Como resfriar eletrônicos quando o ar está sempre quente

Estou planejando um experimento que envolve a colocação de algum equipamento elétrico em uma mina por um ano ou mais. Onde o equipamento será colocado na mina (770m de profundidade), a temperatura ambiente será constantemente de aproximadamente 45 ° C. Preciso verificar isso, mas imagino que também será bastante úmido.

Especificamente, o equipamento que vou usar inclui: um laptop, dois tubos foto-multiplicadores de alta voltagem (até 2,5kV, baixa corrente CC) (cujas fontes de alimentação indubitavelmente geram uma quantidade significativa de seu próprio calor) e uma baixa voltagem Placa DAQ.

O problema é que na mina (ou equivalente em um deserto ou em um ambiente industrial de alta temperatura) o calor constante significa o método normal de resfriamento de componentes - ventilando o ar ambiente sobre eles - simplesmente não funciona. Além disso, eu tinha pensado em colocar o equipamento em um 'frigobar', mas o trocador de calor na parte de trás também conta com ar fresco do ambiente para que ele se quebre em breve.

O equipamento será alojado em uma caixa selada, para que seja possível explorar esse fato, a fim de manter todo o volume interno a uma temperatura mais favorável ao processador. Para ser sincero, no entanto, não sei por onde começar.

Francamente, se você "não sabe por onde começar", procure alguém que saiba. Parece que o custo do fracasso é muito alto; portanto, não é hora de experimentar e aprender com os erros. Encontre alguém que conheça essas coisas. Você pode olhar por cima do ombro deles e tentar fazer o máximo possível do trabalho pesado, para a próxima vez que você for especialista. Acho que entendi muito bem os princípios básicos e poderia fazer alguma coisa funcionar. No entanto, para uma confiabilidade extremamente alta, geralmente existe muita sabedoria e experiência que você não imaginaria apenas da física. Eu não aceitaria isso sem um especialista para, pelo menos, fazer perguntas ocasionais e abençoar o design final. Portanto, de uma visão não especializada, aqui estão alguns pensamentos:

O primeiro 45C não é tão quente assim. É apenas 113F, que não está fora de linha para a temperatura do ar na sombra do verão em várias partes do mundo. Aparelhos eletrônicos comuns, a menos que especificamente para uso em laboratório ou outras restrições ambientais, foram projetados para funcionar a 45 ° C. Pense nisso. Se você deixasse o celular no painel do carro estacionado ao sol do verão em Phoenix, provavelmente não o culparia por não funcionar. É claro que você provavelmente não poderia segurá-lo sem se machucar também. Mas, se você estivesse do lado de fora à sombra de uma árvore no meio da tarde do verão em Phoenix, provavelmente ficaria chateado se o seu celular não funcionasse. Isso é 113F.

Segundo, duas outras vantagens que você tem é que esse 45C é altamente confiável e essencialmente infinito. Em outras palavras, é 45C o tempo todo, seja verão ou inverno na superfície. Além disso, você pode despejar alguns kW em uma "sala" de tamanho razoável desta mina, e ainda será 45C.

Portanto, a melhor solução, como Russell também apontou, é especificar as coisas para que funcionem bem a 45 ° C. Afaste-os o suficiente para que cada coisa veja o ambiente a 45 ° C, de maneira perferível, sem a necessidade de nenhum resfriamento forçado do ar. Dessa forma, você não precisa se preocupar com o que acontece quando a bobina se quebra. Novamente, a maioria dos equipamentos eletrônicos de prateleira já deve estar bem com isso. A vida útil pode diminuir, portanto, desvalorize. Obter coisas de boa qualidade que devem durar 10s normalmente.

