News
Způsoby chlazení elektronických zařízení
- September 04 2023
- Komerce
- 705x Přečteno
Efektivní chlazení elektronických zařízení vyžaduje nejen výběr správného řešení, ale také jeho sladění z hlediska účinnosti a technických parametrů. Výrobci nabízejí řešení přizpůsobená specifickým potřebám a velmi přísným požadavkům. V tomto článku se seznámíme s řešeními dostupnými na trhu a poukážeme na jejich nejsilnější stránky.
• Proč je chlazení důležité
• Způsoby chlazení elektroniky
• Správná volba způsobu chlazení elektroniky
Pokročilé elektronické systémy a jejich výzvy
S rozvojem technologií jsou počítače nuceny zpracovávat stále více dat. Řeší složité úkoly a výrobci se snaží miniaturizovat elektronická zařízení, nejlépe na kapesní velikost. Počítače, které kdysi zabíraly celé místnosti, měly za úkol provádět pouze jednoduché výpočty. Dnešní počítače se vejdou do dlaně a jejich možnosti se mohou zdát téměř neomezené. Co se však nemění, je vytváření tepla elektronickým systémem. Se zvyšujícím se výpočetním výkonem se úměrně zvyšuje i množství odváděného tepla. Snad pro nikoho nebude překvapením, když řekneme, že přebytečné teplo je jedním z největších nepřátel elektronických systémů. Způsobuje totiž o mnoho rychlejší opotřebení elektronických prvků, jako jsou např. tranzistory, rezistory či relé. Ve zvláštních případech mohou vysoké teploty vést až k nevratnému poškození řídicího systému. Náklady na opravu takového zařízení mohou často překročit hranici rentability. Porovnáme-li počítače z doby před několika desetiletími s těmi dnešními, zjistíme, že zařízení z 20. století vybavená rozsáhlými chladicími systémy pracovala v mnohem příznivějších podmínkách než ta dnešní.
Elektronické systémy dnes určují tempo lidského života, zajišťují bezpečnost a umožňují další vývoj technologií. Aby fungovaly bez závad a s maximální účinností, je prioritou zajistit správné chlazení a ochranu proti přehřátí. Nároky kladené na užitková mobilní zařízení nebo pokročilé průmyslové systémy nutí výrobce vyvíjet velké úsilí při hledání nejlepšího způsobu, jak udržet nejcitlivější součásti systému v bezpečné teplotě.
Chladicí systémy na míru
Rozlišujeme několik nejběžnějších systémů chlazení a rozptylování tepla, které se používají v elektronických systémech. Liší se především velikostí, která je jedním z hlavních kritérií pro výběr chladicího systému pro konkrétní aplikaci, ale také chladicím médiem nebo účinností odvodu tepla. Abychom se mohli správně rozhodnout, který z nich přináší největší výhody, je nutné se seznámit s charakteristikami a hlavními výhodami každého z nich.
Při výběru chladicího systému se nejčastěji setkáváme s následujícími položkami:
Ventilátory
Ventilátor je základní chladicí zařízení, se kterým se setkáme v každé domácnosti nebo v průmyslovém podniku. Prvním a nejběžnějším účelem použití ventilátorů v elektronických zařízeních je odvádění tepla. Tyto prvky se nacházejí jak ve stolních, tak v přenosných počítačích. Přítomnost ventilátoru si obvykle uvědomíme, když spouštíme náročný program nebo hru. Tehdy počítač využívá své maximální možnosti, což současně vytváří více tepelné energie. Ventilátor v automatickém režimu pak odvádí teplo z vnitřku zařízení, což umožňuje nepřerušený provoz a chrání elektronický systém citlivý na vysoké teploty.
Ventilátory jsou zařízení vybavená motorem, který pohání lopatky oběžného kola. Konvekční pohyby vzduchu vynucené rotujícím oběžným kolem ventilátoru rozptylují a vyfukují teplo vznikající v elektronickém zařízení. Tepelná energie je odváděna mřížkami umístěnými ve skříni počítače. Pohyb ventilátoru je iniciován teplotním čidlem. Po překročení určité hodnoty se začne otáčet oběžné kolo ventilátoru a jednotka se ochladí. Množství vzduchu přečerpávaného ventilátorem se počítá v metrech krychlových za hodinu ę .
Důležitou výhodou ventilátorů je, že fungují také jako „vysavač" uvnitř počítačové jednotky. Aby fungovaly správně, musí se z lopatek pravidelně odstraňovat usazený prach.
Za zmínku také stojí, že ventilátory, které v současnosti nabízejí přední výrobci, procházejí přísnými testy z hlediska hlučnosti. Není tedy třeba se obávat, že by jejich provoz měl být pro uživatele počítače rušivý. Hlučnost se však bude zvyšovat úměrně s velikostí ventilátoru a množstvím vzduchu, který bude muset jednotka přečerpat.
Při použití aktivního chlazení také hrozí poškození některé ze součástí větráku. Může se jednat o pohonný systém nebo samotné poháněné oběžné kolo. Takové riziko naopak nehrozí u pasivního chlazení, kterému se budeme věnovat později.
Chladiče
Další běžnou součástí chladicího systému je chladič. Je vyroben v podobě žebrovaného kovového prvku a nejčastěji se používá ve spojení s výše popsanými ventilátory pro zvýšení účinnosti odvodu tepla. Materiálem, který výrobci běžně používají pro výrobu chladičů, je hliník.
