Chladenie elektronických komponentov s použitím Heatpipe-s a Vapour chamber-s

Pokračujúci búrlivý rozvoj v oblasti integrácie prináša do života mnoho nových možností a radostí pre koncových používateľov, avšak ruka v ruke s tým prichádzajú nové problémy pre konštruktérov. Odhliadnuc od nutnosti udržania orientácie v širokom portfóliu produktov prichádzajú k slovu fyzikálne limity o ktorých sme nedávno ani netušili. Kým pre odchádzajúcu generáciu konštruktérov bol najbúrlivejšou zmenou prechod od vákuovej techniky k polovodičom a následne integrovaným obvodom, dnešní konštruktéri si síce hovejú v rámci pretrvávajúcej fyziky polovodičov, začínajú však bojovať s limitmi ich použiteľnosti.

Jedným z hlavných problémov v tejto oblasti je problém odvodu tepla. Kým predchádzajúce generácie si v praxi vystačili s jedným vzorcom pre doskový chladič, tabuľkou korekčných konštánt a prípadne ventilátorom pre udržanie rozumnej teploty v skrini zariadenia, dnes zápasíme s výkonovými hustotami, ktoré sa takto zvládnuť jednoducho nedajú.

Ako hovorí Moorov zákon, hustota integrácie sa každé cca 2 roky zdvojnásobí (obr. 1). Avšak zároveň s tým sa znásobí aj množstvo stratového tepla. Pomerne dlho bolo v praxi možné túto skutočnosť ignorovať, keďže pri drvivej väčšine integrovaných obvodov stačilo chladenie prirodzeným odvodom tepla.

Obr. 1 Stúpajúca hustota integrácie v priebehu rokov [1]

Keď už nestačilo sálanie z puzdra a prúdenie cez vývody do DPS, ktorých počet vrstiev rástol a tým sa stávali čoraz efektívnejšími chladičmi, dalo sa pomôcť malým pasívnym chladičom, prípadne nejakým ofukovaním. Problémy chladenia sa obmedzovali prakticky len na výkonové polovodiče, kde bolo miesta vcelku dosť. Zhruba od polovice 90. rokov je už nutné chladiť výkonnejšie procesory, postupom času aj pamäte a ostatné vysokorýchlostné obvody na matičných doskách. V prípade stolných počítačov je to stále relatívne jednoduchý problém, keďže je k dispozícii dosť miesta na rozmerný chladič. Ale prvý fyzikálny limit bol dosiahnutý už pred cca 30 rokmi, keď bolo nutné prejsť na nútený obeh vzduchu. Kým pri prirodzenom chladení je odvádzané množstvo energie niekde medzi 3,5 a 12 W m^-2 K^-1 a potrebný rozmer chladiacej plochy by bol jednoducho priveľký, pri nútenom obehu je možné odviesť až 550 W m^-2 K^-1. Aj tu však fyzika hádže konštruktérovi polená pod nohy, keď pri jemnom ofukovaní síce dochádza k podstatnému nárastu chladiacej schopnosti, ale s narastajúcou rýchlosťou prúdenia je už nárast účinnosti chladenia menší (obr. 2).

Obr. 2 Korekčný koeficient tepelného odporu chladiča pre prúdiaci vzduch

Zjednodušene je možné povedať, že každé zdvojnásobenie otáčok ventilátora zníži tepelný odpor takmer o polovicu (obr. 3). Samozrejme pri vyšších otáčkach a rýchlostiach prúdenia už do hry začínajú vstupovať faktory ako účinnosť ventilátora, tlaková strata na chladiči, „odskakovanie“ prúdu vzduchu spomedzi rebier a podobne. Rovnako je nutné počítať s tým že zadná časť chladiča je už ofukovaná ohriatym vzduchom, čím vznikajú tepelné nehomogenity a znižuje sa celkovo účinnosť chladenia.

Obr. 3 Aproximácia závislosti tepelného odporu chladiča na otáčkach ventilátora [1]

Ďalším limitom bolo dosiahnutie takej výkonovej hustoty na čipe, že pre odvod vznikajúceho tepla nedostačovalo ani medené jadro chladiča. Keďže neexistuje materiál s dostatočne vysokou tepelnou vodivosťou, bol nutné teplo odvádzať iným spôsobom. Samozrejme, ponúkal sa systém odvodu tepla kvapalným médiom, avšak takéto systémy sú konštrukčne zložité, obsahujú pohyblivé diely a pri poruche tesnosti predstavujú vysoké riziko poškodenia zariadenia.

Preto sa ujal systém odvodu tepla pomocou vriacej kvapaliny, avšak bez potreby čerpadla a v hermetickom obale. Tento systém je vďaka využívaniu skupenského tepla schopný pracovať s vysokými výkonovými hustotami a vďaka pevnej a hermetickej konštrukcii je možné použiť kvapaliny, ktoré aj v prípade málo pravdepodobného úniku nespôsobia poškodenie zariadenia.

