Hűtés – bevezetés

Az elektronikai rendszerek egyre sűrűbbek és melegebbek, ami azt jelenti, hogy sok rendszernek lesz szüksége valamilyen módszerre ennek a hőnek a semlegesítésére. Bár nem minden tervhez kell hűtési megoldást is fejleszteni, a hő keletkezésének, mozgatásának és eltávolításának alapszintű megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy elkerüljük a kulcsfontosságú alkatrészeknek a megemelkedett hőmérséklet miatti károsodását. Ami azt illeti, a hűtést már a tervezés korai szakaszában érdemes figyelembe venni, nem csak a tervezés végén egyfajta sebtapaszként.

A hűtés alapjai

Miközben az elektronikai rendszerekkel szemben egyre nagyobbak az elvárások, az elmélet a hő továbbításának háromféle módját ismeri, amelyeket fel lehet használni az alkatrészek hűtésére, ezek a következők: vezetés, szállítás és sugárzás.

A talán a leghatékonyabb energiaátviteli módszer, a hővezetés két tárgy közötti fizikai érintkezés révén adja át a hőenergiát, ahol a hidegebb tárgy természetes módon von el energiát a melegebbtől. Általában ez a módszer igényli a legkisebb felületet a legnagyobb energia átviteléhez.

1. ábra: Hővezetés a gyakorlatban (kép: Same Sky)

A második lehetőség, a hőszállítás a hőenergiát a levegő mozgása révén oszlatja el. Ahogy a hűvösebb levegő elhalad egy melegebb tárgy mellett, hőt von el attól, és magával viszi azt, ahogyan továbbhalad az eszközön keresztül. Ez a módszer megvalósítható természetes légmozgással vagy ventilátorral kényszerített légáramlással.

2. ábra: Hőszállítás a gyakorlatban (kép: Same Sky)

A harmadik megoldás, a sugárzás az energia elektromágneses hullám formájában történő kibocsátása. A másik kettővel összehasonlítva ez a módszer meglehetősen rossz hatásfokú, és a legtöbb hőtechnikai számításban figyelmen kívül hagyják, mert általában csak vákuumos készülékeknél használható, ahol a hővezetés és a hőszállítás nem jöhet szóba. A sugárzás elméletben a hő átadása a forró részecskék rezgése során keletkező elektromágneses hullámokon keresztül.

3. ábra: Sugárzás a gyakorlatban. (kép: Same Sky)

Bár nem tartozik a fentiekben vázolt három alapvető termikus fogalom közé, fontos megemlíteni a hőellenállást vagy hőimpedanciát is, amely az objektumok közötti hőátadás hatékonyságát határozza meg, és amelyet kiterjedten használnak a hűtési megoldások tervezésénél. Egyszerűen fogalmazva: minél kisebb a hőimpedancia, annál jobb az energiaátvitel. A hőimpedancia és egy adott környezeti hőmérséklet alapul vételével pontosan kiszámítható, mennyi energiát kell elvezetni ahhoz, hogy elérjünk egy bizonyos hőmérsékletet.

Hűtésre használt alkatrészek

Az elektronikai rendszerek hűtésére három népszerű módszer létezik: hűtőbordák, ventilátorok és Peltier-modulok. Mindegyik használható külön-külön, de még nagyobb hatékonyságot érhetünk el, ha együtt alkalmazzuk őket.

Hűtőbordák számos alakban és méretben kaphatóak. A hőszállításos hűtés hatékonyságának javítására szolgálnak azáltal, hogy csökkentik a hőellenállást a hűtőközeg, általában a levegő és azon eszköz között, amelyhez csatlakoztatva vannak. Ezt a hőszállító felület növelésével érik el, és olyan anyagból készülnek, amelynek alacsonyabb a hőellenállása, mint a tipikus félvezetőknek. A hűtőbordák alacsony költségűek, és szinte soha nem hibásodnak meg vagy kopnak el, viszont növelik az általuk hűtött elektronikai rendszerek térfogatát. Mivel passzív alkatrészek, a hűtőbordákat gyakran párosítják ventilátorokkal, hogy az elvezetett hőenergiát hatékonyabban távolítsák el a rendszerből. A ventilátorok a hűtőborda fölött a friss, hideg levegő folyamatos áramlását hozzák létre, hogy fenntartsák a hőmérséklet-különbséget a hűtőborda és a hűtőlevegő között, és így biztosítsák a hőenergia folyamatos, hatékony átadását.

A ventilátorok sokféle alakban és méretben kaphatóak, sokféle teljesítményváltozatban. A legfontosabb műszaki adatuk az általuk megvalósítható légáramlás, amelyet általában köbláb/percben (CFM) (illetve köbméter/percben) mérnek. Egyes ventilátorok el vannak látva vezérléssel, így a fordulatszámuk a visszacsatoláson alapuló szabályozórendszer részeként a pillanatnyi hűtési igényekhez igazítható. A ventilátorok segítenek a hűtés javításában, de a tervezőknek tisztában kell lenniük azzal, hogy áramellátást és néha szabályozó áramkört igényelnek. A hűtőbordákkal ellentétben a ventilátorok zajosak lehetnek, és mozgó alkatrészek is vannak bennük, ami miatt hajlamosabbak a meghibásodásra.

