Skuteczne chłodzenie urządzeń elektronicznych wymaga wyboru odpowiedniego rozwiązania, ale też dopasowania pod względem efektywności i parametrów technicznych. Producenci oferują rozwiązania dopasowane do specyficznych potrzeb i bardzo rygorystycznych wymagań. W artykule przedstawimy dostępne na rynku rozwiązania i wskażemy ich najmocniejsze strony.
- Dlaczego chłodzenie jest ważne
- Sposoby chłodzenia elektroniki
- Właściwy wybór sposobu chłodzenia elektroniki
Zaawansowane systemy elektroniczne i ich wyzwania
Wraz z rozwojem technologii komputery są zmuszone do przetwarzania coraz to większej ilości danych. Stawiane są przed nimi skomplikowane zadania, a producenci dążą do miniaturyzacji sprzętu elektronicznego, najlepiej do kieszonkowych rozmiarów. Komputery, które niegdyś zajmowały całe pomieszczenia, miały za zadanie dokonać jedynie prostych obliczeń. Dzisiejsze komputery mieszczą się w dłoni, a ich możliwości zdawać się mogą niemal nieograniczone. Niezmienne jednak pozostaje zjawisko generowania ciepła przez układ elektroniczny. Skoro zaś wykorzystywane są coraz to większe moce obliczeniowe, to i ilość oddawanego ciepła jest proporcjonalnie większa. Nie będzie dla nikogo nowością stwierdzenie, że nadmiar ciepła jest jednym z największych wrogów układów elektronicznych. Powoduje bowiem znacznie szybsze zużycie elementów elektronicznych takich, jak tranzystory, rezystory czy przekaźniki. W szczególnych przypadkach, wysoka temperatura potrafi nawet doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia układu sterowania. Koszt naprawy takiego urządzenia może niejednokrotnie przekraczać próg opłacalności. Porównując zatem komputery sprzed kilku dekad do tych dzisiejszych, urządzenia XX wieku wyposażone w rozbudowane układy chłodzenia pracowały w znacznie bardziej sprzyjających warunkach niż te obecnie.
W dzisiejszych czasach układy elektroniczne nadają tempo funkcjonowaniu człowieka, zapewniają bezpieczeństwo oraz pozwalają na dalszy rozwój techniki. Aby pracowały bezawaryjnie, z maksymalną wydajnością, priorytetem jest zapewnienie odpowiedniego chłodzenia i zabezpieczenie przed przegrzaniem. Wymagania stawiane użytkowym urządzeniom mobilnym czy zaawansowanym układom przemysłowym sprawiają, że producenci stają na głowie, aby znaleźć najlepszy sposób na utrzymanie bezpiecznej temperatury najbardziej newralgicznych elementów układu.
Systemy chłodzenia szyte na miarę
Wyróżnia się kilka najbardziej rozpowszechnionych systemów chłodzenia i rozpraszania ciepła stosowanych w układach elektronicznych. Różnią się one od siebie przede wszystkim rozmiarem, który jest jednym z głównych kryteriów doboru systemu chłodzenia do konkretnej aplikacji, ale też medium chłodniczym czy sprawnością odprowadzania ciepła. Aby zatem podjąć odpowiednią decyzję, który z nich niesie ze sobą najwięcej korzyści, należy zapoznać się z charakterystyką oraz najważniejszymi zaletami każdego z nich.
Dobierając system chłodzenia najczęściej spotkamy się z następującymi pozycjami:
- Wentylatory
Wentylator to podstawowe urządzenie chłodzące, które spotkamy w każdym gospodarstwie domowym czy zakładzie przemysłowym. Pierwszym i najbardziej powszechnym zastosowaniem wentylatorów w urządzeniach elektronicznych jest odprowadzanie ciepła. Takie elementy znajdziemy zarówno w komputerze stacjonarnym, jak i w laptopie. O obecności wentylatora dowiadujemy się najczęściej w momencie, gdy uruchamiamy wymagający program lub grę. Wówczas komputer wykorzystuje swoje maksymalne możliwości, co jednocześnie generuje większe ilości energii cieplnej. Wówczas wentylator w trybie automatycznym usuwa ciepło z wnętrza urządzenia, pozwalając na nieprzerwany proces i zabezpieczając podatne na wysoką temperaturę układu elektroniczne.
