Technologie pro velký pracovní teplotní rozsah dovolují systémovým integrátorům nasadit průmyslové počítače v různých typech vnitřního nebo venkovního prostředí. Vestavné průmyslové počítače mohou být například nasazeny ve výrobních provozech, kde jsou trvale vystaveny vysokým teplotám. Pokud jsou instalovány do venkovních neklimatizovaných rozvaděčů, musí být počítače schopny pracovat v extrémním chladu nebo horku v závislosti na klimatu. Z tohoto důvodu bývá jedním z požadavků při návrhu průmyslových počítačů spolehlivá funkce v teplotním rozsahu od -40°C do +75°C. Rozhodujícím faktorem je zejména spolehlivost a malá náchylnost k selhání při dlouhodobém provozu v drsném prostředí. Jak výrobci připravují počítače vhodné do extrémních teplotních podmínek?
Teplotní rozmístění komponent
Návrh počítačů pro široký rozsah pracovních teplot vyžaduje důkladnou znalost teplotního spádu jednotlivých komponent, aby bylo možné optimalizovat jejich správné rozmístění. Pro správné teplotní rozmístění komponent je potřeba zvážit několik faktorů.
V prvé řadě je potřebné získat teplotní mapu jednotlivých komponent, aby mohli návrháři lépe optimalizovat umístění komponent na základní desce. V zásadě platí, že čím blíže je komponenta umístěna k hlavnímu zdroji tepla, tím musí být teplotně odolnější. Návrháři se také snaží snížit počet tepelných zdrojů použitím komponent, které generují méně tepla.
Kryt a celková spotřeba systému by měly být také vzaty v úvahu při vývoji počítačů s velkou teplotní odolností. Například větší kryt a nižší spotřeba energie mohou přispět lepšímu rozptýlení tepla generovaného počítačem.
Při návrhu je velmi důležité stanovit hlavní trasy pro přenos tepla v systému. Jedná se o promyšlené umístění komponent tak, aby teplo, které produkují, bylo odváděno k tomu zvolenou cestou. Správné využití informací o teplotním spádu je nezbytné pro optimální teplotní rozmístění komponent při návrhu počítačů s širokým rozsahem pracovních teplot.
Tepelné komory s přirozeným prouděním
Klimatické zkušební komory jsou důležitým nástrojem, jak zjistit, zda produkt může být použit v náročném prostředí. Většina výrobců používá pro testování tepelné komory s nuceným prouděním, avšak výsledky těchto testů nejsou úplně spolehlivé, protože prostředí které vytvářejí bývá odlišné od prostředí nacházejícího se v podmínkách průmyslových aplikací. Použití tepelné komory s přirozeným prouděním umožňuje technikům vytvořit bezvětrné prostředí více podobné skutečným průmyslovým podmínkám.
Komponenty s velkým teplotním rozsahem
Použití komponent s velkým teplotním rozsahem je nejvhodnější postup při výrobě počítačů s velkým rozsahem pracovních teplot. Pro snadnější hledání komponent s velkým teplotním rozsahem si musí návrhář sestavit databázi komponent splňujících náročné požadavky prostředí s extrémními teplotami. Testování komponent v tepelné komoře s přirozeným prouděním je velmi důležité pro rozhodnutí o zařazení komponenty do této databáze. V podstatě se jedná o metodu přeřazení komponenty se standardní teplotní specifikací do skupiny s rozšířenou teplotní odolností. Výběr z dostatečně obsáhlé databáze urychluje vývoj nového výrobku a čas potřebný pro uvedení na trh.
Metody pro optimální odvod tepla
Existuje několik způsobů přenosu tepla, mezi které patří tepelné trubice (heat pipes) a chladiče (heat sinks). Nezbytný je výběr nejvhodnějšího řešení pro daný systém.
Tepelné trubice – jednou z metod směrovaného odvodu tepla z počítače je tepelná trubice. Toto řešení používá specifických materiálů a nástrojů pro přenos tepla prostřednictvím tepelného cyklu. Je vhodné zejména pro plošné produkty, které obsahují jako primární zdroje tepla například procesory a čipové sady.
Typickým řešením překrytí procesoru a čipové sady hliníkovou deskou podloženou silikonovou tepelně vodivou podložkou. Na hliníkovou desku se připevní jedna nebo více bronzových tepelných trubiček. Tepelné trubičky jsou duté a vnitřní strana je pokryta knotem s pracovní kapalinou jako je například voda, které absorbuje teplo z tepelných zdrojů. Trubičky jsou vedeny do místa, kde se snadno rozptýlí světlo, jako je například deska na přední straně počítače. Hlavní funkcí tepelného potrubí je přenos tepla z jednoho místa v počítači na místo jiné v rámci tepelného cyklu.
Jak funguje tepelný cyklus uvnitř tepelné trubice?
A. přeměnou tekutiny v páru dochází k absorbci tepelné energie
B. pára se přemisťuje uvnitř dutiny k místu s nižší teplotou
C. kondenzací páry na kapalinu, která je absorbována knotem, dochází k uvolňování tepelné energie
D. tekutina v knotu se přenáší zpět na konec s vyšší teplotou
Chladiče
chladiče jsou dalším řešením, které lze použít pro odvod tepla. Chladiče se vyrábějí z materiálů s velkou tepelnou vodivostí, jako je například hliník nebo bronz. Chladič z hliníku může být přímo součástí krytu součástky a odvádět vzniklé teplo. Tato metoda se běžně používá pro chlazení procesorů, nebo celých počítačů. Jejich tvar poskytuje co největší plochu pro předávání získaného tepla do okolí a tím co nejefektivnější chlazení. Rozměry chladičů nutné pro dostatečný odvod a předávání tepla často ovlivňují rozměry celého zařízení.
Systémy s vlastním vyhříváním
Metody uvedené výše jsou orientovány na odvod tepla a týkají se schopnosti zařízení pracovat při vysokých teplotách. Jiné technologie jsou potřebné k zajištění spolehlivého provozu pro počítače používané v prostředích s nízkou teplotou. Regulované vyhřívání, které začne automaticky pracovat, když okolní teplota klesne pod definovanou mez, se používá pro vyhřívání vnitřního prostoru počítače. Tato metoda však vyžaduje přesné a spolehlivé řízení, které zabezpečí zapnutí topných rezistorů jen v případě potřeby.
Shrnutí
Správně navržené počítače s velkým pracovním teplotním rozsahem představují spolehlivou a dostupnou volbu pro systémy používané v reálných průmyslových podmínkách. Jsou ideálním řešením pro aplikace v tvrdých klimatických podmínkách, jako je
automatizace rozvoden elektrické energie, produkce a distribuce kapalných a plynných paliv,
inteligentní dopravní systémy, monitorování prostředí,
průmyslová automatizace a další podobné systémy. Vývoj takových počítačů ale není jednoduchý a výrobci musí řešit problémy spojené s konstrukcí bezventilátorových systémů, tolerancí komponent k nízkým i vysokým teplotám a současně usilovat o co nejnižší výrobní náklady. Pro překonání těchto problému musí výrobci splnit následující podmínky:
- Optimalizovat teplotní rozmístění komponent
- Používat tepelné zkušební komory s přirozeným prouděním
- Vytvořit si dostatečně velkou databázi ověřených tepelně odolných komponent
- Zvolit optimální metody pro odvod přebytečného tepla
- Do systémů instalovat vlastní vyhřívání pro provoz při nízkých teplotách
Více informací na toto téma
Zpět na zpravodaj