A Peltier-eszközök olyan félvezető alkatrészek, amelyek a Peltier-hatást használják a hőnek a modul egyik oldaláról a másikra történő átvitelére. A Peltier-eszközöket energiával kell ellátni ahhoz, hogy a hőenergiát mozgatni tudják, ami növeli a rendszer hőtermelését, ezért a legjobb, ha hűtőbordákkal és ventilátorokkal együtt használják őket. A Peltier-modulok azonban pontos hőmérséklet-szabályozásra képesek, és a környezeti hőmérséklet alá tudják hűteni az eszközöket. A hűtőbordákhoz hasonlóan ezek sem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, így önmagukban rugalmasak és erőteljesek, de esetükben is előfordulhat, hogy ventilátorokkal, hűtőbordákkal és szabályozó áramkörökkel együtt kell használni őket, ami növeli a költségeket és a bonyolultságot. Ezen okok miatt a Peltier-modulokat gyakran csak a legigényesebb alkalmazásokban használják, amilyen például a hőenergia elvezetése a sűrű felépítésű elektronikai rendszerek magjából.

A hűtési igény kiszámítása

Bármilyenek legyenek is a végső tervvel szembeni követelmények, az elektronikai rendszerek hatékony hűtési megoldásának megtervezéséhez jól bevált módszerek állnak rendelkezésre. Annak szemléltetésére, hogy egy mérnök hogyan közelíthet egy beépített hűtési megoldás létrehozásához, íme egy feltételezett probléma és megoldás:

Ebben a példában egy 10 mm × 15 mm-es tokozást használunk, amely folyamatos üzemben 3,3 W hőt termel. Az eszköz működési környezetének hőmérséklete 50 °C, az ideális üzemi hőmérséklet 40 °C. A rendszer egyetlen részének hőmérséklete sem haladhatja meg a 100 °C-ot.

4. ábra: Peltier-modul teljesítménygrafikonja a CP2088-219 jelű eszköz adatlapjáról (kép: Same Sky)

Ezek az adatok azt jelentik, hogy egy Peltier-modulra van szükség ahhoz, hogy az eszköz hőmérsékletét a környezeti hőmérséklet alá csökkentsük. A Same Sky a CP2088-219 jelű mikro-Peltier-modult kínálja ehhez, amely 3,3 W hőenergiát képes elvezetni, és képes az eszköz hőmérsékletét 10 °C-kal a környezeti hőmérséklet alá csökkenteni. A Peltier-modul SF600G, egy hővezető anyag (TIM) segítségével van az eszközhöz csatlakoztatva, amely csökkenti az eszköz és a hűtőelem közötti hőimpedanciát. A CP2088-219 adatlapja (4. ábra) azt mutatja, hogy a Peltier-modul 2,5 V mellett 1,2 A-t igényel, ami azt jelenti, hogy működése 3 W hőenergiával növeli a rendszer hőjét.

A teljes 6,3 W hőenergiának a Peltier-modulból történő elvezetéséhez a modul másik oldalához egy hűtőbordát (HSS-B20-NP-12) csatlakoztatunk, szintén SF600G hővezető anyagot használva köztes felületként. A hővezető anyag területe 8,8 mm × 8,8 mm, hőellenállása pedig valamivel kevesebb mint 1,08 °C/W.

A hűtőborda hőellenállása 3,47 °C/W, 200 folyóláb/perc (LFM) (61 folyóméter/perc) légáramlást feltételezve.

Ezzel a hővezető anyag és a hűtőborda kombinációjának teljes hőellenállása 4,55 °C/W-ra emelkedik.

A 200 LFM egyenletes légáramlás biztosításához egy CFM-25B sorozatú ventilátor használható.

Az összeállítás a hűtendő eszközt a hővezető anyagon keresztül egy Peltier-modulhoz csatlakoztatja. A Peltier-modul felső felülete egy másik hővezető anyagon keresztül egy hűtőbordához kapcsolódik, és az egész egység 200 LFM 50 °C-os levegőn belül van.

5. ábra: Hűtési megoldás Peltier-eszközzel, hűtőbordával, két hővezetőanyag-réteggel és ventilátorral (kép: Same Sky)

Ezen adatok felhasználásával kiszámítható az eszköz állandósult hőmérséklete. A Peltier-modul 40 °C-on tartja a hűvös oldalát, 3,3 W hőt adva az egység által termelt hőhöz. A hűtőbordának 6,3 W hőt kell elvezetnie egy olyan környezetbe, ahol 50 °C-os levegő áramlik, és a Peltier-modul és a környezeti levegő közötti teljes hőellenállás 4,55 °C/W. A 6,3 W-ot összeszorozva a 4,55 °C/W-tal megkapjuk a környezeti hőmérséklet növekedését, ami ebben az esetben 28,67 °C, azaz a levegő teljes hőmérséklete 78,67 °C. Ez jóval a 100 °C-os követelmény alatt van, így a rendszer igényeinek megfelelő hűtési megoldás született.

Összegzés

Hűtésre már most is szükség van az olyan otthoni alkalmazásokban, mint a hűtőszekrények, a légkondicionálás, a 3D nyomtatás és a párátlanítók. Ezenkívül tudományos és ipari területeken is használják, például a DNS-szintézishez használt ciklikus hőváltoztatókban és a nagy pontosságú lézerekben. A hűtőbordák, ventilátorok és Peltier-modulok segíthetnek abban, hogy az összetett elektronikai rendszerek a hőtani tervezési határértékeken belül maradjanak. A Same Sky számos hűtéshez használható alkatrészt kínál, hogy leegyszerűsítse ezt a kritikus választási folyamatot.