Se você realmente precisa de refrigeração, minha primeira reação instintiva é construir uma pequena sala e colocar 2 ou 3 aparelhos de ar condicionado nela. Verifique se qualquer um dos aparelhos de ar condicionado tem a capacidade de resfriar a sala o suficiente. Os vários aparelhos de ar condicionado são redundantes. Você parece dizer que são apenas alguns kW, o que é pequeno para os condicionadores de ar. 1 kW é de apenas 3400 BTU / hora. Além disso, parece que nem todo último item precisa ser resfriado; portanto, parte da energia necessária pode ser dissipada fora da sala e não aumenta a carga do ar-condicionado. 113F não é tão quente e certamente existem aparelhos de ar-condicionado prontos para funcionar sob essas condições. Ter 2 ou 3 unidades sempre em refrigeração da sala é confiável. No entanto, é uma área na qual você realmente deve consultar um especialista.

A resposta é fácil, mas não necessariamente aceitável :-).

• O resfriamento será mais fácil.

• O ar condicionado com refrigerante diferente pode ser suficiente - os especialistas em HVAC podem aconselhar.

• A confiabilidade do sistema e a resposta a falhas devem ser planejadas. Ele precisa ser seguro contra falhas redundantes ou deve ser desligado sob falha de resfriamento.

• Você deve determinar a temperatura "ambiente local" máxima em que o equipamento funcionará.

• Você deve fornecer um "ambiente local que nunca seja mais quente que a temperatura ambiente máxima aceitável.

• Se a temperatura necessária estiver abaixo do ambiente local de 45 ° C, você DEVE fornecer um resfriamento para manter a temperatura local.

Tendo estabelecido esse requisito necessário, mas inevitável, você pode resolvê-lo de duas maneiras.

Presumir:

A temperatura ambiente nunca é> 45 C.

Ambiente = temperatura da mina = Ta.

Temperatura local = temperatura da caixa do equipamento = Tl

Qualquer então

1 Você pode tornar o equipamento capaz de operar em Ta (45C)

ou

2 Você pode fornecer um resfriamento de um gabinete para Tl.

1 é superior se você puder alcançá-lo, pois envolve menos cuidados a longo prazo, gerenciamento e confiabilidade. Se você encontrar equipamentos que funcionem a 50 ° C (Ta + 5), você será capaz de fornecer refrigeração com ar soprado e um design muito bom. Capacidade de operar em Ta + 10 (55C seria melhor e TA + 15 ou 20 melhor ainda). Os dissipadores de calor com classificação de 1C / Watt estão ficando impressionantes; portanto, na Ta + 5, você pode dissipar apenas 5 Watt com um dissipador de calor de 1C / W ou 20 Watt em Ta + 20. Se você precisar de uma dissipação substancialmente superior a 10 Watt, poderá usar a transferência de "tubo de calor" longe do equipamento, o que permite dissipadores de calor soprados, conforme necessário.

Você menciona "um laptop", mas provavelmente descobrirá que existem dispositivos personalizados que atendem às necessidades de computação e que são direcionados a baixa energia e condições ambientais adversas. Em última análise, um dispositivo projetado para esse fim pode ser mais barato que um laptop comum + muita dor.

Se, por exemplo, seus tubos multiplicadores de fotos DEVEM rodar em Ta, é necessário resfriá-los.

RESFRIAMENTO:

Existem numerosos meios de resfriamento nesse ambiente. A provável capacidade mais fácil, mais simples e mais alta nesse ambiente, desde que haja energia suficiente disponível, é um condicionador de ar ou refrigerador "ciclo Rankine" padrão, MAS COM o tipo de refrigerante e as pressões / enchimentos projetados por um especialista em condicionador de ar. Embora seja improvável que as unidades padrão de prateleira possuam refrigerantes ideais para Thot = Ta = 45C, é bem provável que seja necessário pouco mais do que um refil com um refrigerante mais apropriado. Essa é uma opção tão atraente que conversar com um especialista em HVAC deve ser uma de suas primeiras ações. Veja [1] no final para alguns prováveis ​​pontos de partida.

Refrigerador Stirling:

Equipamento de ciclo Stirling de alta eficiência. Vários fornecedores. Sunpower et al.