Heatpipe-s & Vapour Chamber

Kým tepelná vodivosť hliníka je cca 200 W m^-1 K^-1, tepelná vodivosť medi sa pohybuje pod 400 W m^-1 K^-1, celková tepelná vodivosť heatpipe-y sa v pracovnej oblasti pohybuje rádovo v tisícoch (pri prierezoch pod 1 cm2). Kým pri kovových vodičoch tepla môžeme celkovú tepelnú vodivosť zvýšiť len zväčšením mechanických rozmerov a s tým spojeným nárastom hmotnosti, heatpipes môžeme spájať paralelne. Tým je možné v rovnakom objeme dosiahnuť rádovo vyššiu tepelnú vodivosť pri významne nižšej hmotnosti. Úspora materiálu a hmotnosti sú hlavnými dôvodmi, prečo sa tento systém dnes využíva v stolných počítačoch. Na druhej strane systém heatpipe má aj obmedzenia, a tou je už spomínaná pracovná oblasť. Kým kovové vodiče tepla fungujú od absolútnej nuly až do roztavenia a pre ľubovoľný prenášaný výkon, heatpipe bude funkčná len v oblasti teplôt, keď je použité médium kvapalné a majú výkonové maximum, nad ktorým zlyhávajú. Pre bežné nasadenie je ich teplotný rozsah dostatočný, avšak pre nasadenie pri extrémnejších podmienkach je na toto nutné pamätať.

Konštrukcia heatpipe-s & Vapour Chamber

Heat Pipes/Vapor Chambers sú hermeticky uzavreté trubice alebo komory, ktoré sú plnené pracovnou kvapalinou. Tou môže byť voda, etanol a podobne. Znížený tlak vnútri spôsobuje, že pracovná kvapalina zovrie pri nižšej teplote, ako je bežné. Teda aj voda v heatpipe môže vrieť pri 30 °C, čo bude až do vyčerpania výkonovej kapacity prakticky konštantná teplota na „pracovnom konci“. Samozrejme, s postupujúcim odparovaním pracovnej kvapaliny dôjde k zvýšeniu vnútorného tlaku, teda aj pracovná teplota sa zvýši. Lokálnym zahriatím trubice dôjde k lokálnemu varu pracovnej kvapaliny, ktorej pary vyplnia vnútorný priestor. Pri vare dochádza k odberu veľkého množstva tepla. Kým pri chladení bez zmeny fázy odoberá voda cca 4,2 kJ kg^-1 K^-1, v prípade varu je to až 2 257 kJ kg^-1 (odpar pri nezmenenej teplote). Nie, nie je to preklep, je to naozaj 500× viac. V tom je práve princíp vysokej chladiacej kapacity. Na chladnom mieste dôjde ku kondenzácii pár a odovzdaniu skupenského tepla do okolia. Skondenzovaná kvapalina potom buď pôsobením gravitácie steká späť, alebo pôsobením kapilárnych síl vzlína po stenách. Celý proces prebieha v uzavretom cykle a je vyvolaný práve rozdielom teplôt (obr. 4). Aby heatpipe-a fungovala ako má, musí byť „pracovný koniec“ zaliaty kvapalinou. Ak sa na ohrievanom mieste nebude nachádzať dostatočné množstvo kvapaliny, proces prestane fungovať.

Obr. 4 Pracovný cyklus vnútri heatpipe [1]

Heatpipes sú vyrábané prakticky výhradne z medi. Dôvodom je hlavne jednoduchosť spracovania. Jednotlivé modely sa okrem fyzických rozmerov líšia hlavne v štruktúre vnútorného povrchu. Ak dokážeme zabezpečiť, že heatpipe bude pracovať v gravitačne priaznivej polohe, na štruktúre povrchu nezáleží. Avšak v prevažnej väčšine prípadov budeme viac alebo menej bojovať s gravitáciou a vhodne štruktúrovaný povrch výrazne ovplyvní maximálny prenositeľný výkon. V praxi sa vyskytujú 3 typické štruktúry (obr. 5).

Obr. 5 Vnútorná štruktúra stien heatpipes [1]

Drážkovaný povrch (grooved) je výrobne najjednoduchší a teda aj najlacnejší, ale jeho výkon proti gravitácii je najslabší. Trubice s takýmto povrchom budú mať výrazne nižšie výkonové maximum (v závislosti od polohy).

Povrch tvorený pritavenými čiastočkami medi (sintered) má najlepší výkon proti gravitácii, kapilárne vzlínanie je najlepšie, ale jeho výrobná náročnosť sa nepriaznivo prejavuje v cene.

