Wprowadzenie do tematyki odprowadzania ciepła

Układy elektroniczne mają coraz większą gęstość i wyższe temperatury, co oznacza, że wiele z nich będzie wymagało jakiejś metody obniżania tej temperatury. Opracowanie rozwiązania do odprowadzania ciepła nie jest konieczne we wszystkich projektach, jednak zrozumienie sposobu wytwarzania, przekazywania i odprowadzania ciepła w podstawowym zakresie jest niezbędne, aby uniknąć uszkodzenia kluczowych komponentów na skutek nadmiernej temperatury. Kwestię odprowadzania ciepła należy przemyśleć na wczesnych etapach projektowania, a nie jako rozwiązanie usuwające problemy w ostatecznym projekcie.

Podstawy odprowadzania ciepła

Wymagania stawiane układom elektronicznym są coraz wyższe. W związku z tym teoria proponuje trzy sposoby oprowadzania ciepła, a tym samym chłodzenia komponentów. Są to przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

Najprawdopodobniej najskuteczniejsza metoda przenoszenia energii, czyli przewodzenie, przenosi energię cieplną poprzez fizyczny kontakt między dwoma obiektami, z których chłodniejszy obiekt w naturalny sposób odbiera energię od cieplejszego. Ogólnie rzecz biorąc, ta metoda wymaga najmniejszej powierzchni do przeniesienia największej energii.

Ilustracja 1: proces przewodzenia w praktyce. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Druga metoda, czyli konwekcja, dokonuje redystrybucji energii cieplnej poprzez ruch powietrza. Gdy chłodniejsze powietrze przepływa obok cieplejszego obiektu, odbiera ono ciepło od obiektu i przenosi je, kontynuując przepływ przez urządzenie. Metoda ta może być realizowana w drodze konwekcji naturalnej lub wymuszonej przez wentylator.

Ilustracja 2: proces konwekcji w praktyce. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Trzecia metoda to promieniowanie, czyli emisja energii w postaci fali elektromagnetycznej. Metoda ta jest relatywnie nieefektywna i ignorowana w większości obliczeń termicznych, ponieważ generalnie dotyczy tylko zastosowań próżniowych, w których przewodnictwo i konwekcja nie mogą być wykorzystane. Promieniowanie zasadniczo to przenoszenie ciepła przez fale elektromagnetyczne powstające w wyniku drgania gorących cząsteczek.

Ilustracja 3: proces promieniowania w praktyce. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Chociaż nie jest to jedna z trzech podstawowych koncepcji termicznych zarysowanych powyżej, należy również wspomnieć o oporze lub impedancji cieplnej, która określa ilościowo skuteczność przekazywania ciepła między obiektami i jest szeroko stosowana w projektowaniu rozwiązań odprowadzania ciepła. Mówiąc najprościej, im niższa impedancja cieplna, tym lepsze przekazywanie energii. Wykorzystując impedancję termiczną i znaną temperaturę otoczenia, można dokładnie obliczyć, jaka moc może zostać rozproszona przed osiągnięciem określonych temperatur.

Komponenty służące do odprowadzania ciepła

Wyróżniamy trzy popularne podejścia do chłodzenia układów elektronicznych: radiatory, wentylatory i moduły Peltiera. Każdy z nich może być używany samodzielnie, ale ich integracja pozwala uzyskać jeszcze większą skuteczność.

Radiatory są dostępne w wielu kształtach i rozmiarach. Służą do poprawy skuteczności chłodzenia konwekcyjnego poprzez zmniejszenie impedancji termicznej pomiędzy urządzeniami, do których są przymocowane, a czynnikiem chłodzącym - najczęściej powietrzem. Realizują to poprzez zwiększenie powierzchni konwekcji i są wykonane z materiału, który ma niższą impedancję termiczną niż typowe półprzewodniki. Radiatory są tanie i prawie nigdy nie ulegają awarii ani nie zużywają się, ale mają tendencję do zwiększania objętości układów elektronicznych, które chłodzą. Jako komponenty pasywne, radiatory są często łączone z wentylatorami, aby skuteczniej odprowadzać rozpraszaną energię cieplną z układu. Wentylatory lub dmuchawy wytwarzają stały przepływ świeżego chłodnego powietrza nad radiatorem, aby utrzymać różnicę temperatur między nim a powietrzem chłodzącym na stałym poziomie, zapewniając ciągłe, wydajne przekazywanie energii cieplnej.

Wentylatory i dmuchawy są dostępne w szerokiej gamie kształtów i rozmiarów z wieloma różnymi wariantami mocy. Kluczowym parametrem jest przepływ powietrza, który mogą generować, zwykle mierzony w stopach sześciennych na minutę (CFM). Niektóre wentylatory i dmuchawy są wyposażone w elementy sterujące, dzięki którym ich prędkość można dostosowywać do bieżącego zapotrzebowania na chłodzenie, będące częścią układu sterowania opartego na sprzężeniu zwrotnym. Wentylatory pomagają poprawić chłodzenie, ale projektanci muszą mieć świadomość, że wymagają one zasilania, a czasem obwodów sterujących. W przeciwieństwie do radiatorów, wentylatory mogą być również hałaśliwe i zawierają ruchome elementy, które sprawiają, że są bardziej podatne na awarie.

