Chłodzenie urządzeń elektronicznych i zarządzanie ciepłem

Od wielu lat w polskiej elektronice mówi się o wysokiej jakości produktów. Liczne firmy wskazują, że zagadnienie to jest dla nich najważniejszym 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.

Zasilacze i napędy, sprzęt działający w szerokim zakresie temperatur, systemy oświetleniowe bazujące na diodach LED oraz wydajne systemy komputerowe to tylko kilka przykładów, gdzie nowoczesne produkty chłodzące pokazują dzisiaj swoją przydatność, ale w rzeczywistości takich obszarów aplikacyjnych jest znacznie więcej.

Tak samo, jak elektronika wdziera się do coraz to nowych obszarów techniki, popularyzują się systemy chłodzące, cały czas będąc aktualnym tematem. Z tego powodu po ponad trzech latach przerwy powracamy w ramach raportu "Elektronika" do tematyki zarządzania ciepłem, starając się uchwycić zmiany, które zaszły w tym okresie zarówno od strony technicznej, jak i biznesowej.

Innowacje w radiatorach

Rynek produktów do chłodzenia elektroniki pozornie wydaje się mało zmienny, a może nawet trochę konserwatywny. Niestety widać to w tym, że lata mijają, a w handlu wciąż mamy tradycyjne aluminiowe profile radiatorowe, jakie widać było jeszcze w sprzęcie elektronicznym w poprzedniej epoce gospodarczej, a wentylatory ciągle przeciętnej osobie kojarzą się z domowym komputerem.

Te dwa obszary z pewnością zasłaniają nieco obraz całego rynku, który z pewnością jest znacznie bardziej różnorodny. Wystarczy przejrzeć oferty dostawców produktów z importu, aby zobaczyć, jak szeroki jest asortyment - samych profili do montażu w chassis można doliczyć się ponad stu, do tego dochodzą wersje z kołkami do montażu na płytce drukowanej przeznaczone do chłodzenia podzespołów półprzewodnikowych, a także wersje o cienkich żeberkach przeznaczone do chłodzenia wymuszonego.

Co więcej, większość producentów proponuje klientom dodatkowe usługi dopasowania radiatorów do wymagań aplikacji. Obejmuje to wykonanie otworów, frezowanie, obróbkę mechaniczną, a nawet usługi CNC. Tym samym wiele radiatorów zalicza się do wyrobów konfigurowalnych, dostępnych na zamówienie. Niektórzy dostawcy podejmują się nawet pomiaru rezystancji cieplnej radiatora, co jest istotne, gdy zakres obróbki mechanicznej jest duży lub radiator po integracji z obudową pracuje w nietypowych warunkach otoczenia.

Zainteresowanie typowymi profilami radiatorowymi może wynikać z ich dobrej dostępności, niższych cen oraz tego, że w naszych realiach, przy specjalistycznej produkcji niesięgającej masowych wolumenów, po prostu lepiej się sprawdzają. Setki typów, rozmiarów i wykonań, przy całkowitym braku standardów przemysłowych dotyczących na przykład wymiarów i mocowania, powodują, że dystrybutorzy nie są w stanie utrzymywać wystarczająco wysokich stanów magazynowych dla tak szerokiego asortymentu. Z konieczności wybierają profile takie, które nie wiążą się z długotrwałym zamrażaniem gotówki. W przypadku nowoczesnych radiatorów nie ma praktycznie możliwości dywersyfikacji źródła dostaw, co zawsze jest problemem na rynku elektroniki.

Na zachowania klientów mają też wpływ ceny profili, gdzie duże ceny metali windują w górę ceny profili radiatorowych. Widać to po tym, że w zasadzie zniknęły z ofert radiatory miedziane, a nierzadko duże profile trzeba zamawiać i czekać.

Niestety przyzwyczajenia i przetarte szlaki w zakresie produktów i źródeł dostaw są dla wielu inżynierów elektroników silnym drogowskazem w ich pracy zawodowej, ale ich skutkiem bywają nieoptymalne rozwiązania.

