Pasywne chłodzenie układów elektronicznych

Systemy te można podzielić na dwie główne kategorie: systemy z aktywnymi i pasywnymi technikami chłodzenia. Układ pasywny może być prosty, tani (bez dodatkowych wentylatorów), niezawodny (elementy się nie zużywają) i stosunkowo prosty do analizy. Trzeba jednak pamiętać, aby zapewnić odpowiednie otoczenie do stabilnego, niezakłóconego transportu ciepła. Otwory wentylacyjne oraz radiatory powinny pozostać niezakryte i niezanieczyszczone.

Pasywne chłodzenie wykorzystuje następujące zjawiska fizyczne:

• promieniowanie fal elektromagnetycznych w zakresie podczerwieni. Przykładem może być żarówka, która promieniuje ciepło. W przypadku większości systemów elektronicznych promieniowanie odprowadza niewielką część generowanego ciepła.
• przewodzenie, gdzie ciepło przepływa przez stały materiał, zwykle jeden o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak miedź lub aluminium.
• konwekcja, gdzie ciepło jest odprowadzane przez powietrze (w większości przypadków) lub płyn, taki jak woda lub płyn freonowy. Ponieważ ciepłe powietrze przemieszcza się do góry, metoda ta zwykle wymaga odpowietrzania w górnej lub bocznej części obudowy.

Przed wyborem odpowiedniego rozwiązania trzeba określić, czy mamy problem z nagrzewaniem się pojedynczego komponentu, czy całego systemu. W przypadku źródeł punktowych ciepło musi być usunięte tylko z obszaru lokalnego i może być rozłożone na większej powierzchni. W przypadku nagrzewania się całego systemu ciepło musi być w jakiś sposób przeniesione gdzie indziej. Większość projektów wykorzystuje połączenie przewodzenia i chłodzenia konwekcyjnego oraz w mniejszym stopniu promieniowania. Przewodzenie służy do odprowadzenia ciepła z miejscowego źródła, takiego jak układ scalony lub tranzystor, podczas gdy konwekcja jest używana do rozpraszania ciepła, które zostało przetransportowane od źródła do radiatora. W większości przypadków do pozbywania się nadmiaru ciepła wykorzystywane są radiatory wykonane z dobrego przewodnika termicznego. Miedź i aluminium są jednymi z najczęściej używanych materiałów do tego celu w urządzeniach elektronicznych. Miedź (400 W/(m·K) przy 300 K) jest znacznie droższa niż aluminium (237 W/(m·K) przy 300 K), ale jest również dwa razy wydajniejsza. Dużą zaletą aluminium jest to, że może być łatwo wytłaczane, dzięki czemu możliwe jest wykonie złożonych przekrojów poprzecznych. Aluminium jest również znacznie lżejsze niż miedź, ograniczając przez to mechaniczny nacisk na delikatne elementy elektroniczne.

Aby zapewnić najlepszy kontakt termiczny z obiektem wymagającym chłodzenia, powierzchnia styku radiatora musi być płaska i gładka. W celu zminimalizowania problemu niedoskonałości powierzchni stosuje się przekładki lub pasty termoprzewodzące poprawiające kontakt termiczny. Firma BL elektronik oferuje szeroki asortyment takich produktów. Są to przede wszystkim folie silikonowe, GAP fillery silikonowe lub bezsilikonowe, wzmocnione, jeśli to konieczne włóknem szklanym. Kilka przykładowych produktów z naszej oferty pokazano w tabeli. W przypadku możliwości zautomatyzowania procesu montażu można stosować dozowane gap fillery lub materiały typu "phase change" w postaci pasty nakładanej w odpowiedniej ilości na łączone powierzchnie.

Wydajność chłodzenia

Wydajność radiatora jest funkcją materiału, geometrii i współczynnika przenikania ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, wymuszona wydajność cieplna radiatora konwekcyjnego poprawia się poprzez zwiększenie przewodności cieplnej materiałów radiatora, zwiększenie powierzchni (zwykle przez dodanie wydłużonych powierzchni, takich jak żebra) oraz poprzez zwiększenie całkowitego współczynnika przenikania ciepła. W przypadku silnego punktowego źródła ciepła konieczne może być zastosowanie rurek cieplnych, które służą do przenoszenia ciepła, wykorzystując odparowanie i kondensację dwufazowego płynu roboczego. Umożliwiają one transport dużych ilości energii przy zachowaniu bardzo małej różnicy temperatury między gorącymi i zimnymi interfejsami. Zazwyczaj składają się one z uszczelnionej rurki wykonanej z metalu, takiego jak miedź lub aluminium, łączącej parownik i skraplacz. Rurka zawiera zarówno nasyconą ciecz, jak i opary płynu roboczego (takie jak woda, metanol lub amoniak). Rurki miedziane z metanolem są stosowane, jeśli układ musi pracować poniżej temperatury zamarzania wody. Podstawową ich zaletą jest doskonała wydajność w przenoszeniu energii. Przewodność cieplna może sięgać 100 000 W/mK.

Obliczenia

W celu określenia typu i gabarytów układu chłodzenia należy wykonać przynajmniej podstawowe obliczenia. Jest to zwykle proces dwuetapowy. Po pierwsze trzeba zdiagnozować źródła ciepła, takie jak układy scalone, a w przypadku zasilaczy tranzystory, diody czy rezystory. Następnym krokiem jest modelowanie, w jaki sposób ciepło jest usuwane za pomocą elementów przewodzących ciepło (płytka PCB, metalowe elementy obudowy czy radiator) oraz z wykorzystaniem konwekcji i promieniowania. Analiza oparta na tych modelach pokaże, czy zaprojektowany układ jest wystarczający do utrzymania źródła i systemu poniżej maksymalnej dopuszczalnej temperatury. Do wstępnej analizy przepływu energii można wykorzystać m.in. kalkulatory online.

W przypadku bardziej złożonych geometrii zaleca się wykonanie symulacji z wykorzystaniem oprogramowania do analizy dynamiki płynów (CFD), w czym mogą uczestniczyć specjaliści z firmy Hala Contec. Pomogą oni oszacować impedancje termiczne elementów oraz wydajność radiatora konwekcyjnego. Należy pamiętać o uwzględnieniu każdej, nawet najmniejszej bariery dla przepływu ciepła, jak rezystancja termiczna złącza półprzewodnikowego do obudowy a następnie do radiatora. Równie ważnym czynnikiem jest stabilność czasowa tych parametrów, dlatego tak ważne jest stosowanie najwyższej jakości materiałów termoprzewodzących dostarczanych przez firmę BLelektronik.

Prawidłowo wykonany pasywny układ chłodzenia zapewnia stabilną pracę urządzenia, zwiększa dzięki temu niezawodność systemu i obniża koszty obsługi.

BL elektronik
www.blelektronik.com.pl
tel. 12 35 76 378, 696 483 020