Cómo enfriar la electrónica cuando el aire siempre está caliente

Estoy en el proceso de planificar un experimento que implica colocar algunos equipos eléctricos en una mina durante un año o más. Donde el equipo se colocará en la mina (770 m de profundidad), la temperatura ambiente será constantemente de aproximadamente 45 ° C. Necesito verificar esto, pero imagino que también será bastante húmedo.

Específicamente, el equipo que usaré incluye: una computadora portátil, dos tubos foto-multiplicadores de alto voltaje (hasta 2.5kV, baja corriente CC) (cuyas fuentes de alimentación indudablemente generan una cantidad significativa de su propio calor) y un bajo voltaje Tablero DAQ.

El problema es que en la mina (o de manera equivalente en un desierto o en un entorno industrial de alta temperatura) el calor constante significa el método normal de enfriamiento de los componentes, al ventilar el aire ambiental sobre ellos, simplemente no funcionará. Además, había considerado poner el equipo en un "mini refrigerador", pero el intercambiador de calor en la parte posterior también depende del aire ambiente frío, por lo que pronto se rompería.

El equipo se alojará en una caja sellada para que sea posible explotar este hecho a fin de mantener todo el volumen interno a una temperatura más amigable para el procesador. Sin embargo, para ser sincero, no sé por dónde empezar.

Francamente, si "no sabe por dónde empezar", busque a alguien que sí lo sepa. Parece que el costo del fracaso es muy alto, por lo que este no es el momento de experimentar y aprender de los errores. Encuentra a alguien que sepa esto. Puedes mirar por encima del hombro e intentar hacer la mayor cantidad de trabajo posible para la próxima vez que seas el experto. Creo que entiendo bastante bien los principios básicos y podría hacer que algo funcione. Sin embargo, para una confiabilidad extra alta, generalmente hay mucha tradición y experiencia que no se adivinaría solo por la física. No asumiría esto sin un experto al menos para hacer preguntas ocasionales y bendecir el diseño final. Entonces, desde una perspectiva no experta, aquí hay algunos pensamientos:

Primero 45C no es tan caliente. Es solo 113F, que no está fuera de línea para la temperatura del aire de sombra en verano en varias partes del mundo. Los dispositivos electrónicos ordinarios, a menos que sean específicamente para uso en laboratorio u otras restricciones ambientales, se habrán diseñado para funcionar a 45 ° C. Piénsalo. Si dejó su teléfono celular en el tablero de su automóvil estacionado bajo el sol de verano en Phoenix, probablemente no lo culpe 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 estarías enojado si tu teléfono celular no funcionara. Eso es 113F.

Segundo, otras dos ventajas que tiene es que este 45C es altamente confiable y esencialmente infinito. En otras palabras, es 45C todo el tiempo ya sea verano o invierno en la superficie. Además, puede descargar unos pocos kW en una "habitación" de tamaño razonable de esta mina, y seguirá siendo 45C.

Entonces, la mejor solución, como también señaló Russell, es especificar las cosas para que funcionen bien a 45 ° C. Espacíelos lo suficiente para que cada cosa vea el ambiente a 45 ° C, preferiblemente sin necesidad de ningún enfriamiento de aire forzado. De esa manera, no tiene que preocuparse por lo que sucede cuando se rompe la bobina. Una vez más, la mayoría de los equipos electrónicos ya deberían estar bien con eso. La vida útil puede disminuir, así que disminuya. Obtenga cosas de buena calidad que normalmente deberían durar 10 años.

Si realmente necesita enfriamiento, mi primera reacción instintiva es construir una habitación pequeña y ponerle 2 o 3 aires acondicionados. Asegúrese de que cualquier aire acondicionado tenga la capacidad de enfriar la habitación lo suficiente. Los múltiples aires acondicionados son para redundancia. Parece decir que solo son unos pocos kW, que es pequeño a medida que avanzan los acondicionadores de aire. 1 kW es solo 3400 BTU / hora. Además, parece que no es necesario enfriar hasta el último elemento, por lo que parte de la energía que necesita se puede disipar fuera de la habitación y no se agrega a la carga del aire acondicionado. El 113F no hace tanto calor y ciertamente hay acondicionadores de aire listos para usar que están diseñados para funcionar en esas condiciones. Tener 2 o 3 unidades siempre en enfriamiento de la habitación es para mayor confiabilidad. Sin embargo, esta es un área en la que realmente debería consultar a un experto.

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

• El enfriamiento será más fácil.

• El aire acondicionado con refrigerante diferente puede ser suficiente: los expertos en climatización pueden aconsejarlo.

• La confiabilidad del sistema y la respuesta a fallas deben ser planificadas. ¿Tiene que ser redundante a prueba de fallas o debe cerrarse si falla la refrigeración?

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

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

• Si la temperatura necesaria está por debajo del 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.

Asumir:

La temperatura ambiente nunca es> 45 C.

Ambiente = temperatura de la mina = Ta.