Rozumný kompromis a z cenových dôvodov najčastejšie používané riešenie predstavuje hybrid s vloženou sieťkou (Wire Mesh). Výroba sieťky je pomerne lacná a vzlínanie pracovnej kvapaliny proti pôsobeniu gravitácie je dobré.

Aplikácie Heatpipes a Vapour Chamber-s

Heatpipes a vapour chambers predstavujú veľmi spoľahlivé a robustné zariadenia pre odvod tepla. Neexistencia pohyblivých častí, hermetizácia vnútorného priestoru a odolnosť proti bežným korozívnym vplyvom umožňujú prirodzene dlhú životnosť. Pracovná kvapalina je uzavretá a bez možnosti interakcie z okolím nedochádza k chemickej degradácii ani stratám odparovaním. Typická projektovaná životnosť je 20 a viac rokov, čo s rezervou prekračuje morálnu životnosť väčšiny elektronických systémov. Reálne však neexistuje dôvod, aby heatpipe správne nepracovala 50 či 100 rokov, ak len nedôjde k jej fyzickej deštrukcii.

Keďže heatpipes sú tvarovateľné, je nimi možné riešiť odvod tepla „za roh“. Kým pri tradičnom prístupe bol chladič umiestnený priamo na výkonovom komponente alebo v jeho tesnej blízkosti, pri použití heatpipes môžeme mať vlastný chladič takmer kdekoľvek. Typickým príkladom je konštrukcia chladenia notebooku (obr. 6). Tu môžeme v praxi vidieť nielen priestorové riešenie odvodu tepla, ale aj praktické využitie paralelného spojenia trubíc pre dosiahnutie dostatočného výkonu. Aj keď v tomto prípade ide skôr o rozdelenie ohybu, keď trubicu s väčším prierezom by nebolo možné ohnúť na požadovanom polomere. Práve flexibilita možných tvarov a usporiadaní otvára konštruktérom nové možnosti.

Obr. 6 Konštrukcia chladenia notebooku s využitím sústavy tepelných trubíc [1]

V prípade intenzívnych zdrojov tepla s vysokou výkonovou hustotou narážame na fyzikálny problém rozvodu tepla k chladiacim plochám. Kovový chladič by si v takomto prípade vyžadoval takú masívnu, základňu, že jeho hmotnosť by predstavovala technicky veľmi zložitý až neriešiteľný problém. Zabudovaním tepelných trubíc do základne chladiča (obr. 7) zvýšime jej tepelnú vodivosť pri zachovaní malej hmotnosti.

Obr. 7 Zvýšenie tepelnej vodivosti základne chladiča [1]

Týmto spôsobom je možné rozviesť teplo z malého zdroja na veľkú plochu. Zmenou geometrie heatpipe z trubice na plochú komoru získame ideálny tvar práve pre tieto aplikácie (obr. 8). Zmení sa názov z heatpipe na vapour chamber, ale fyzikálna podstata zostáva rovnaká.

Obr. 8 Chladič so základňou tvorenou „parnou komorou“ má pri rovnakých rozmeroch nižšiu hmotnosť a až o 30 % nižší tepelný odpor [1]

Využitie moderných systémov pre odvod tepla umožňuje konštruktérom posúvať hranice možného. Každý by si však mal pri návrhu nájsť trochu času a uvedomiť si, aké fyzikálne deje v danom systéme prebiehajú. Typickou chybou je uvažovanie o pridaných elementoch, či už je to ventilátor, heatpipe alebo peltierov článok, ako o zázrakoch. Všetky tieto elementy slúžia len na zlepšene prenosu tepla, ktoré sa v konečnom dôsledku musí rozptýliť v atmosfére. Niektoré elementy celkovú bilanciu dokonca výrazne zhoršujú (peltierov článok), avšak ich správna implementácia dokáže lokálne doslova zázraky. Problémom je, ak si konštruktér neuvedomí fyzikálnu podstatu a daný element aplikuje neuvážene.

V článku preberané heatpipes predstavujú úžasný systém pre prenos tepla, no v samotnej fyzikálnej podstate nepredstavujú chladič. Rovnako je nutné si uvedomiť, že majú základnú pracovnú teplotu, pod ktorou nefungujú. Aj keď škála ich tvarov a rozmerov je široká, nie je neobmedzená. Existuje tu ohraničenie zdola (3–8 mm) a takisto aj zhora. Aj keď môžu byť vyrobené v sploštenom tvare, minimálny rozmer je nutné dodržať. Rovnako prekročenie maximálneho prenášaného výkonu či maximálnej pracovnej teploty spôsobí „vyschnutie“ trubice. Jav, ktorý skokovo zastaví prenos tepla trubicou.