Koncepce odvodu tepla

Konvekce, kapalinové chlazení

Vývoj směřující k zvýšení stupně účinnosti tranzistorů, polovodičových relé (SSR), IGBD, IO a podobných polovodičových součástek nevyřešil přes různé modifikace a aplikace problém odvodu tepla od těchto elektronických komponentů. Změnil se pouze způsob jak a kde použít doplňkové chlazení. Bezpečná funkce a dlouhá životnost součástky vyžaduje zpravidla velké náklady spojené s odvodem tepla a znalosti souvislostí v tomto oboru. Možnosti odvodu tepla jsou dvě – „tichý“ a nebo „hlučný“. „Tichá“ verze odvodu tepla spočívá ve volné konvekci (samovolné proudění vzduchu) a ve vlastním vyzařování tepla. Je osvědčeným prostředkem pro odvod jak nepatrných, tak i velkých ztrátových výkonů.

Chlazení volnou konvekcí vzduchu

Chladič odpovídající velikosti odvádí od chlazené součástky teplo a předává ho dále okolnímu vzduchu. V principu, chceme-li výhradně zvětšovat pouze povrch pracovní plochy systému, narazíme na omezení vzhledem k velikosti (objem a hmotnost), ale i na fyzikální hranice. Tyto jsou dány specifickou tepelnou vodivostí (σ) použitého materiálu chladiče, jímž je většinou hliník, a s ohledem na cenu a hmotnost, nepříliš často měď. Pro chlazení elektronických dílů vysokého výkonu s malými chlazenými plochami není uvažovaný povrch chladičů jediným parametrem řešícím otázku, zda se teplota chlazeného dílu dostane na hodnotu teploty požadované. Průtok vzduchu uvnitř chladiče, kolem základny a žeber je, jak již bylo řečeno, vzhledem k jeho specifickým schopnostem odvádět teplo, omezen. Zvětšování plochy chladiče nevede k žádnému dalšímu zlepšení. Zde se nabízí „hlučná“ verze odvodu tepla, představující použití ventilátorů s motory různých provedení, podporující chladicí účinnost chladičů. Z volné konvekce se rázem stane nucené (podporované) chlazení, které vzhledem k zvýšenému průtokovému množství vzduchu přirozeně dokáže odvést mnohem větší objem tepla než jednoduchá volná konvekce, a to při nepatrném pohybu vzduchu (still air). Efektivita nuceného chlazení může být maximální jen tehdy, nepoužijeme-li pouze stávající chladiče pro volnou konvekci, jejichž výkonové vlastnosti vylepšíme pohybem vzduchu, ale použijeme-li především tzv. ventilátorové agregáty. Ty svojí stavbou a geometrií výměny vzduchu spolu s vhodným motorem odpovídají podmínkám volné konvekce. Různé způsoby transportu vzduchu jsou prováděny, vedle axiálních a tangenciálních ventilátorů, též diagonálními a radiálními ventilátory, které vykazují lepší výkonové hodnoty transportu vzduchu. Výhodou diagonálních ventilátorů oproti axiálním je, že při menší stavební velikosti produkují větší tlak a větší objemové množství vzduchu. Ve vztahu cena/výkon si zcela jistě radiální ventilátory zaslouží to nejvyšší ohodnocení.

Chlazení médii

V případě, že chlazení vzduchem není postačující, zůstává k odvedení tepelných ztrátových výkonů jen jako „ultima ratio“ nasazení kapalin. Tento způsob chlazení bývá s povděkem využíván v případě, že lze využít již existující kapalinový okruh a novou chladicí soustavu lze do tohoto systému jednoduše integrovat. Naopak není příliš oblíbené použití kapalinových chladičů tam, kde je nutno systém zpětného chlazení budovat dodatečně. Výhrady, že voda a elektronika se k sobě nehodí, jsou bezpředmětné vzhledem k současné chladicí technice se spolehlivými, bezpečnostně prověřenými spojkami a hadicovými systémy. Zásadně platí, že kapaliny jako voda nebo olej atd. dokáží transportovat významně větší objemové množství tepla než vzduch. Především v oboru chlazení vysoce výkonových laserů, IGBT a dalších výkonových elektronických dílů je chlazení kapalinami velmi vhodné. Vedle již známé koncepce tzv. „Cold Plates“ (měděné trubky nalisované nebo vlepené do hliníkového tělesa) jsou k dispozici očividně výhodnější chladicí systémy – kapalinové chladiče s vnitřní trojrozměrnou strukturou, v níž je docílen velmi dobrý přechod mezi chladicím elementem a chladicím médiem (kapalinou). Silná základová deska umožňuje volné umístění součástek, jejichž pozici neomezuje ohled na uspořádání trubic chlazení uvnitř chladiče.

Vliv použitých materiálů

Na zmíněný význam tepelné vodivosti (λ) použitých materiálů je nutno dbát především jestliže dodávky pocházejí od různých dodavatelů. Při použití tepelně vodivých slitin hliníku se vychází z hodnoty λ≥200 W/mK, u mědi λ≥380 W/mK. Speciálně u procesorů s taktovací frekvencí nad 1,5 GHz nelze zhotovit uspokojivé chlazení bez použití mědi. Zde musí být alespoň základna chladiče z mědi a žebra z hodnotných Al slitin. Chladiče kompletně z mědi se doposud používají velmi zřídka s ohledem na hmotnost (měď je 3× těžší než hliník) a dvojnásobnou cenu ve srovnání s Al. Pro malé chladiče lze použít při speciálních aplikacích též stříbro λ≥ 420 W/mK. Lité chladiče, jejichž vnitřní mikrostruktura materiálu má větší kompaktnost, vykazují lepší hodnoty λ než klasické lisované chladiče. Při usměrnění této struktury materiálu ve směru proudění vzduchu lze dosáhnout výrazného zlepšení λ při stejně velkých profilech až o 20 % a při tlakově litých profilech až o 30 %. Lité profily vzhledem ke komplikovanějšímu způsobu výroby, nepříznivější geometrii a ceně přípravků jsou jen omezenou součástí spektra nabízených chladičů. Představují však technické zlepšení v oblasti odvodu tepla, a tak jsou zajímavou alternativou současných opatření v oboru chlazení součástek.

ČESKÁ REPUBLIKA

390 02 Tábor, Bydlinského 2964

Tel.: 00420- 382/52 10 70

Fax: 00420- 382/52 10 25

mobil: 00420- 602/ 486 335

SLOVENSKÁ REPUBLIKA

Trenčín, 91311 Trenčianské

Stankovce 367

Tel.: 00421- 326/49 72 17

Fax: 00421- 326/49 72 18

mobil: 00421- 905/ 914 617

http://www.fischerelektronik.cz