O refrigerador de acampamento Coleman Stirling pode atender diretamente a sua necessidade. NÃO confunda com refrigeradores mais baratos do tipo Peltier. Posso fornecer referências aos fabricantes deste e de outros equipamentos de ciclo Stirling.

Peltier:

Conforme caixas elétricas frias, mas feito corretamente. Os dispositivos Peltier podem funcionar totalmente adequadamente no ambiente que você descreve. Queda de 10C é fácil e 20C plus é factível. Precisa de um design adequado. Uma solução personalizada pode ser a melhor.

Precisa de pouco mais do que dissipadores de calor adequados, fluxo de ar Ta substancial, fluxo de ar Tl mais baixo, dispositivos Peltier + energia. Resfriadores Peltier com capacidade de entrada de energia de 50W - 100W estão disponíveis. Cada um deles esfriaria talvez 5W - 10W de carga de equipamento nesse ambiente. TBD por design. Vários módulos Peltier são usados ​​para atender às necessidades.

Evaporativo. Um refrigerador de evaporação usando água ("Refrigerador de pântano") PODE ser suficiente e um usando outros fluidos poderá. Isso se aproxima de um ar condicionado quando feito corretamente neste contexto.

Mais se necessário ...

[1] Locais de refrigerantes provavelmente úteis:

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

20 refrigerantes à venda! : http://r22.org/

https://refrigerantcompany.com/

http://www.refrigerants.com/

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

Os dispositivos termoelétricos (ou resfriadores termoelétricos, também conhecidos como TECs, também conhecidos como elementos Peltier) bombeiam calor de um lado para o outro, geralmente capazes de criar diferenças de temperatura entre os dois lados de até 60 ° C. Se você deixá-los esfriar de um lado a 30 ° C, o outro lado estará muito mais quente que o ambiente de 45 ° C, para poder drenar o calor do ambiente. O resfriamento forçado (ventilador) pode melhorar o desempenho.

Você precisará construir algo como uma (mini) geladeira, com os TECs entre dissipadores de calor dentro e fora da caixa, respectivamente. O tamanho e o consumo de energia dos TECs dependerão da quantidade de energia que eles precisam deslocar.

Você tem basicamente três "ferramentas" para usar:

1.) Abaixe a resistência térmica da sua fonte de calor para o ambiente;

2.) Abaixe o calor gerado;

3.) temperatura "ambiente" mais baixa;

Temperatura da eletrônica = Te

Temperatura ambiente = Ta

Calor gerado = P; normalmente fornecido em Watts (W).

A resistência térmica de Te a Ta é R; normalmente indicado em (graus C) / W.

Te = Ta + PR. Outra maneira de escrever isso é: Te-Ta = Delta T = PR

Você tem um Te permitido que você precisa manter. Digamos (por uma questão de discussão) que é 80C (176F). Seu Ta é 45C. Isso significa que seu delta T é 80C - 45C = 35C. ~ SE ~ você tivesse um escritório agradável e confortável, Ta seria igual a 25C e seu delta T seria 80C - 25C = 55C.

Para um escritório, delta T = PR = 55. Para uma mina quente, delta T = PR = 35.

Então, veja bem, uma mina quente apenas torna mais difícil (não impossível) resfriar seus componentes eletrônicos. Isso significa que você precisa fazer R para o cenário de mina quente cerca de 2/3 do que seria para o escritório legal. você pode fazer isso aumentando a condutividade térmica e / ou o fluxo de ar.

Não é o que eu faria, mas você também pode diminuir o "ambiente" dentro da caixa com uma unidade de refrigeração. Sim, funcionará se você conseguir energia. Não é necessário manter a cerveja gelada: reduzir o ambiente de 45 ° C para 20 ° C deve ser suficiente para impedir que o laptop frite.

Você também pode reduzir o P comprando cuidadosamente o laptop e / ou fazendo o underclocking. Se você estiver fazendo registro de dados, provavelmente não precisará do quad core de saída mais alta com uma GPU que permita jogar os jogos de vídeo FPS mais recentes. Compre baixa potência.