Wentylatory to urządzenia wyposażone w silnik napędzający łopatki wirnika. Konwekcyjne ruchy powietrza wymuszone poprzez obracający się wirnik wentylatora powodują rozpraszanie oraz wydmuchiwanie ciepła generowanego w urządzeniu elektronicznym. Energia cieplna wyrzucana jest poprzez kratki zlokalizowane w obudowie komputera. Ruch wentylatora wywoływany jest poprzez czujnik temperatury. Po przekroczeniu określonej wartości wirnik wentylatora zaczyna się obracać, a urządzenie jest chłodzone. Masy powietrza przetłaczanego przez wentylator obliczane są w metrach sześciennych na godzinę .
Istotną zaletą wentylatorów jest fakt, że pełnią one również funkcję „odkurzacza” wewnątrz jednostki komputerowej. Aby działały one poprawnie należy regularnie usuwać z łopatek zalegający kurz.
Warto również zauważyć, że oferowane aktualnie przez wiodących producentów wentylatory przechodzą rygorystyczne testy dotyczące generowanego hałasu. Nie ma zatem obawy, aby ich praca miała być uciążliwa dla korzystającego z komputera użytkownika. Hałas będzie się natomiast zwiększał proporcjonalnie do wymiarów wentylatora i ilości powietrza, jakie urządzenie będzie musiało przetłoczyć.
Wykorzystanie chłodzenia aktywnego wiąże się również z ryzykiem uszkodzenia któregoś z elementów wiatraka. Może to być układ napędowy lub sam napędzany wirnik. Takie ryzyko nie występuje natomiast w przypadku chłodzenia pasywnego, o którym będzie mowa w dalszej części tekstu.
- Radiatory
Kolejnym powszechnie stosowanym elementem układu chłodzenia jest radiator. Wykonany w formie ożebrowanego metalowego elementu stosowanego jest najczęściej w połączeniu z wyżej opisywanymi wentylatorami, co wpływa na zwiększenie wydajności odprowadzenia ciepła. Materiałem powszechnie wykorzystywanym przez producentów do produkcji radiatorów jest aluminium.
Narzuca się w tym momencie pytanie – w jaki sposób takie urządzenie może wpływać na odbieranie ciepła od nagrzewających się elementów elektronicznych? Zgodnie z zasadami wymiany ciepła, im większa powierzchnia absorbująca promieniowanie cieplne, tym większa wydajność chłodzenia. W radiatorze za maksymalizację powierzchni wymiany ciepła odpowiadają odpowiednio ukształtowane żeberka. Nie jest zatem niczym dziwnym, że im większy radiator, tym chłodzenie będzie intensywniejsze. Największym ograniczeniem są zatem wymiary urządzenia, dla którego przedmiotowy element będzie pracował. Kolejnym bardzo ważnym aspektem jest odległość radiatora od nagrzanego elementu. Im jest ona mniejsza, tym odprowadzenie ciepła jest sprawniejsze. Aby maksymalnie zintensyfikować przekazywanie temperatury, na styku obu powierzchni stosuje się taśmy termoprzewodzące.
W instalacji z wentylatorem radiator przejmuje masy gorącego powietrza przetłaczane przez łopatki wirnika, a następnie rozprasza otrzymane ciepło do otoczenia.
- Ogniwa Peltiera
Bardzo ciekawym rozwiązaniem do chłodzenia układów elektronicznych są moduły Peltiera Konstrukcja urządzenia składa się z ułożonych równolegle ceramicznych płytek, pomiędzy którymi znajdują się ułożone naprzemiennie półprzewodniki typu n i typu p. Bezpośredni kontakt pomiędzy nimi zapewniony jest poprzez zastosowanie blaszek miedzianych jako środek transportu dla elektronów. Przepływający prąd elektryczny wymusza zmiany temperatury na styku różnoimiennych półprzewodników. Bezawaryjność, stosunkowo mała i zwarta konstrukcja czy brak konieczności stosowania czynnika chłodniczego to główne zalety tego systemu chłodzącego. Ważnym aspektem jest również możliwość rozbudowy i zwiększenia wydajności ogniwa Peltiera o kolejne moduły. Wówczas „ciepła” strona pierwszego modułu łączy się z „zimną” następnego. Zdolność do odbierania ciepła zależy zatem od dostępności miejsca oraz od wartości natężenia prądu elektrycznego.
