Cómo enfriar los aparatos electrónicos cuando el aire está siempre caliente

Question

Estoy planeando un experimento que consiste en colocar algunos equipos eléctricos en una mina durante un año o más. En el lugar de la mina donde se colocará el equipo (770 m de profundidad), la temperatura del ambiente será constantemente de aproximadamente 45C. Tengo que comprobarlo, pero imagino que también habrá bastante humedad.

En concreto, el equipo que utilizaré incluye: un ordenador portátil, dos tubos fotomultiplicadores de alto voltaje (hasta 2,5kV, baja corriente continua) (cuyas fuentes de alimentación generan, sin duda, una cantidad significativa de su propio calor), y una placa DAQ de bajo voltaje.

El problema es que en la mina (o, por el contrario, en un desierto o en un entorno industrial de alta temperatura) el calor constante significa que el método normal de refrigeración de los componentes -abanicando el aire ambiente sobre ellos- simplemente no funciona. Además, había pensado en colocar el equipo en una "mininevera", pero el intercambiador de calor de la parte trasera también depende del aire ambiente frío, por lo que pronto se rompería.

El equipo estará alojado en una caja sellada, por lo que se puede aprovechar este hecho para mantener todo el volumen interior a una temperatura más adecuada para el procesador. Sin embargo, para ser sincero, no sé por dónde empezar.

Answer 1

La respuesta es fácil pero no necesariamente aceptable :-).

• El enfriamiento será más fácil.

• El aire acondicionado con otro refrigerante puede ser suficiente - los expertos en HVAC pueden aconsejar.

• Hay que planificar la fiabilidad del sistema y la respuesta a los fallos. ¿Es necesario que sea redundante y a prueba de fallos o que se apague en caso de fallo de refrigeración?

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• Debe determinar la temperatura máxima "ambiente local" en la que funcionará el equipo.

• Debe proporcionar un "entorno local que nunca esté más caliente que la temperatura ambiental máxima aceptable".

• Si la temperatura necesaria es inferior a la temperatura ambiente local de 45 C, DEBE proporcionar refrigeración para mantener la temperatura local.

Una vez establecido este requisito necesario pero inevitable, puede abordarlo de dos maneras.

Supongamos:

La temperatura ambiente nunca es superior a 45 C.

Ambiente = temperatura de la mina = Ta.

Temperatura local = temperatura de la carcasa del equipo = Tl

Entonces

1 Puede hacer que el equipo pueda funcionar a Ta (45C )

o

2 Puede proporcionar la refrigeración de un recinto a Tl.

El 1 es superior si puedes conseguirlo ya que implica menos cuidados y gestión a largo plazo y fiabilidad. Si puedes encontrar un equipo que funcione a 50C (Ta+5) podrás proporcionar refrigeración con aire soplado y muy buen diseño. Capacidad para funcionar a Ta+10 (55C sería mejor y TA + 15 o 20 mejor aún). Los disipadores de 1C/Watio se están volviendo bastante impresionantes, así que a Ta+5 sólo puedes disipar 5 Watios con un disipador de 1C/W o 20 Watios a Ta+20. Si se necesita una disipación sustancialmente superior a unos 10 vatios, se puede utilizar la transferencia de "tubos de calor" lejos del equipo, lo que permite que los disipadores de calor soplados sean tan sustanciales como sea necesario.

Usted menciona "un ordenador portátil", pero probablemente descubrirá que hay dispositivos a medida que satisfacen sus necesidades informáticas y que están orientados a la baja potencia y a las condiciones ambientales adversas. En última instancia, un dispositivo de este tipo diseñado a medida puede ser más barato que un ordenador portátil estándar + mucho dolor.

Si, por ejemplo, sus tubos fotomultiplicadores deben funcionar a menos de Ta, entonces debe enfriarlos.

