Płytka drukowana staje się radiatorem
Przy małej mocy wydzielanej do rozproszenia ciepła często wystarcza folia miedziana na płytce drukowanej. Takie chłodzenie popularyzuje się na skutek coraz lepszej dostępności i niższych cen obwodów wielowarstwowych. W ramach płytki dwustronnej na radiator tego typu można było sobie pozwolić w mało skomplikowanych układach, gdzie mozaika ścieżek była prosta i zostawało wiele pustego miejsca. To rzadki przypadek. W obwodach wielowarstwowych można wszystkie połączenia ukryć na warstwach wewnętrznych, a na dużej części zewnętrznych warstw wydzielić obszary chłodzące. Dodatkowo płytkę można połączyć termicznie z obudową mostkiem z użyciem pianki termoprzewodzącej lub zalać całość układu zalewą o takich właściwościach. W przypadku, gdy ciepła jest więcej, można też próbować sięgnąć po laminaty z grubą warstwą miedzi lub z rdzeniem metalowym (MPCB) jak w modułach LED-owych. Takie podejście jest coraz popularniejsze.
Materiały termoprzewodzące
Przy rozważaniach układów chłodzenia zwykle myślimy o półprzewodnikach, którym konstruktor stara się ograniczyć przyrost temperatury. Niemniej wraz z ekspansją rozwiązań impulsowych coraz częściej problem chłodzenia przestaje mieć charakter punktowy, a więc skupiony na kilku elementach mocy.
Faktem jest, że rozwój technologii półprzewodnikowej jest bardzo dynamiczny, a nowe wersje komponentów zapewniają znacznie większą sprawność i nie grzeją się tak bardzo, aby stanowiły w urządzeniach jeden gorący, centralny punkt, na którym trzeba skupić wysiłek projektowy. Nowe tranzystory mocy z azotku galu lub węglika krzemu nie tylko zapewniają małe straty podczas komutacji i przewodzenia, ale także mogą pracować w wyższej temperaturze niż krzemowe odpowiedniki, więc nie trzeba ich tak efektywnie chłodzić. Ponadto, elementów grzejących się jest znacznie więcej niż dawniej. Miejsce jednego, dwóch tranzystorów zajęły dzisiaj obwody, w których stopień mocy zawiera tranzystorów nawet 12 (trójfazowy układ pełnomostkowy). Kilkadziesiąt sztuk równo ułożonych obok siebie nie jest też niczym dziwnym, bo tranzystory często łączy się równolegle dla zwiększenia obciążalności. Tak jest w falownikach, napędach silników, układach BMS akumulatorów i wielu innych miejscach.
Efekt jest taki, że ciepło wydzielane jest bardziej równomiernie. Do tego grzeją się elementy indukcyjne, a więc transformatory i dławiki, kondensatory w filtrach wyjściowych, a także szybkie układy cyfrowe (interfejsy, pamięci). Elementy są ciasno upakowane na płytkach drukowanych i każde miejsce na laminacie jest zagospodarowane. W ten sposób te cieplejsze komponenty podgrzewają całą resztę i tym samym chłodzenie przestaje być domeną podzespołów mocy – raczej nagrzewa się cała płytka. W takim przypadku trzeba zmienić podejście do chłodzenia, np. całą płytkę przykleić do radiatora lub ścianki obudowy za pomocą materiału termoprzewodzącego.
Wygoda i nieduże koszty powodują, że w ostatnich latach rynek materiałów termoprzewodzących szybko się rozwija. W tym obszarze pojawia się sporo nowości i rośnie też liczba dostawców, co sprzyja obniżkom cen oraz lepszej dostępności produktów. Poprawiają się też parametry związane z transmisją ciepła tych produktów, które są kluczowe w tym obszarze zastosowań, gdyż decydują o wydajności chłodzenia.
