Materiały i podzespoły do chłodzenia urządzeń elektronicznych - raport techniczno-rynkowy

Aplikacje profesjonalne, sprzęt działający w szerokim zakresie temperatur, systemy oświetleniowe bazujące na diodach LED oraz wydajne urządzenia dużej mocy to przykłady, gdzie nowoczesne produkty chłodzące mają szansę udowodnić swoją przydatność. Od wielu lat w polskiej elektronice mówi się wiele o wysokiej jakości produktów.

Wiele firm OEM wskazuje, że zagadnienie to jest dla nich kierunkiem rozwoju oferty i funkcjonalności urządzeń. Z tego powodu zainteresowanie materiałami i podzespołami do chłodzenia staje się w pewnym sensie pochodną procesu dochodzenia do jakości, bo trudno o bardziej czytelne związki pomiędzy niezawodnością elektroniki a temperaturą pracy komponentów.

Wentylatory

Rys. 1. Udział materiałów i podzespołów do chłodzenia w całej sprzedaży dla firm dystrybucyjnych z niniejszego zestawienia. Dla 66% firm sprzedaż tych produktów nie przekracza 25%

Wentylatory w urządzeniach elektronicznych uznawane są trochę za zło konieczne i wielu konstruktorów stara się je eliminować, unikając ich stosowania wszędzie, gdzie tylko można. Oczywiście wielką pomocą w takich zmianach jest coraz większa sprawność urządzeń elektronicznych, które do swojej pracy potrzebują coraz mniej energii oraz efektywnie zarządzają zasilaniem. Większa sprawność oznacza mniej ciepła do rozproszenia, dlatego wentylatory z elektroniki konsumenckiej powoli znikają i są zastępowane chłodzeniem pasywnym za pomocą dużych radiatorów metalowych.

W przypadku produktów powszechnego użytku liczy się także bezawaryjność i bezobsługowość sprzętu, w której uzyskaniu wentylator słabo pomaga. Ponadto warunki pracy dla elektroniki konsumenckiej są stosunkowo łagodne. Temperatura otoczenia nie wchodzi w zakres ekstremalny, a wydzielanie ciepła jest co najwyżej umiarkowane.

Nawet gdy na skutek przeciążenia termicznego lub awarii układu chłodzenia urządzenie wyłączy się w trybie awaryjnym, to też raczej nie powoduje takich problemów, jakie dotyczą działania sprzętu w przemyśle na liniach produkcyjnych lub systemów odpowiedzialnych za działanie infrastruktury komunikacyjnej. W przypadku sprzętu profesjonalnego, elektroniki dużej mocy, urządzeń przemysłowych, zasilaczy i urządzeń pracujących w ciężkich warunkach otoczenia, stosowanie wentylatorów cały czas jest koniecznością.

Niemniej w tym obszarze łatwiej jednak zapewnić okresową obsługę techniczną zmniejszającą ryzyko awarii systemu, dodać filtry powietrza, osłony, układy elektroniczne do kontroli stanu wentylatora, regulatory obrotów i podobne akcesoria. W sprzęcie profesjonalnym i przemysłowych nie ma też silnej presji na koszty, co pozwala zastosować wersje wentylatorów o większej trwałości.

Taka sama uwaga dotyczy wymiarów, bo im dmuchawa lub wentylator są większe, tym zwykle narażenia mechaniczne, jakim są poddawane, są słabsze z korzyścią dla trwałości - tę samą wielkość przepływu powietrza uzyskuje się przy niższych obrotach wirnika. Ponieważ mniejsze obroty to też lepsze parametry chłodzenia po stronie poziomu drgań i hałasu, na rynku widać szereg wentylatorów i dmuchaw, w których zmaksymalizowano wymiary i obniżono obroty po to, aby utrzymać przepływ powietrza.