ENFRIAMIENTO:

Existen numerosos medios de refrigeración en ese entorno. El más fácil, sencillo y de mayor capacidad en ese entorno, siempre que se disponga de suficiente energía, es un acondicionador de aire o refrigerador de "ciclo Rankine" estándar PERO con el tipo de refrigerante y las presiones/relleno diseñados por un experto en aire acondicionado. Aunque es poco probable que las unidades estándar tengan refrigerantes óptimos para Thot = Ta = 45C, es bastante probable que se necesite poco más que un relleno con un refrigerante más apropiado. Esta es una opción tan atractiva que una de las primeras acciones que debe realizar es hablar con un experto en climatización. Consulte [1] al final para conocer algunos puntos de partida probables.

El refrigerador Stirling:

Equipo de ciclo Stirling de alta eficiencia. Varios proveedores. Sunpower y otros.

La nevera de camping Coleman Stirling puede satisfacer directamente su necesidad. No debe confundirse con las neveras más baratas de tipo Peltier. Puedo proporcionar referencias de los fabricantes de este y otros equipos similares de ciclo Stirling.

Peltier:

Según los contenedores de frío eléctrico PERO hecho correctamente. Los dispositivos Peltier pueden funcionar de forma totalmente adecuada en el entorno que describes. La caída de 10C es fácil y 20C más es factible. Se necesita un diseño adecuado. Una solución a medida puede ser lo mejor.

Necesita poco más que disipadores adecuados, un flujo de aire Ta importante, un flujo de aire Tl más bajo, dispositivos Peltier + potencia. Existen refrigeradores Peltier con una capacidad de entrada de energía de 50W a 100W. Cada uno de ellos enfriaría quizás 5W - 10W de carga de equipo en este entorno. TBD por diseño. Se utilizan varios módulos Peltier para satisfacer las necesidades.

Evaporación. Un enfriador evaporativo que utilice agua ("Swamp cooler") PUEDE ser suficiente y uno que utilice otros fluidos podrá. Esto se acerca a un acondicionador de aire cuando se hace correctamente en este contexto.

Más si es necesario...

[1] Sitios de refrigerantes probablemente útiles:

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

¡20 refrigerantes a la venta! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

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

Answer 2

Dispositivos termoeléctricos (o refrigeradores termoeléctricos, aka TECs, aka elementos Peltier) bomba de calor de un lado a otro del aparato, a menudo capaces de crear diferencias de temperatura entre ambos lados de hasta 60°C. Si se deja enfriar un lado hasta los 30°C, el otro lado estará mucho más caliente que los 45°C ambientales, por lo que podrá drenar calor al entorno. La refrigeración forzada (ventilador) puede mejorar el rendimiento.

Tendrá que construir algo parecido a una (mini)nevera, con los TEC entre disipadores de calor en el interior y el exterior de la caja, respectivamente. El tamaño y el consumo de energía de los TEC dependerán de la cantidad de energía que tengan que desplazar.

Answer 3

Francamente, si "no sabes por dónde empezar", busca a alguien que sí lo sepa. Parece que el coste del fracaso es muy alto, así que no es el momento de experimentar y aprender de los errores. Busca a alguien que sepa de estas cosas. Puedes mirar por encima de su hombro e intentar hacer la mayor parte del trabajo sucio posible para que la próxima vez seas tú el experto. Creo que entiendo bastante bien los principios básicos y puedo conseguir que algo funcione. Sin embargo, para una fiabilidad extra alta suele haber mucho conocimiento y experiencia que no se adivina sólo por la física. Yo no me encargaría de esto sin un experto al que, al menos, preguntar de vez en cuando y bendecir el diseño final. Así que desde un punto de vista no experto, he aquí algunas ideas:

En primer lugar, 45C no es tan caliente. Son sólo 113F, lo que no está fuera de la línea de la temperatura del aire de la sombra de verano en varias partes del mundo. Los aparatos electrónicos ordinarios, a menos que sean específicamente para uso de laboratorio u otras limitaciones ambientales, habrán sido diseñados para funcionar a 45C de temperatura ambiente. Piénsalo. Si dejaras tu teléfono móvil en el salpicadero de tu coche aparcado bajo el sol del verano en Phoenix, probablemente no lo culparías por no funcionar. Por supuesto, probablemente tampoco podrías sostenerlo sin hacerte daño. Pero, si estuvieras parado afuera bajo la sombra de un árbol a media tarde en el verano en Phoenix, probablemente te enojarías si tu teléfono celular no funcionara. Eso es 113F.

