et les pressions / remplissage conçus par un expert en climatisation. Bien qu'il soit peu probable que les unités standard sur étagère contiennent des réfrigérants qui sont optimaux pour Thot = Ta = 45C, il est très probable qu'un peu plus qu'une recharge avec un réfrigérant plus approprié serait nécessaire. C'est une option tellement attrayante que parler à un expert HVAC devrait être l'une de vos premières actions. Voir [1] à la fin pour certains points de départ probables.

Refroidisseur Stirling:

Équipement à cycle Stirling à haute efficacité. Plusieurs fournisseurs. Sunpower et al.

La glacière de camping Coleman Stirling peut répondre directement à vos besoins. À ne pas confondre avec les refroidisseurs de type Peltier moins chers. Je peux fournir des références aux fabricants de cet équipement de cycle Stirling et similaire.

Peltier:

Selon les bacs électriques froids MAIS fait correctement. Les appareils Peltier peuvent fonctionner de manière tout à fait adéquate dans l'environnement que vous décrivez. La baisse de 10C est facile et 20C plus est faisable. A besoin d'une conception appropriée. Une solution personnalisée peut être la meilleure.

Nécessite un peu plus que des dissipateurs thermiques appropriés, un débit d'air Ta substantiel, un débit d'air Tl inférieur, des appareils Peltier + puissance. Des refroidisseurs Peltier d'une capacité d'entrée d'énergie de 50W - 100W sont disponibles. Chacun d'eux refroidirait peut-être 5 à 10 W de charge d'équipement dans cet environnement. À déterminer par conception. Plusieurs modules Peltier sont utilisés pour répondre aux besoins.

Évaporatif. Un refroidisseur à évaporateur utilisant de l'eau ("Swamp cooler") PEUT suffire et un autre utilisant d'autres fluides le pourra. Cela se rapproche d'un climatiseur lorsqu'il est correctement fait dans ce contexte.

Plus si besoin ...

[1] Sites de réfrigérants probablement utiles:

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

20 réfrigérants à vendre! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

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

Les appareils thermo-électriques (ou refroidisseurs thermo-électriques, aussi appelés TEC, ou éléments Peltier) pompent la chaleur d'un côté à l'autre de l'appareil, souvent capables de créer des différences de température entre les deux côtés jusqu'à 60 ° C. Si vous les laissez refroidir d'un côté à 30 ° C, l'autre côté sera beaucoup plus chaud que la température ambiante de 45 ° C, il pourra donc drainer la chaleur vers l'environnement. Le refroidissement forcé (ventilateur) peut améliorer les performances.

Vous devrez construire quelque chose comme un (mini) réfrigérateur, avec les TEC entre les dissipateurs de chaleur à l'intérieur et à l'extérieur de la boîte, resp. La taille et la consommation d'énergie des TEC dépendront de la quantité d'énergie à déplacer.

Vous avez essentiellement trois "outils" à utiliser:

1.) Réduisez la résistance thermique de votre source de chaleur à la température ambiante;

2.) Réduisez la chaleur générée;

3.) Température "ambiante" inférieure;

Température de l'électronique = Te

Température ambiante = Ta

Chaleur générée = P; généralement donné en Watts (W).

La résistance thermique de Te à Ta est R; généralement donné en (degrés C) / W.

Te = Ta + PR. Une autre façon d'écrire qui est: Te-Ta = Delta T = PR

Vous avez un Te admissible que vous devez maintenir. Disons (pour les besoins de la discussion) que c'est 80C (176F). Votre Ta est 45C. Cela signifie que votre delta T est 80C - 45C = 35C. ~ SI ~ vous aviez un beau bureau confortable, Ta serait égal à 25C, et votre delta T serait de 80C - 25C = 55C.

Pour un bureau, delta T = PR = 55. Pour une mine chaude, delta T = PR = 35.

Donc, voyez-vous, une mine chaude ne fait que rendre plus difficile (pas impossible) le refroidissement de vos appareils électroniques. Cela signifie que vous devez faire R pour le scénario de la mine chaude environ 2/3 de ce que ce serait pour le bureau cool. vous pouvez le faire en augmentant la conductivité thermique et / ou le débit d'air.

Ce n'est pas ce que je ferais, mais vous pouvez également abaisser la "température ambiante" dans la boîte avec une unité de réfrigération. Oui, cela fonctionnera si vous pouvez le mettre sous tension. Il n'est pas nécessaire de garder votre bière froide: abaisser la température ambiante de 45 ° C à 20 ° C devrait suffire à empêcher votre ordinateur portable de frire.

Vous POUVEZ également réduire P, en achetant soigneusement l'ordinateur portable et / ou en le cadencant. Si vous faites un enregistrement de données, vous n'avez probablement pas besoin du quad core le plus élevé avec un GPU qui permet de jouer aux derniers jeux vidéo FPS. Achetez de la faible puissance.