wersja mobilna
Online: 450 Czwartek, 2016.12.08

Raporty

Chłodzenie elementów i urządzeń elektronicznych - raport Elektronika

sobota, 19 lipca 2008 01:00

Walka z generowanym przez elektronikę ciepłem towarzyszy elektronice od początku ery półprzewodnikowej. Szybko malejąca ze wzrostem temperatury niezawodność podzespołów wymusza stosowanie radiatorów i wentylatorów, które na przestrzeni kilkudziesięciu ostatnich lat wrosły trwale w krajobraz współczesnej elektroniki. Można nawet powiedzieć, że w pewnym stopniu wydzielające się w układach ciepło limituje tempo rozwoju elektroniki ograniczając tempo zwiększania wydajności i miniaturyzacji.

Spis treści » Radiatory
» Trendy i zjawiska
» Pokaż wszystko

Materiały i komponenty do chłodzenia elektroniki to produkty, które w dużym stopniu odpowiadają za trwałość i jakość urządzeń elektronicznych. Powoduje to, że wybór, której marce i producentowi zaufać nie jest wcale prosty ani jednoznaczny. Orientacja w ofercie rynku może być zatem dobrym wstępem do tego, aby ten wybór był jak najbardziej świadomy.

 

Radiatory

Mimo, że w przypadku radiatorów trudno mówić o dużej komplikacji technicznej produktu lub też o wysokim potencjale technologicznym, to jednak są to elementy przez cały czas rozwijane przez producentów i dopasowywane do potrzeb współczesnych aplikacji. O ile zapotrzebowanie na radiatory było jest i będzie, tym niemniej warto wiedzieć, że jest ono wypadkową kilku złożonych procesów związanych ze zmianami gospodarczymi, technologicznymi oraz zachodzących w samej elektronice.

Rys. 1. Wyniki redakcyjnej ankiety zawierające odpowiedzi na pytanie, jakie cechy ofert są najważniejsze

Nowoczesne urządzenia elektroniczne są coraz mniejsze i bardziej energooszczędne, a pobór mocy przez cały czas i na każdym etapie konstrukcyjnym jest ograniczany do niezbędnego minimum. Zjawisko to stanowi wsteczny prąd rozwoju tego segmentu rynku. Z drugiej strony liczba eksploatowanych urządzeń elektronicznych szybko rośnie, przez co struktura rynku zmienia się od strony jakościowej.

Producenci sprzedają obecnie więcej małych radiatorów, które dominują w elektronice powszechnego użytku oraz duże profile przeznaczone do pracy w układach energetycznych dużej mocy. Znaczenie środka asortymentu w ofertach dostawców w trakcie ostatnich lat systematycznie się zmniejsza, ale trudno mówić o jakimś przełomie, gdyż rynek jest zbyt różnorodny. Dowodem na to może być pojawienie się w ofertach elementów do chłodzenia podzespołów SMD.

Radiatory wykonywane są z metalu, a więc surowca, który na świecie od blisko 10 lat nieustannie drożeje. Zjawisko to przyspiesza wymienione zmiany asortymentowe, gdyż cena metalu w największym stopniu wpływa na koszt elementów chłodzących za pomocą konwekcji o dużych rozmiarach.

W przypadku urządzeń energetycznych i elektroniki dużej mocy oznacza to, że częściej opłaca się stosować w urządzeniach chłodzenia wodnego, które mimo większej komplikacji technicznej powoli przebija się na rynku. Trend ten widać w ofertach dystrybutorów, gdzie coraz więcej ofert zawiera bloki do chłodzenia wodnego i osprzęt zapewniający cyrkulację płynu, np. OEM Electronics.

Radiatory, podobnie jak szereg innych podzespołów elektronicznych, występują na rynku w bardzo wielu typach, rozmiarach i wykonaniach, co sprawia szereg trudności w utrzymaniu przez dostawców wysokich stanów magazynowych dla całości oferty. W wielu przypadkach istotne są nawet drobne różnice w kształcie użebrowania, które pozwalają na modyfikację rezystancji termicznej w zależności od typu chłodzenia wymuszonego lub konwekcyjnego. Taka ograniczona dostępność, przekładająca się na długie czasy dostaw niektórych profilów oznacza najczęściej, że projektanci muszą z konieczności używać radiatorów, które są dostępne zamiast wybranego.

Radiatory wykonane z termoprzewodzących tworzyw sztucznych, miedziane przewody cieplne poprawiające stopień odprowadzania ciepła, profile wykonane z kilku metali, na przykład łączące w jednym elemencie miedź i aluminium, wentylatory o dwu kierunkach nawiewu, to przykłady nowinek technicznych ostatnich kilku lat.