En segundo lugar, otras dos ventajas que tiene es que este 45C es altamente fiable, y esencialmente infinito. En otras palabras, hay 45C todo el tiempo, sea verano o invierno en la superficie. Además, se pueden verter unos cuantos kW en una "habitación" de tamaño razonable de esta mina, y seguirán siendo 45C.

Así que la mejor solución, como Russell también señaló, es especificar las cosas para que funcionen bien a 45C ambiente. Espaciarlas lo suficiente para que cada cosa vea los 45C de ambiente, preferiblemente sin necesidad de refrigeración por aire forzado. De esta manera no tienes que preocuparte por lo que ocurre cuando se rompe la bobina. Una vez más, la mayoría de los equipos electrónicos disponibles deberían estar bien con eso. La vida útil puede disminuir, por lo que hay que reducirla. Consigue material de buena calidad que debería durar 10 años normalmente.

Si realmente necesitas refrigeración, mi primera reacción instintiva es construir una pequeña habitación y poner 2 o 3 aires acondicionados en ella. Asegúrate de que cualquiera de los aires acondicionados tenga la capacidad de enfriar la habitación lo suficiente. Los aires acondicionados múltiples son para la redundancia. Parece que dices que sólo son unos pocos kW, lo cual es poco para los acondicionadores de aire. 1 kW es sólo 3400 BTU/hora. Además, parece que no es necesario enfriar hasta el último elemento, por lo que parte de la energía que necesitas se puede disipar fuera de la habitación y no se añade a la carga del aire acondicionado. 113F no es tan caliente y hay ciertamente los acondicionadores de aire del estante previstos para trabajar bajo esas condiciones. Tener 2 o 3 unidades siempre encendidas enfriando la habitación es para la fiabilidad. Sin embargo, este es un área que realmente debe consultar a un experto.

Answer 4

Tienes básicamente tres "herramientas" para usar:

1.) Reduzca la resistencia térmica de su fuente de calor al ambiente;

2.) Reducir el calor generado;

3.) Temperatura "ambiente" más baja;

Temperatura de la electrónica = Te

Temperatura ambiente = Ta

Calor generado = P; normalmente se indica en vatios (W).

La resistencia térmica de Te a Ta es R; normalmente se indica en (grados C)/W.

Te = Ta + PR. Otra forma de escribirlo es: Te-Ta = Delta T = PR

Tienes una Te permitida que debes mantener. Digamos (por el bien de la discusión) que es 80C (176F). Su Ta es de 45C. Eso significa que tu delta T es 80C - 45C = 35C. ~Si tuvieras una oficina confortable, la Ta sería de 25C, y tu delta T sería de 80C - 25C = 55C.

Para una oficina, delta T = PR = 55. Para una mina caliente, delta T = PR = 35.

Así que, como ves, una mina caliente sólo dificulta (no imposibilita) la refrigeración de tus aparatos electrónicos. Significa que necesitas hacer R para el escenario de la mina caliente alrededor de 2/3 de lo que sería para la oficina fría. puedes hacer esto aumentando la conductividad térmica y/o el flujo de aire.

No es lo que yo haría, pero también podrías bajar el "ambiente" dentro de la caja con una unidad de refrigeración. Sí, funcionará si se le puede suministrar energía. No tiene que mantener la cerveza fría: bajar el ambiente de 45C a 20C debería ser suficiente para evitar que el portátil se fría.

También PUEDES reducir la P, comprando cuidadosamente el portátil y/o haciendo underclocking. Si estás haciendo un registro de datos, probablemente no necesites el quad core de mayor potencia con una GPU que te permita jugar a los últimos videojuegos FPS. Compra de baja potencia.