Одной из проблем при проектировании электронных устройств является управление тепловым режимом для улучшения производительности, срока службы и стоимости продукта. Чтобы справиться с отводом тепла, используют различные системы охлаждения.
Эти системы можно разделить на две основные категории: системы с активным и пассивным охлаждением. Пассивная система может быть простой, дешевой (вентиляторы не требуются), надежной (компоненты не изнашиваются) и относительно простой для анализа и расчёта (размеры постоянные). Тем не менее надо помнить о создании подходящей среды для стабильной и бесперебойной теплопередачи. Например вентиляционные отверстия и радиаторы не должны перекрываться и оставаться незагрязненными.
Пассивное охлаждение использует следующие физические явления:
- Излучение электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Примером может служить электрическая лампочка излучающая тепло. В большинстве электронных схем излучение рассеивает небольшую часть выделяемого тепла.
- Теплопроводность, когда тепло протекает через твердый материал, обычно с высокой теплопроводностью, такой как медь или алюминий.
- Конвекция, когда тепло уносится воздухом или жидкостью, такой как вода или фреон. Поскольку теплый воздух движется вверх, для этого метода обычно требуется вентиляция в верхней или боковой части корпуса.
Прежде чем выбрать правильное решение, надо определить есть ли проблема с нагревом отдельного компонента или всей системы. В случае с точечными источниками тепло нужно только отводить из локальной зоны и распределять по большей площади. В том случае, если вся система нагревается, тепло нужно каким-то образом передать в другое место. В большинстве конструкций используется комбинация кондуктивного и конвекционного охлаждения.
Проводимость используется для отвода тепла от локального источника, такого как микросхема или транзистор, в то время как конвекция – для рассеивания тепла, которое было перенесено от источника к радиатору. В большинстве случаев для отвода избыточного тепла используются радиаторы изготовленные из хорошего теплопровода. Медь и алюминий являются одними из наиболее широко используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (400 Вт / (м · К) при 300 К) намного дороже алюминия (237 Вт / (м · К) при 300 К), но также вдвое эффективнее. Большим преимуществом алюминия является то, что его можно легко прессовать, что позволяет создавать сложные поперечные сечения. Алюминий также намного легче меди, что снижает механическую нагрузку на хрупкие электронные компоненты.
Для обеспечения наилучшего теплового контакта с объектом нуждающимся в охлаждении, контактная поверхность радиатора должна быть плоской и гладкой. Чтобы свести к минимуму проблему поверхностных дефектов, для улучшения теплового контакта используются прокладки или теплопроводящие пасты. В основном это силиконовые пленки, силикон GAP или наполнители без силикона, при необходимости армированные стекловолокном.
Охлаждающая способность
Эффективность радиатора зависит от материала, геометрии и коэффициента теплопередачи. Как правило, принудительный тепловой КПД конвекционного радиатора улучшается за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно за счет добавления удлиненных поверхностей, таких как ребра) и за счет увеличения общего коэффициента теплопередачи. В случае сильного точечного источника тепла может потребоваться использование тепловых трубок для охлаждения за счет испарения и конденсации двухфазной рабочей жидкости. Они позволяют передавать большое количество энергии, сохраняя при этом очень небольшую разницу температур между горячими и холодными местами.
Обычно они состоят из герметичной трубки из металла, например меди или алюминия, подключение испарителя и конденсатора. Трубка содержит как насыщенную жидкость, так и пары рабочей жидкости (например, воду, метанол или аммиак). Медные метанольные трубки используются если система должна работать при температуре ниже точки замерзания воды. Их главное преимущество – отличная эффективность при передаче энергии. Теплопроводность может достигать 100 000 Вт / мК, что недостижимо обычным металлом.
Расчеты радиатора
Чтобы определить тип и габариты системы охлаждения, необходимо произвести хотя бы базовые расчеты. Обычно это двухэтапный процесс.
Во-первых, необходимо диагностировать источники тепла, такие как микросхемы, транзисторы, диоды или резисторы. Следующим шагом является моделирование отвода тепла с помощью теплопроводящих элементов (печатной платы, металлических частей корпуса и радиатора), а также конвекции и излучения. Анализ, основанный на этих моделях покажет, достаточно ли спроектированной системы для поддержания температуры источника и системы ниже максимально допустимой. Для первоначального анализа можете, среди прочего, использовать калькуляторы.
Для более сложной геометрии рекомендуется проводить моделирование с использованием программного обеспечения для анализа динамики жидкости (CFD). Они помогут оценить тепловое сопротивление компонентов и эффективность конвекционного радиатора. Не забывайте принимать во внимание даже самые маленькие препятствия для теплового потока, такие как тепловое сопротивление полупроводникового перехода к корпусу, а затем и к радиатору.