Niemniej nie sposób nie zauważyć, iż albo są to rozwiązania niszowe przeznaczone do specjalistycznych zastosowań, albo też ich przydatność w elektronice profesjonalnej jest dyskusyjna w stosunku do kosztu ich zastosowania i najczęściej można je spotkać w sprzęcie komputerowym. W zastosowaniach profesjonalnych wykorzystywane są zwykle tradycyjne elementy profilowane. Jednym z powodów takiego rozdziału jest to, że wymienione nowości są zwykle zbyt drogie w stosunku do możliwości chłodzenia.

Każdy producent radiatorów oferuje specyficzne dla własnej oferty kształty i trudno znaleźć merytoryczne argumenty, które by wykazywały przewagę danego kształtu żeberek nad innymi. Kilka lat temu za nowość uznawane były wersje szpilkowe, obecnie trudno jednak wykazać, iż ich pojawienie cokolwiek zmieniło. Ciekawostką jest to, że cały czas na rynku dostępne są profile aluminiowe produkowane przez Grupę Kęty, takie same, jakie były wykorzystywane dwie dekady temu w krajowym sprzęcie audio-wideo.

Profile radiatorowe z Kęt z pewnością mają szansę zdobyć tytuł ponadczasowego produktu do zastosowań w elektronice. Niemniej przeglądając stronę internetową producenta nie sposób odnieść wrażenia, iż jest to wyrób, do którego nie przywiązuje się większego znaczenia, maleńki ułamek oferty firmy, która rozwija się zupełnie w innym kierunku.

Paweł Kupeček - Specjalista ds zaopatrzenia w firmie Micros

Czy w przyszłości wentylatory znikną z większości obecnych zastosowań?

Mimo coraz silniejszej ofensywy ze strony producentów wszelkiego rodzaju elementów chłodzących oferujących alternatywne metody takie jak ciekły tlen, azot, inne ciecze chłodzące, moduły Peltiera lub zaawansowane kształtem radiatory jestem przekonany, że klasyczne wentylatory nie zostaną zmarginalizowane. Producenci operujący na rynku elektroniki przemysłowej nie zrezygnują z pewnych i sprawdzonych rozwiązań.

Stosowane w automatyce wentylatory działające często w ciężkich warunkach są praktycznie nie do zastąpienia przez alternatywne metody chłodzenia. Wentylator pozostaje wciąż najkorzystniejszym wyborem, jeżeli weźmiemy pod uwagę stosunek ceny do oferowanej wydajności stąd też nasze przekonanie, że ten rynek będzie się dalej rozwijał i wymuszał wprowadzanie nowych rozwiązań technologicznych takich, jak choćby bezstykowe łożyska magnetyczne.

Czy dyrektywa RoHS miała wpływ na rynek produktów do chłodzenia?

Rynek wentylatorów po wprowadzeniu w życie dyrektywy ROHS zmienił się, ale nie były to tak radykalne zmiany jak w przypadku innych branż. Kluczową rolę odgrywa tutaj proces produkcji, ponieważ dla odbiorcy końcowego wentylator jest produktem gotowym. Nie można jednak zapomnieć, że musi spełniać wszystkie normy bezpieczeństwa.

Marginalnym jest montaż za pośrednictwem spoiw lutowniczych, który jest najważniejszy dla elementów spełniających normy RoHS, ponieważ wymusza na montażyście użycie odpowiednich technologii. W wentylatorach jest to ułatwione dzięki szerokiemu stosowaniu wszelkiego rodzaju złącz i konektorów, co nie zmienia jednak faktu, że są poddawane rygorystycznym testom weryfikującym ich budowę i użyte materiały.

Wentylatory

Rys. 2. Najwięksi odbiorcy produktów związanych z chłodzeniem

Za wyraźnie widoczne zjawisko można uznać trend obniżania hałasu generowanego przez wentylatory. Odpowiadając na zapotrzebowanie rynku producenci wprowadzają na rynek nowe modele, w których zmodyfikowany został kształt łopatek wirnika, zwiększona ich liczba i obniżona prędkość wirowania.

Większość wentylatorów wiodących producentów ma obecnie wyważane wirniki, co poprawia trwałość łożysk oraz pozwala na regulację prędkości obrotowej w szerokim zakresie. W miejsce dwóch przewodów zasilających, które były używane kiedyś, dzisiaj coraz częściej pojawiają się cztery, gdyż oprócz informacji zwrotnej do sterownika na temat prędkości obrotowej dodawana jest możliwość regulacji szybkości wirowania za pomocą sygnału PWM.

Skoro producenci układów scalonych oferują specjalizowane sterowniki kontrolujące i zarządzające pracą wentylatorów, wykorzystanie pełni ich możliwości nie byłoby bez takich funkcji możliwe. Regulacja obrotów PWM, która jest realizowana przez cykliczne załączanie i wyłączanie wentylatora przy pełnym napięciu zasilającym wydaje się być najkorzystniejszym sposobem regulacji, gdyż wykazuje małą odporność na niestabilną pracę przy małych prędkościach wirowania.

