Vplyv umiestnenia chladiča na jeho tepelný odpor

Pri návrhu elektronických zariadení sa často vynára potreba chladenia výkonových súčiastok. Najpoužívanejším spôsobom je využitie pasívnych chladičov. V takomto prípade sa konštruktér spravidla spoľahne na katalógový údaj o tepelnom odpore. Aký je však vplyv polohy chladiča na jeho skutočný tepelný odpor? Ako príklad je možné uviesť jednoduchý chladič tvaru U s výrobcom definovaným tepelným odporom 27 K/W. Výrobca však neudáva, v akej polohe je dosahovaný tento tepelný odpor. V dnešnej dobe triezvo uvažujúci konštruktér musí predpokladať, že ide o ideálny stav a pri reálnom použití bude tepelný odpor vyšší. Riešením by bolo skutočný tepelný odpor odmerať. Reálnejšie je požadované parametre overiť simuláciou. Toto riešenie je navyše „integrované“ do procesu vývoja zariadenia a rieši aj ostatné vplyvy konštrukcie (blízkosť iných výkonových komponentov, geometria krytov, usporiadanie vetracích otvorov, použitie ventilátora…), ktoré nemôžu byť zahrnuté v jednej univerzálnej hodnote tepelného odporu.

Pre ilustráciu vplyvu umiestnenia chladiča na jeho skutočný tepelný odpor boli vykonané simulácie v programe FloEFD od Mentor Graphics. Bol vytvorený model hliníkového chladiča bez povrchovej úpravy. Vzhľadom na nízku emisivitu povrchu neboli simulované radiačné efekty. Predpokladaná chyba simulácie sa z tohto dôvodu pohybuje v rozmedzí 5–10 %. Systematicky táto chyba zhoršuje tepelné parametre simulovaného chladiča, čím v konečnom dôsledku prispieva k zvýšeniu bezpečnostného faktora a robustnosti navrhovaného zariadenia. Stredná vnútorná plocha chladiča (na ktorú sa umiestňuje výkonová súčiastka) bola definovaná ako plošný zdroj tepla s výkonom 1 W.

Prvým simulovaným prípadom je umiestnenie chladiča vo voľnom priestore v polohe „na stojato“ (obr. 1). V tomto prípade nie je prúdenie vzduchu ničím ovplyvňované, napriek tomu je povrchová teplota chladiča takmer 64 °C, čo pri teplote vzduchu 20 °C predstavuje tepelný odpor 44 K/W.

V druhom modelovanom prípade (obr. 2) je chladič umiestnený takisto vo voľnom priestore, ale v polohe „na ležato“. Povrchová teplota chladiča je v tomto prípade mierne nad 64 °C, čomu zodpovedá tepelný odpor 44 K/W.

V ďalších simulovaných prípadoch bol chladič umiestnený na DPS. V prvom prípade (obr. 3) v polohe „na stojato“. V tomto prípade síce DPS bráni prúdeniu vzduchu, ale zároveň ho usmerňuje cez chladiace výrezy, následkom čoho dochádza k lepšiemu kontaktu vzduchu s chladeným povrchom a tým aj k lepšiemu odvodu tepla. Povrchová teplota chladiča je v tomto prípade premenlivá a na povrchu s umiestneným výkonovým prvkom dosahuje 49,34 °C, čo zodpovedá tepelnému odporu 29 K/W.

V poslednom prípade je chladič umiestnený na DPS v polohe „na ležato“(obr. 4). Povrchová teplota chladiča je v tomto prípade 37 °C, čo zodpovedá tepelnému odporu 17 K/W. V tejto konfigurácii však značnú časť tepla odvádza samotná DPS.

Z výsledkov simulácií je možné vidieť, že tepelný odpor chladiča v zariadení nie je výrobcom udaná konštanta, ale značne závisí od umiestnenia chladiča. Výrobcom udávaný tepelný odpor je pravdivý v prípade typického použitia. V prípade neštandardnej inštalácie sa môže výsledná hodnota tepelného odporu významne líšiť na obe strany. Ďalším významným vplyvom bude blízke umiestnenie iných výkonových prvkov, ktoré budú ohrievať prichádzajúci vzduch, prípadne meniť charakter prúdenia v blízkosti chladiča. Rovnako môžu charakter prúdenia narušovať aj iné masívne komponenty inštalované v jeho blízkosti.