Materiały termoprzewodzące to ogólnego przeznaczenia pasty o różnej rezystancji termicznej, a także wypełniacze szczelin, zalewy i żele, które różnią się pomiędzy sobą gęstością, sposobem aplikacji i także zastosowaniem. Są też materiały PCM z przemianą fazową, które mają lepsze właściwości cieplne w porównaniu do równoważnych rozwiązań tradycyjnych. Poza materiałami bezpostaciowymi są oczywiście jeszcze folie i gotowe podkładki tego typu, także grube, ale elastyczne i przypominające gąbkę wypełniacze szczelin (gap filler). 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 coraz większym 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 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 już przeszłość.
Chłodzenie cieczą
Chłodzenie wodne elektroniki w zakresie aplikacji dużych mocy jest znanym od lat sposobem chłodzenia i odprowadzania ciepła. Transformatory zanurzone w oleju, półprzewodniki mocy zamontowane na radiatorze z kanałami, przez które przepływa ciecz, to rozwiązanie wydajne, ciche i bardzo trwałe. Pozwala odprowadzić dużą ilość ciepła na daleką odległość i zapewnić stabilne warunki pracy urządzenia nawet w bardzo trudnych warunkach środowiskowych. Systemy chłodzenia wodnego są w stanie zapewnić także niezbędny kompromis po stronie kosztów rozwiązania i masy systemu chłodzącego w systemach, gdzie ilość wydzielanego ciepła jest duża. Część odbierająca ciepło wewnątrz obudowy jest niewielka, nie zajmuje więc cennego miejsca i nie ogranicza cyrkulacji powietrza.
Pomijając zastosowania dużej mocy, cała reszta związana z chłodzeniem cieczą to aplikacje niszowe i specjalistyczne, np. używane w sprzęcie medycznym, farmach serwerów i w sprzęcie telekomunikacyjnym. Gdy skala instalacji jest duża, takie rozwiązanie jest nierzadko korzystne od strony ekonomicznej, ponieważ pozwala na odbieranie ciepła od wielu elementów za pomocą jednej instalacji, która oplata wszystkie gorące punkty.
Wadą takiego chłodzenia jest skomplikowanie i duże wymiary całości, gdyż składa się ono z pompy, przewodów transportujących ciecz, chłodnicy i radiatora odbierającego ciepło. Kłopotliwe jest też napełnianie, a więc obsługa techniczna oraz serwis. 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.
Bardzo możliwe, że nowym obszarem aplikacyjnym dla chłodzenia cieczą stanie się elektromobilność. Baterie akumulatorów montowane w pojazdach o napędzie elektrycznym wymagają dobrego chłodzenia. Ciasno upakowane ogniwa oraz duże prądy płynące w takich obwodach powodują wydzielanie ciepła, które trzeba odprowadzić. Ogniwa grzeją się podczas pracy i ładowania i to znacznie, a z punktu widzenia użytkowego bateria takich ogniw nie może być duża, gdyż nie dałoby się jej zintegrować w pojeździe.
Znalezienie kompromisu dla małej objętości, dużej wydajności prądowej, zapewniającej nie tylko dynamikę samochodu, ale także możliwość szybkiego ładowania, a także dużej pojemności akumulatora przekładającej się na zasięg, wymusza często chłodzenie cieczą. Nie bez znaczenia jest też konieczność zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego oraz w zakresie niekontrolowanego (lawinowego) wzrostu temperatury. Ogniwa litowe trzeba chłodzić, gdyż inaczej mogą się zapalić, z kolei w niskich temperaturach trzeba je podgrzewać, gdyż wówczas dostępna pojemność znacznie się zmniejsza.