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców materiałów i podzespołów do chłodzenia elektroniki

Mimo że konstrukcja typowego wentylatora nie wydaje się skomplikowana, jak zwykle różnice tkwią w drobnych szczegółach, a więc ułożyskowaniu i precyzji wykonania wirnika, jego dokładnym wyważeniu i kształcie łopat. Dobre wentylatory mają ponadto dokładnie spasowany wirnik z resztą konstrukcji, co utrudnia przenikanie kurzu do łożyska i uzwojeń silnika, a więc do podstawowego komponentu ograniczającego trwałość mechaniczną wentylatora.

Takie zabiegi w połączeniu z dodatkowymi uszczelkami, osłonami i pokryciami są w stanie zapewnić niezawodne działanie w warunkach silnego zanieczyszczenia powietrza, na przykład olejem lub mgłą wodną. Takie narażenia są codziennością w systemach klimatyzacji, aplikacjach przemysłowych maszynach i w transporcie. To samo dotyczy zabezpieczenia układu elektronicznego i uzwojeń silnika przed wpływem środowiska.

Wpływ na trwałość wentylatora ma nawet stabilność mechaniczna tworzywa sztucznego, z którego wykonana jest konstrukcja, gdyż wiadomo, że wraz ze zmianami temperatury delikatna ramka może się odkształcać. Najnowsze wentylatory mają też rozbudowane systemy zabezpieczeń, które nie tylko sygnalizują elektronice sterującej urządzeniem awarię, czyli zatarcie łożyska, ale także zapewniają precyzyjny rozruch, a nawet poprzez chwilowe odwrócenie kierunku wirowania usiłują oczyścić łopaty z kurzu.

Standardem stał się trzeci przewód dostarczający informacji o obrotach, ale coraz częściej wentylatory, prócz zasilania i zwrotnej informacji o obrotach wirnika, mają jeszcze w złączu zasilającym czwarty przewód pozwalający na precyzyjną regulację szybkości wirowania. Zamiast obniżania napięcia zasilania, w sterowniku silnika używa się zmiany współczynnika wypełnienia impulsu sterującego, co uwalnia od problemów z rozruchem wentylatora przy niskiej prędkości obrotowej.

Mały wentylator też się przydaje

Rys. 2. Procentowe zmiany sprzedaży produktów do chłodzenia elektroniki w latach 2008-2010. W 2008 roku 14% firm zanotowało spadek do -15%

Drugą częścią rynku podzespołów przeznaczonych do wymuszonego chłodzenia elektroniki są aplikacje, w których konieczne jest zapewnienie punktowego i wydajnego chłodzenia dla małych elementów elektronicznych, na przykład w optoelektronice. Chłodziarka termoelektryczna z małym szybkoobrotowym wentylatorem pojawia się w zestawach odbierających ciepło z detektorów, jest dodawana do szybkich układów scalonych i innych punktowych źródeł emisji ciepła.

Z pewnością maleńki wentylator o wysokiej prędkości obrotowej jest sporym wyzwaniem konstrukcyjnym dla producentów i nie wszystkie firmy mają je w ofertach. Niemniej należy odnotować jego znaczenie na rynku. Spory wpływ na rozwój rynku małych wentylatorów mają też systemy oświetlenia diodowego. Wiadomo, że diody dużej mocy umożliwiają konstruktorom budowę wydajnych źródeł światła o niewielkich wymiarach.

Niemniej miniaturyzacja jest tutaj silnie ograniczana przez systemy odprowadzania ciepła, co widać doskonale w konstrukcji wielu zamienników żarówek, gdzie radiator stanowi największą część takiej konstrukcji. Dlatego nierzadko efektywne systemy odprowadzania ciepła z diod realizuje się właśnie za pomocą miniaturowych wentylatorów.

Trudno ocenić perspektywy dla takich aplikacji, gdyż oświetlenie diodowe jest reklamowane jako źródło o wyjątkowo długiej trwałości i wentylatory raczej ten wizerunek mogą osłabiać, niemniej zawsze mogą one trafić do niszy, takich jak oświetlenie sceniczne, fotograficzne i podobnych obszarów specjalistycznych.