Temperatura local = temperatura de la carcasa del equipo = Tl

Entonces tambien

1 Puede hacer que el equipo funcione en Ta (45C)

o

2 Puede proporcionar enfriamiento de un gabinete a Tl.

1 es superior si puede lograrlo, ya que implica menos atención a largo plazo, administración y confiabilidad. Si puede encontrar equipos que funcionen a 50 ° C (Ta + 5), podrá proporcionar refrigeración con aire soplado y muy buen diseño. Capacidad para operar a Ta + 10 (55C sería mejor y TA + 15 o 20 aún mejor). Los disipadores de calor de 1C / Watt se están volviendo bastante impresionantes, por lo que en Ta + 5 solo puede disipar 5 Watt con un disipador de calor de 1C / W o 20 Watt en Ta + 20. Si necesita una disipación sustancial de más de aproximadamente 10 vatios, puede usar la transferencia de "tubo de calor" fuera del equipo que luego permite los disipadores de calor soplados tan sustanciales como sea necesario.

Usted menciona "una computadora portátil", pero probablemente encontrará que hay dispositivos personalizados que satisfacen sus necesidades informáticas y que están destinados a condiciones ambientales difíciles y de baja potencia. En última instancia, un dispositivo diseñado para tal fin puede ser más barato que una computadora portátil estándar + mucho dolor.

Si, por ejemplo, sus tubos multiplicadores de fotografías DEBEN correr debajo de Ta, DEBE enfriarlos.

ENFRIAMIENTO:

Existen numerosos medios de enfriamiento en ese entorno. La capacidad más fácil y más simple y probable en ese entorno, siempre que haya suficiente energía disponible, es un aire acondicionado o refrigerador de "ciclo Rankine" estándar PERO con el tipo de refrigerante y las presiones / llenado diseñados por un experto en aire acondicionado. Si bien es improbable que las unidades estándar no tengan refrigerantes que sean óptimos para Thot = Ta = 45C, es muy probable que se requiera poco más que una recarga con un refrigerante más apropiado. Esta es una opción tan atractiva que hablar con un experto en HVAC debería ser una de sus primeras acciones. Ver [1] al final para algunos puntos de partida probables.

Stirling Cooler:

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

El refrigerador para camping Coleman Stirling puede satisfacer sus necesidades directamente. NO debe confundirse con enfriadores tipo Peltier más baratos. Puedo proporcionar referencias a los fabricantes de este y otros equipos de ciclo Stirling similares.

Peltier

Según los contenedores eléctricos fríos PERO hecho correctamente. Los dispositivos Peltier pueden funcionar de manera totalmente adecuada en el entorno que usted describe. La caída de 10C es fácil y 20C plus es factible. Necesita un diseño adecuado. Una solución personalizada puede ser la mejor.

Necesita poco más que disipadores de calor adecuados, flujo de aire Ta sustancial, flujo de aire Tl más bajo, dispositivos Peltier + potencia. Hay disponibles enfriadores Peltier de 50W - 100W de capacidad de entrada de energía. Cada uno de estos enfriaría quizás 5W - 10W de carga de equipo en este entorno. Por determinar por diseño. Se utilizan múltiples módulos Peltier para satisfacer las necesidades.

Evaporador. PUEDE ser suficiente un enfriador de evaporatove con agua ("Swamp cooler") y uno que use otros fluidos podrá hacerlo. Esto se acerca a un aire acondicionado cuando se realiza 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

Los dispositivos termoeléctricos (o enfriadores termoeléctricos, también conocidos como TEC, también conocidos como elementos Peltier) bombean calor de un lado del dispositivo al otro, a menudo capaces de crear diferencias de temperatura entre ambos lados de hasta 60 ° C. Si los deja enfriar un lado a 30 ° C, el otro lado estará mucho más caliente que el ambiente de 45 ° C, por lo que podrá drenar el calor al ambiente. El enfriamiento forzado (ventilador) puede mejorar el rendimiento.

Tendrá que construir algo así como una (mini) nevera, con los TEC entre disipadores de calor dentro y fuera de la caja, resp. El tamaño y el consumo de energía de los TEC dependerán de la cantidad de energía que tengan que desplazar.

Básicamente tiene tres "herramientas" para usar:

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

2.) Bajar el calor generado;

3.) Baja temperatura "ambiente";

Temperatura de la electrónica = Te

Temperatura ambiente = Ta

Calor generado = P; típicamente dado en vatios (W).

La resistencia térmica de Te a Ta es R; típicamente dado en (grados C) / W.

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

Tiene un Te permitido que necesita mantener. Digamos (en aras de la discusión) es 80C (176F). Tu Ta es 45C. Eso significa que su delta T es 80C - 45C = 35C. ~ SI ~ tuvieras una oficina cómoda y agradable, Ta sería igual a 25C, y tu Delta T sería 80C - 25C = 55C.

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

Entonces, como ve, una mina caliente solo hace que sea más difícil (no imposible) enfriar sus dispositivos electrónicos. Significa que necesita hacer R para el escenario de la mina caliente aproximadamente 2/3 de lo que sería para la oficina genial. puede hacerlo aumentando la conductividad térmica y / o el flujo de aire.

No es lo que haría, pero también podría reducir el "ambiente" dentro de la caja con una unidad de refrigeración. Sí, funcionará si puedes obtener poder. No es necesario que mantenga la cerveza fría: bajar el ambiente de 45C a 20C debería ser suficiente para evitar que su computadora portátil se fríe.

También PUEDE reducir P, comprando cuidadosamente la computadora portátil y / o haciendo un overclocking. Si está haciendo un registro de datos, es probable que no necesite el quad core de mayor rendimiento con una GPU que le permita jugar los últimos videojuegos FPS. Compre bajo consumo de energía.