Urządzenia Peltiera to komponenty półprzewodnikowe, które do przenoszenia ciepła z jednej strony modułu na drugą wykorzystują efekt Peltiera. Urządzenia Peltiera muszą być zasilane energią, aby przenieść energię cieplną, która faktycznie wprowadza dodatkowe ciepło do systemu, dlatego najlepiej stosować je z radiatorami i wentylatorami. Jednak moduły Peltiera mogą zapewniać precyzyjną regulację temperatury i mogą schładzać urządzenia poniżej temperatury otoczenia. Podobnie jak radiatory, nie mają ruchomych części, więc same w sobie są elastyczne i wytrzymałe. Jednakże mogą wymagać zastosowania wentylatorów, radiatorów czy obwodów sterujących, co może zwiększyć koszt i złożoność projektu. Z tych powodów moduły Peltiera są często zarezerwowane do najbardziej wymagających zastosowań, takich jak odbieranie energii cieplnej z wnętrza układów elektronicznych o dużej gęstości.

Obliczanie wymagań cieplnych

Niezależnie od ostatecznych wymagań projektowych, istnieją ugruntowane podejścia do projektowania efektywnych rozwiązań chłodzących dla układów elektronicznych. Aby zilustrować możliwe do wykorzystania przez inżynierów podejścia do stworzenia zintegrowanego rozwiązania do odprowadzania ciepła, przedstawiamy hipotetyczny problem i jego rozwiązanie:

W tym przykładzie użyjemy urządzenia w obudowie 10mm x 15mm, które w stanie ustalonym generuje 3,3W ciepła. Temperatura otoczenia środowiska pracy urządzenia wynosi 50°C, a idealna temperatura pracy to 40°C. Temperatura żadnej części układu nie powinna przekraczać 100°C.

Ilustracja 4: wykres parametrów działania modułu Peltiera z arkusza danych CP2088-219 (źródło ilustracja: Same Sky)

Podane specyfikacje oznaczają, że do obniżenia temperatury urządzenia poniżej temperatury otoczenia potrzebny jest moduł Peltiera. Firma Same Sky oferuje mikromoduły Peltiera CP2088-219, które są w stanie odprowadzić 3,3W energii cieplnej i obniżyć temperaturę urządzenia do 10°C poniżej temperatury otoczenia. Moduł Peltiera jest połączony z urządzeniem przy użyciu materiału termoprzewodzącego (TIM) SF600G, który zmniejsza impedancję termiczną między urządzeniem a komponentem chłodzącym. Z arkusza danych modułu Peltiera CP2088-219 (ilustracja 4) wynika, że wymaga on prądu 1,2A przy napięciu 2,5V, co oznacza, że jego działanie wprowadza do układu dodatkowo 3W energii cieplnej.

Aby odprowadzić łącznie 6,3W energii cieplnej z modułu Peltiera, z drugiej strony podłącza się radiator (HSS-B20-NP-12), również wykorzystując materiał termoprzewodzący (TIM) SF600G. Materiał termoprzewodzący (TIM) ma powierzchnię 8,8mm x 8,8mm i opór cieplny poniżej 1,08°C/W.

Radiator ma opór cieplny 3,47°C/W, przy założeniu, że przepływ powietrza przez niego wynosi 200LFM.

Dzięki temu całkowity opór cieplny materiału termoprzewodzącego (TIM) i radiatora wynosi łącznie 4,55°C/W.

Aby zapewnić stały przepływ powietrza 200LFM, można zastosować wentylator z serii CFM-25B.

Omawiana konfiguracja łączy chłodzone urządzenie z modułem Peltiera za pośrednictwem materiału termoprzewodzącego (TIM). Górna powierzchnia modułu Peltiera jest połączona z radiatorem za pośrednictwem innego materiału termoprzewodzącego (TIM), a cały zespół omywany jest powietrzem o przepływie 200LFM i temperaturze 50°C.

Ilustracja 5: rozwiązanie do odprowadzania ciepła z wykorzystaniem urządzenia Peltiera, radiatora, dwóch warstw materiału termoprzewodzącego (TIM) i wentylatora (źródło ilustracji: Same Sky)

Korzystając z tych danych, można obliczyć temperaturę urządzenia w stanie ustalonym. Moduł Peltiera utrzyma na chłodnej stronie temperaturę 40°C, pomimo wprowadzenia dodatkowych 3,3W ciepła do zespołu. Radiator będzie musiał rozproszyć 6,3W ciepła w środowisku przepływu powietrza o temperaturze 50°C, przy całkowitym oporze cieplnym między modułem Peltiera a powietrzem otoczenia wynoszącym 4,55°C/W. Mnożąc 6,3W razy 4,55°C/W, określimy wzrost temperatury względem otoczenia, który w tym przypadku wynosi 28,67°C, co daje ogólną temperaturę 78,67°C. Jest to wartość znacznie poniżej maksymalnej wartości 100°C, w związku z tym uzyskaliśmy rozwiązanie odprowadzania ciepła, które spełnia potrzeby układu.

Podsumowanie

Odprowadzanie ciepła jest już niezbędne w zastosowaniach konsumenckich, takich jak chłodnictwo, klimatyzacja i wentylacja (HVAC), drukowanie 3D oraz osuszacze. Jest również wykorzystywane w zastosowaniach naukowych i przemysłowych, takich jak termocyklery do syntezy DNA i lasery o wysokiej dokładności. Radiatory, wentylatory i moduły Peltiera zapobiegają przekraczaniu projektowych temperatur granicznych w złożonych układach elektronicznych. Firma Same Sky oferuje szereg komponentów do odprowadzania ciepła, które pozwalają uprościć ten krytyczny proces doboru.