W samochodach hybrydowych chłodzenie udaje się zrobić za pomocą strumienia powietrza i wentylatorów, gdyż bateria jest mniejsza, a gdyby się za bardzo nagrzała, to zawsze można ją odłączyć i używać wyłącznie silnika spalinowego. Chłodzenie w samochodach elektrycznych baterii ogniw coraz częściej polega na zalaniu całości układu płynem freonowym. Z jednej strony umożliwia on sprawne odprowadzanie ciepła, z drugiej zapewnia dobrą izolację elektryczną. Jest to chyba najnowsza odsłona systemów chłodzenia cieczą, bo analogiczne rozwiązania wykorzystuje się już od dawna do odbierania ciepła z ładowarek takich pojazdów, w tym w szczególności do chłodzenia przewodów łączących ładowarkę z pojazdem i przyłącza.
Komponenty i materiały do chłodzenia i grzania wydają się idealnym dodatkiem do wielu obszarów dystrybucji, a ich uniwersalny i utylitarny charakter ma z pewnością w tym spory udział. Największy potencjał specjalizacji dają materiały termoprzewodzące, bo cały czas są one postrzegane jako perspektywiczna nowość.
Pompy ciepła, chłodziarki termoelektryczne i przewody cieplne
Rozwiązania sprężarkowe układów chłodzenia, czyli pompy cieplne, to produkty specjalistyczne i wymagane w zastosowaniach, gdzie trzeba zapewnić chłodzenie dużej mocy przy wysokiej temperaturze otoczenia. Niemniej takich aplikacji jest niewiele i rozwiązania tworzą wąską niszę. W wielu takich aplikacjach, a przykładem mogą być stacje bazowe telefonii komórkowej, instaluje się zwykłe klimatyzatory typu split, które są zapewne wystarczająco dobre a do tego tanie.
Gdy konieczne jest schłodzenie małego elementu poniżej temperatury otoczenia, takiego jak detektor półprzewodnikowy, a do tego ciepła nie wydziela się dużo, rozwiązaniem jest chłodziarka termoelektryczna. Nie zapewnia ona dużej wydajności transportu energii cieplnej i pobiera dużą moc zasilającą, ale nie ma ruchomych części mechanicznych i pozwala obniżyć temperaturę elementu poniżej temperatury otoczenia. To jej główna zaleta.
Kolejnym niszowym elementem do odprowadzania ciepła są przewody cieplne (heatpipe), czyli miedziane rurki wypełnione porowatym materiałem i zalane cieczą o niskiej temperaturze wrzenia. Jest to doskonale znane rozwiązanie z laptopów, w których odbierają one ciepło od procesora i przenoszą do oddalonego wymiennika.
Wadą rurek jest ograniczona skuteczność do wąskiego zakresu temperaturowego narzucanego przez parametry cieczy znajdującej się wewnątrz miedzianej rurki oraz stosunkowo niską wydajność transmisji ciepła. Kolejna wada polega na tym, że sens ich użycia jest wówczas, gdy mamy w aplikacji jeden gorący element oddalony od ściany obudowy lub innego miejsca, które może zapewnić wymianę ciepła z otoczeniem.
Na plus należy zapisać, że oferta rynku i dostępność takich produktów poprawiła się w ostatnich latach, a ponieważ w urządzeniach elektronicznych ciepła do odprowadzenia jest coraz mniej, nawet przy ograniczonych możliwościach jego transportu przez przewody cieplne, udaje się zapewnić skuteczność działania.
Wentylatory
Na skutek opisanych trendów zmieniających globalnie rynek elektroniki wentylatory stają się produktem, od którego się stopniowo odchodzi z uwagi na ich ograniczoną trwałość, generowany hałas oraz trudność zapewnienia odporności środowiskowej. Często ciepło udaje się rozproszyć za pomocą konwekcji i przewodzenia i nie ma potrzeby sięgania po takie rozwiązania mechaniczne. Czasem wentylator jest, ale w normalnych warunkach pracy nie jest on aktywny i uruchamia się go dopiero przy dużym obciążeniu lub też przy wysokiej temperaturze otoczenia. Te procesy dotyczą urządzeń konsumenckich oraz małych aplikacji przemysłowych. Rozwiązania przemysłowe, energoelektronika, IT, medycyna nie mogą się bez nich obejść, ale stawiają tym produktom coraz większe wymagania. Stąd w ofertach dostawców tanie wentylatory zastąpiły wersje o dużej trwałości, odporne na kurz i mgłę olejową, których łopatki są wyważone, a działanie ciche. Na rynku są dostępne wersje z czasem życia powyżej 150 tys. h, zakresem temperatur pracy od –20 do +85ºC. Regulacja obrotów za pomocą PWM, kontrola wirowania za pomocą czujnika obrotów też jest standardem, bo pozwala na sygnalizację awarii, czyli w praktyce zatarcia łożyska.