Mimo, że trwałość wentylatorów stale się poprawia, a producenci przykładają wiele uwagi do rozwiązań technicznych poprawiających czas pracy tych komponentów, trzeba dostrzec, iż wentylator dla wielu producentów jest złem koniecznym, od którego się odchodzi. Łożyska z porowatych spieków ceramicznych zapewniające długotrwałe smarowanie, dodatkowe magnesy kompensujące nacisk wirnika na łożysko wywołany oporem powietrza, z pewnością przyczyniają się do większej akceptacji przez rynek konsumencki, ale nie zmienia to faktu, że w zastosowaniach profesjonalnych wentylator jest niestety elementem degradującym jakość produktu.

Ucieczka od wentylatorów w największym stopniu dotyczy komputerów przemysłowych, a zwłaszcza wersji przeznaczonych do zastosowań embedded. Wynika to z kilku czynników takich jak wysoka odpowiedzialność pełnionych zadań w procesach produkcyjnych, kłopoty z regularnym serwisowaniem, ale najważniejsze jest chyba to, że dysponujemy technologiami, które pozwalają na zmniejszenie wydzielanej mocy w procesorze i jego otoczeniu i aktywne zarządzanie wydajnością pozwalającymi na taką rezygnację. Słowo bezwentylatorowy stało się dzisiaj synonimem nowoczesności i z pewnością ma ono solidną podbudowę w statystykach serwisu.

Ogniwa Peltiera i chłodzenie wodne

Ogniwa Peltiera jako element chłodzący pojawiają się w zastosowaniach, w których konieczne jest odbieranie dużej mocy cieplnej i zapewnienie wysokiej odporności środowiskowej. Za ich pomocą można zapewnić chłodzenie elektroniki przy hermetycznie zamkniętej obudowie i wysokiej temperaturze otoczenia. Jednak w warunkach krajowych trafiają one głównie do wojska i systemów telekomunikacyjnych pracujących na zewnątrz budynków.

Taki ograniczony obszar zastosowań wynika też z tego, że wygoda z ich korzystania jest droga zarówno w zakupie i eksploatacji. Wymuszenie transportu ciepła wymaga dostarczenia stosunkowo dużej mocy zasilania, co przy niskim napięciu zasilania ogniw wynoszącym zwykle 12V jest sporym problemem.

Systemy chłodzenia wodnego charakteryzują się największą wydajnością, jeśli chodzi o odbieranie ciepła, niemniej również kłopotliwym i rozbudowanym technicznie, wymagającym okresowej obsługi i tym samym drogim. Za pomocą chłodzenia wodnego można też rozdzielić odbieranie ciepła od rozpraszania, co pozwala na likwidację wielu uciążliwości związanych z hałasem, gromadzeniem się zanieczyszczeń wewnątrz obudowy i podobnymi kłopotami. Podobne działanie mają przewody cieplne, jednak skuteczność odbierania ciepła w obu tych rozwiązaniach jest nieporównywalna.

dr inż. Mariusz Sochacki - Menadżer produktu w firmie Semicon

Jakie nowości w zakresie wentylatorów warto odnotować?

W odpowiedzi na potrzeby rynku producenci oferują małe wentylatory o wysokiej wydajności, co wymaga dużych nakładów na optymalizację konstrukcji mechanicznej z uwagi na wysokie szybkości obrotowe sięgające obecnie wartości 20 tys. obr./min. Wentylatory takie są chętnie wykorzystywane w urządzeniach telekomunikacyjnych zamykanych w kasetach 19-calowych o wysokości 1U.

W wielu aplikacjach duży nacisk kładzie się na poziom hałasu i wibracje pochodzące z systemów chłodzenia. Producenci proponują konstrukcje wydajnych wentylatorów o odpowiednim kształcie ramy i łopatek, wyposażone w elektronikę sterującą, która gwarantuje obniżenie hałasu i wibracji. Przy zachowaniu wydajności typowej dla rozwiązań standardowych możliwe jest ograniczenie hałasu poniżej 30dBA nawet w przypadku wentylatorów o wymiarach 120x120mm. Odbiorcami takich wentylatorów są przede wszystkim producenci urządzeń medycznych i aparatury audio.

Specyfika warunków pracy niektórych urządzeń stymuluje również rozwój wentylatorów specjalnych. W falownikach i innych systemach przekształtnikowych zyskują na popularności wentylatory dostosowane do pracy w środowisku mgły olejowej. Maszyny stosowane w różnych dziedzinach przemysłu wymagają wentylatorów o bardzo wysokiej wydajności i w wielu przypadkach aspekty związane z poziomem hałasu schodzą na dalszy plan. W urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych stosowane są coraz częściej wentylatory o podwyższonym stopniu ochrony IP55.