Ogniwa znajdą zastosowanie w wymagających warunkach środowiskowych, takich jak wysokie zapylenie. Przykładem zastosowania modułów Peltiera w życiu codziennym mogą być przenośne lodówki samochodowe czy znacznie bardziej zaawansowane systemy urządzeń wymagających precyzyjnej regulacji temperatury – na przykład generatory wysokiej mocy.
- Chłodzenie cieczą
Skuteczne odprowadzenie ciepła w zaawansowanych układach elektronicznych dużej mocy wymaga wysokiej wydajności chłodzenia. Warto przy tym wiedzieć, że pojemność cieplna powietrza, czyli ilość energii, jaką powietrze jest w stanie zmagazynować wykosi ok. 1 podczas, gdy woda posiada pojemność rzędu 4000. Nie trudno się domyślić, że wymagające instalacje elektroniczne korzystają z układów chłodzenia cieczą. Tak zwane bloki wodne skonstruowane są na zasadzie opływania radiatora wodą lub inną cieczą chłodzącą w szczelnie zamkniętej obudowie. Za ruch cieczy odpowiada układ pompowy. Cieczowe systemy chłodzenia wymagają wysokiej precyzji wykonania. Wiadomo bowiem, że kontakt z wodą nie będzie służył układom zasilanym prądem elektrycznym. Jeśli nawet układ wypełniony jest substancją nieprzewodzącą prądu i sam kontakt z nią nie zniszczy urządzenia, to utrata czynnika spowoduje zatrzymanie procesu chłodzenia. Rozwiązania takie spotkamy na przykład w komputerach mających za zadanie wykonywać skomplikowane obliczenia czy symulacje na potrzeby przemysłu badawczego i inżynieryjnego.
- Rurki ciepła
Rurka ciepła to proste urządzenie, którego zadaniem jest transport ciepła na zasadzie konwekcji.
Pomimo, że technologia ta znana była już w latach 40–stych ubiegłego wieku, zastosowanie w przemyśle znalazła dopiero jakieś 20 lat później. Aktualnie rurki ciepła wykorzystywane są w wielu dziedzinach, począwszy od chłodnictwa i ogrzewnictwa, poprzez nowoczesne komputery, skończywszy na przemyśle kosmicznym.
Rurka ciepła podzielona jest na trzy strefy:
- strefę parowania (parownik)
- strefę przejściową - transport ciepła bez wymiany z otoczeniem (adiabatyczny)
- strefę skraplania (skraplacz).
Ciepło zostaje zaabsorbowane w parowniku, w którym następuje odparowanie ciekłego czynnika. Ciśnienie w przestrzeni parownika jest wyższe od ciśnienia znajdującego się w przestrzeni skraplacza. Wywołana różnica ciśnień wymusza przemieszczenie się pary czynnika do sekcji skraplającej, gdzie ulega on skropleniu i oddaje ciepło do górnego źródła.
Rurki ciepła to technologia wykorzystywana w statkach kosmicznych, przemyśle chemicznym czy energetycznym.
Rola chłodzenia dla funkcjonowania elektroniki
Nadmiar ciepła w urządzeniach skraca ich żywotność, ogranicza możliwości i często prowadzi do niechybnego uszkodzenia układów elektronicznych. Właściwy wybór elementów chłodzących pozawala uniknąć wszystkich tych negatywnych skutków. Dla projektantów jest to duży wyzwanie, bowiem brać pod uwagę trzeba wiele czynników - istotne są parametry techniczne sprzętu oraz wymiary. Nie obędzie się też bez wykonania odpowiednich obliczeń. Warto jednak pamiętać, że pomimo najlepszych systemów odprowadzania ciepła, wciąż to my jako użytkownicy mamy ogromny wpływ na żywotność urządzeń, zapewniając odpowiednią przestrzeń do cyrkulacji powietrza i używając je tylko zgodnie z przeznaczeniem.