Zasadnicza część rynku wentylatorów to jednostki o wymiarach od 25×25 mm do 120×120 mm o kilku różnych grubościach, a więc też wydajności rozumianej jako przepływ powietrza. W ramach jednego wymiaru można jeszcze wybierać ułożyskowanie oraz napięcie zasilania. Są też wentylatory okrągłe i dmuchawy, co razem daje grubo minimum kilkadziesiąt dostępnych wersji. Mniejsze wentylatory, tj. do 20×20 mm, wykorzystywane są do chłodzenia elementów optycznych (kamer, czujników promieniowania podczerwonego), jednostki większe niż 120×120 mm, w tym rozwiązania zasilane napięciem sieci, to z kolei domena aplikacji przemysłowych. Są one montowane w szafach jako centralny element wymiany ciepła dla całego zainstalowanego systemu.
Pod kątem przemysłu produkowane są też bloki wentylatorowe, zawierające kilka wiatraków we wspólnej obudowie i z układem zasilania i sterowania. Są one najczęściej dopasowane mechanicznie do instalacji w popularnych szafach i obudowach przemysłowych, mogą być też montowane w stelażu rackowym. Wygoda użycia i uniwersalne wykonanie w postaci np. szufl ady, którą można wsunąć niczym półkę pomiędzy sprzęt w szafie technicznej, powoduje, że coraz powszechniej wykorzystuje się je w zastosowaniach przemysłowych. Atutem bloków wentylatorowych jest też to, że są one niezwiązane z konstrukcją mechaniczną obudowy lub chassis i mogą być dodawane w czasie modernizacji lub rozbudowy systemu.
Radiatory
Radiatory to produkt dojrzały technologicznie i doskonale znany. W przeważającej części są one wykonywane z aluminiowych profili, często czernionych galwanicznie dla wzmocnienia transportu ciepła przez emisję promieniowania. Wysokie ceny metali wyeliminowały miedź z tych produktów i obecnie radiatory są praktycznie wykonywane wyłącznie z aluminium. W ostatnich miesiącach poważnym problemem były problemy z dostępnością i jeszcze silniej rosnącymi cenami aluminium. Po ponad dwukrotnych podwyżkach cen sytuacja ustabilizowała się, zapewniając przewidywalność biznesu w okresie kilku tygodni, co nie zmienia tego, że produkty te stały się bardzo drogie.
Radiatory, podobnie jak szereg innych podzespołów elektronicznych, występują na rynku w bardzo wielu typach i rozmiarach, co sprawia wiele trudności w utrzymaniu przez dostawców 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 wybranych modeli.
Mimo że w przypadku radiatorów trudno mówić o dużej komplikacji technicznej produktu lub też o wysokim potencjale technologicznym, jednak są to elementy przez cały czas rozwijane przez producentów i dopasowywane do potrzeb współczesnych aplikacji. 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.
Przegląd ofert produktowych w tabelach
Przegląd produktów do zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych został umieszczony w tabeli 1. Została ona podzielona na części zawierające przegląd ofert w zakresie wentylatorów, radiatorów oraz materiałów i komponentów. Pozwala to na szybkie zorientowanie się w tym, czym zajmują się poszczególne firmy. Tabela 2 zawiera dane kontaktowe do dostawców.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców materiałów i podzespołów do zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych.