Nowe rozwiązania w wentylatorach i dmuchawach

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców komponentów i materiałów do chłodzenia elektroniki

Innowacje pojawiają się także w wentylatorach, chociaż nie da się powiedzieć, że jest ich wiele lub mają one jakiś przełomowy charakter. Raczej mamy do czynienia z szeregiem drobnych usprawnień, do których zaliczyć można coraz lepsze ułożyskowanie wirnika, w tym także za pomocą magnetycznej poduszki, łożyska z materiałów porowatych zapewniających dobre smarowanie, wszelkiego rodzaju uszczelnienia, ograniczające oddziaływanie kurzu, mgły olejowej w powietrzu i innych zanieczyszczeń.

Standardem w produktach markowych staje się wyważanie wirnika, nawet w przypadku małych wentylatorów wykonanych z tworzywa sztucznego, a także kształtowanie łopatek wirnika, tak aby były cienkie, ale sztywne, co zmniejsza drgania i obciążenia mechaniczne.

Rys. 1. Udział materiałów i komponentów do chłodzenia urządzeń elektronicznych dla blisko trzech czwartych firm z niniejszego zestawienia nie wykracza poza 10% obrotów całkowitych. Innymi słowy, produkty te są drobnym dodatkiem i uzupełnieniem w stronę kompleksowości oferty handlowej

Nieustannie poszerza się asortyment dostępnych wentylatorów, jeśli chodzi o dostępne wykonania mechaniczne, z ramką kwadratową i okrągłą, o średnicy kilkunastu do kilkuset milimetrów, w kilku wersjach grubości, liczby łopatek i szybkości wirowania. Producenci starają się zapewnić maksymalne pokrycie spektrum potrzeb rynkowych i w tym także mają wykonania specjalne, np, o obniżonej hałaśliwości (uzyskiwanej najczęściej kosztem mniejszej wydajności), możliwości pracy w podwyższonej temperaturze, atmosferze wybuchowej i podobne.

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.

Wentylatory przemysłowe

Rys. 2. Struktura obrotów osiąganych przez firmy wymienione w tabeli 2 ze sprzedaży materiałów i komponentów do chłodzenia. Dla 40% firm obroty przekraczają 1 mln zł rocznie

Specyficzną częścią rynku przemysłowego są duże wentylatory okrągłe, których średnica przekracza 200 mm. Jednostki takie wykorzystuje się do wymuszania ruchu powietrza w obudowach dużych maszyn, szafach instalacyjnych, oraz wbudowuje w ściany budynków technicznych, gdzie pracują urządzenia infrastruktury technicznej.

Jednostki te zwykle są zasilane napięciem przemiennym z sieci energetycznej i bazują na bezkomutatorowych silnikach indukcyjnych. W najnowszych katalogach producentów pojawiają się takie jednostki przystosowane do zasilania napięciem stałym, co ułatwia regulację obrotów, praktycznie niemożliwą przy zasilaniu z 230 V_AC.

Tanieją i są dostępne z wielu źródeł falowniki impulsowe pozwalające na zasilanie silników indukcyjnych AC z sieci jednofazowej z możliwością regulacji obrotów. Do niedawna takie przekształtniki wykorzystywano do zasilania silników indukcyjnych dużej mocy, niemniej widać, że pojawiają się małe zintegrowane falowniki specjalizowane właśnie pod kątem wentylatorów o mocy poniżej 100 W.

Poza zmianami elektrycznymi producenci takich urządzeń stawiają mocno na poprawę ich trwałości. Nowe opracowania mają IP68, dzięki czemu ich trwałość sięga 150 tys. godzin pracy w podwyższonej temperaturze i zawierają wbudowane układy zapewniające miękki rozruch ograniczający przeciążenia mechaniczne w tym czasie. Pełna szczelność jest kluczowym czynnikiem dla jakości, bowiem kurz, wymieszany z olejem, trafiający do łożysk jest głównym sprawcą awarii.