Zde se nabízí otázka – jak může takové zařízení ovlivnit odvod tepla ze zahřívajících se elektronických prvků? V souladu s principy tepelné výměny platí, že čím větší je plocha pohlcující tepelné záření, tím větší je chladicí výkon. V chladiči jsou vhodně tvarovaná žebra zodpovědná za maximalizaci plochy pro výměnu tepla. Není proto nijak překvapivé, že čím větší je chladič, tím intenzivnější je chlazení. Největším omezením jsou tedy rozměry zařízení, pro které bude daný prvek fungovat. Dalším velmi důležitým aspektem je vzdálenost chladiče od zahřátého prvku. Čím je menší, tím účinnější je odvod tepla. Pro maximalizaci přenosu teploty se na rozhraní obou ploch používají teplovodivé pásky.
V instalaci ventilátoru pohlcuje chladič velké množství horkého vzduchu vytlačovaného lopatkami oběžného kola a následně rozptyluje vzniklé teplo do okolí.
Peltierovy články
Velmi zajímavým řešením chlazení elektronických obvodů jsou Peltierovy moduly. Konstrukce zařízení sestává z paralelně uspořádaných keramických destiček, mezi nimiž jsou střídavě uloženy polovodiče typu n a typu p. Přímý kontakt mezi nimi je zajištěn pomocí měděných plíšku jako dopravního prostředku pro elektrony. Protékající elektrický proud způsobuje změny teploty na přechodu mezi nestejnorodými polovodiči. Bezporuchovost, relativně malá a kompaktní konstrukce nebo nepřítomnost chladiva jsou hlavními výhodami tohoto chladicího systému. Dalším důležitým hlediskem je možnost rozšíření a zvýšení účinnosti Peltierova článku pomocí dalších modulů. „Teplá“ strana prvního modulu se pak připojí ke „studené“ straně dalšího modulu. Schopnost odběru tepla tedy závisí na dostupnosti místa a hodnotě elektrického proudu.
Články najdou uplatnění v náročných podmínkách okolního prostředí, jako je vysoká prašnost. Příkladem použití Peltierových modulů v každodenním životě jsou přenosné automobilové chladničky nebo mnohem pokročilejší systémy zařízení, která vyžadují přesnou regulaci teploty - například vysoce výkonné generátory.
Kapalinové chlazení
Účinný odvod tepla v pokročilých výkonných elektronických systémech vyžaduje vysoký chladicí výkon. Je třeba vědět, že tepelná kapacita vzduchu, tedy množství energie, kterou vzduch dokáže uchovat, je přibližně 1 zatímco voda má kapacitu přibližně 4 000. Není těžké odhadnout, že náročné elektronické instalace využívají kapalinové chladicí systémy. Takzvané vodní bloky jsou konstruovány na principu obtékání chladiče vodou nebo jinou chladicí kapalinou v těsně uzavřeném pouzdře. Pohyb kapaliny zajišťuje čerpací systém. Kapalinové chladicí systémy vyžadují vysokou výrobní přesnost. Jak je totiž známo, kontakt s vodou není pro elektricky napájené systémy nijak prospěšný. I když je systém naplněn nevodivou látkou a pouhý kontakt s ní nezničí zařízení, ztráta chladiva zastaví proces chlazení. Taková řešení se nacházejí například v počítačích určených k provádění složitých výpočtů nebo simulací pro potřeby výzkumu a strojírenství.
Tepelné trubice
Tepelná trubice je jednoduché zařízení určené k přenosu tepla konvekcí.
Přestože tato technologie byla známá již ve 40. letech 20. století, průmyslové využití našla až o 20 let později. V současné době se tepelné trubice používají v celé řadě oblastí, od chlazení a vytápění přes moderní počítače až po kosmický průmysl.
Tepelná trubice je rozdělena do tří zón:
• odpařovací zóna (výparník)
• přechodová zóna – přenos tepla bez výměny s okolím (adiabatický)
• kondenzační zóna (kondenzátor).
Teplo je pohlcováno ve výparníku, kde se kapalné chladivo odpařuje. Tlak v prostoru výparníku je vyšší než tlak v prostoru kondenzátoru. Vyvolaný rozdíl tlaků nutí páry chladicího média k pohybu do kondenzační zóny, kde kondenzují a předávají teplo hornímu zdroji.
Tepelné trubice jsou technologií používanou v kosmických lodích, chemickém nebo energetickém průmyslu.
Úloha chlazení ve fungování elektroniky
Nadměrné teplo v zařízení zkracuje jeho životnost, omezuje jeho schopnosti a často vede k nevyhnutelnému poškození elektronických systémů. Správná volba chladicích prvků zabrání všem těmto negativním účinkům. Pro konstruktéry je to velká výzva, protože je třeba zohlednit mnoho faktorů \– důležité jsou technické parametry zařízení a rozměry. Neobejde se to ani bez příslušných výpočtů. Je však třeba mít na paměti, že i při použití sebelepšího systému odvodu tepla jsme to my, uživatelé, kdo má velký vliv na životnost zařízení tím, že mu poskytneme dostatečný prostor pro cirkulaci vzduchu a používáme jej pouze k určenému účelu.
Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
https://www.tme.eu/cz/news/library-articles/page/53507/zpusoby-chlazeni-elektronickych-zarizeni/