Materiały termoprzewodzące i chemia

Rys. 3. Procentowe zmiany sprzedaży produktów do chłodzenia elektroniki w latach 2011-2013 wskazują na stabilność koniunktury w branży i jej umiarkowanie wolny rozwój

Wraz z postępującą miniaturyzacją urządzeń, nowymi obudowami komponentów, dominacją montażu powierzchniowego na płytkach drukowanych rośnie zapotrzebowanie i oferta rynku w zakresie materiałów termoprzewodzących, jak taśmy i folie termoprzewodzące, kleje, pasty i podkładki. Są one wykorzystywane do montażu podzespołów na radiatorach, zwłaszcza elementów w większych obudowach oraz wszędzie tam, gdzie ilość wydzielanego ciepła w przeliczeniu na powierzchnię kontaktu jest duża, gdzie obudowa nie jest typową blaszką, którą można przykręcić śrubą lub gdzie trzeba połączyć cieplnie materiały różnego typu.

Przy niewielkich potrzebach dotyczących chłodzenia wykorzystuje się w roli radiatora obudowę, łącząc termicznie szereg elementów SMD z metalową częścią chassis za pomocą folii, obniżając ryzyko powstawania gorących punktów. Ważnym atutem taśm i folii termoprzewodzących jest to, że zapewniają potrzebną izolację galwaniczną, co pomaga w zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania.

Pojawiające się na rynku nowe opracowania taśm i folii termoprzewodzących, klejów, past i podkładek charakteryzują się ekstremalnie wysokim przewodnictwem ciepła. Producenci podają te dane w postaci rezystancji termicznej mierzonej na warstwie o standardowej grubości i powierzchni i wyraźnie widać, że przewodnictwo cieplne materiałów termoprzewodzących stale rośnie.

Jest to bardzo ważny proces, gdyż ułatwia integrację elektroniki mocy. Zmagający się z ciepłem konstruktorzy niechętnie sięgali po folie termoprzewodzące lub kleje, gdyż były one mało efektywne i nie sprawdzały się, gdy ciepła trzeba było odprowadzić dużo. To się na szczęście zmienia, zapewne stymulatorem jest tutaj rynek LED, główny odbiorca takich produktów.

Klimatyzatory, ogniwa Peltiera

Rys. 4. Ocena stopnia konkurencji na rynku, aktualnych tendencji w koniunkturze oraz podsumowanie sytuacji na rynku w pierwszych trzech miesiącach 2014 roku

Agregaty klimatyzacyjne bazujące na sprężarkowej pompie ciepła, systemy chłodzenia wodnego do szaf i dużych obudów, a także klimatyzatory pracujące na ogniwach termoelektrycznych, to urządzenia i systemy przeznaczone głównie do zastosowań profesjonalnych, w energoelektronice, informatyce i przemyśle. Są stosowane wszędzie tam, gdzie konieczne jest odprowadzenie dużych ilości ciepła z obudowy, zapewnienie pracy urządzenia w bardzo szerokim zakresie temperatur lub w miejscach, gdzie zachodzi konieczność obniżenia temperatury poniżej otoczenia.

Są to rozwiązania niszowe i tym samym drogie od strony inwestycyjnej i eksploatacyjnej. Niemniej w sytuacji, gdy konieczne jest zapewnienie wydajnego chłodzenia w systemie zamkniętym, wewnątrz szczelnie zamkniętych szaf, takie rozwiązania pozwalają na zachowanie wysokiego stopnia ochrony środowiskowej tych ostatnich, są one najczęściej jedynym dostępnym wyborem.

W elektronice profesjonalnej nie stosuje się rozwiązań bazujących na przewodach cieplnych (heat pipe) znanych z laptopów i domowych komputerów. To dlatego, że pracują one wydajnie jedynie w specyficznych warunkach, gdzie różnica temperatur między końcem zimnym a gorącym jest znaczna i gorący koniec ma 50-70°. W systemach profesjonalnych paradoksalnie więc nie można za ich pomocą zapewnić 100-procentowej skuteczności działania.

Znacznie częściej wykorzystuje się ogniwa Peltiera, które nie zapewniają może dużej wydajności transportu energii cieplnej i pobierają dużą moc, ale nie mają takich ograniczeń i potrafią obniżyć temperaturę elementu poniżej temperatury otoczenia.