Правильно выполненная пассивная система охлаждения обеспечивает стабильную работу устройства, повышая надежность и снижая затраты на обслуживание.
Оценка размеров радиатора для обеспечения достаточного охлаждения устройства может оказаться сложной задачей, особенно если нет большого опыта в этом вопросе. Несмотря на то, что в Интернете доступны инструменты, позволяющие выполнять этот тип вычислений, стоит изучить, по крайней мере в образовательных целях, основные правила и зависимости.
Оценка размеров радиатора основана на нескольких уравнениях и физических принципах, связанных с термодинамикой и механизмами распространения и обмена тепловой энергией в окружающей среде.
Конечным результатом выполненных расчетов должны быть значения, соответствующие индивидуальным размерам радиатора. Здесь предполагается, что расчеты выполнены для ребристого радиатора, такого как на рисунке. Такие элементы обычно встречаются в пассивных системах охлаждения электронных компонентов. Показаны 6 различных размеров, необходимых для полного описания радиатора. Для упрощения дальнейших расчетов можно сделать следующие предположения:
- Размеры b и t намного меньше, чем L, W и H, так что площадь поверхности перпендикулярная направлению воздушного потока g, мала по сравнению со всей поверхностью радиатора.
- Теплопроводность материала радиатора настолько велика, что распределение температуры по всей поверхности этого элемента однородное и примерно равно температуре источника тепла.
- Источник тепла имеет те же размеры что и основание радиатора, поэтому он определяет значения параметров L и H.
- Соединение между источником тепла и радиатором идеально, то есть обеспечивает передачу тепловой энергии без потерь.
Эти предположения приведут к тому, что окончательный результат расчетов будет содержать некоторую ошибку. Но его значение в большинстве случаев должно быть достаточно незначительным, чтобы можно было использовать полученные результаты на практике.
Дальнейший анализ также предполагает что основание радиатора ориентировано вертикально, и что охлаждение осуществляется за счет процесса естественной конвекции и излучения, без принудительной циркуляции воздуха в системе и незначительного эффекта кондуктивного отвода тепла от компонента.
Расчет эффекта конвекции
Значения L и H определяются размерами источника тепла. Следовательно, значение W, то есть ширина радиатора, расстояние между ребрами и количество ребер, еще предстоит вычислить.
На рисунке показаны области, для которых скорость теплообмена при конвекции и процессы будут рассчитаны. Мощность, рассеиваемая конвекцией из области QC1, может быть описана уравнением:
где: Ts – температура источника тепла, Tamb – температура окружающей среды, h1 – коэффициент теплоотдачи для площади A1. Площадь A1 можно рассчитать, зная различные размеры:
Коэффициент теплопередачи составляет:
Этот шаблон верен для процесса естественной конвекции с вертикально ориентированной поверхностью. Следующим шагом является расчет мощности, рассеиваемой конвекцией в области A2, то есть области покрывающей все ребра. Для расчета площади поверхности A2 можно использовать следующее уравнение:
Оптимальное значение расстояния между ребрами, позволяющее достичь максимальной скорости передачи тепловой энергии в случае естественной конвекции, составляет:
где: g – ускорение свободного падения, в – коэффициент теплового расширения, приблизительно.
а – коэффициент выравнивания температуры воздуха (температуропроводность) для температуры Tср, v – кинетическая вязкость воздуха для температуры Tср. Для площади ребер коэффициент теплопередачи составляет:
где k – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Tср. Тепло, рассеиваемое в области A2, можно описать как:
Как и в случае площади А1, единое значение коэффициента теплоотдачи для всей площади допустимо из-за небольших различий в значениях этого коэффициента для поверхностей с разной ориентацией, а также небольшой доли этих областей в общем процессе теплопередачи, возникающие из-за их малой площади поверхности.
Расчет влияния излучения
Влияние излучения на общее тепловыделение радиатора может быть весьма значительным, особенно в случае пассивного охлаждения. Поэтому данный эффект следует тоже включить в анализ общей эффективности радиатора. Как и в случае передачи тепла конвекцией, радиатор можно разделить на две части – основание и ребра. Мощность тепла, рассеиваемого излучением из зоны основания, составляет:
где Е – так называемая излучательная способность поверхности радиатора, а о – постоянная Больцмана со значением 5,67 · 10 –8 Вт / м2 · K4.
Мощность теплового излучения из области ребер радиатора определяется так:
Точный расчет уровня тепловой мощности излучаемой области A2 довольно сложен, но, тем не менее, хорошим приближением является использование кажущейся площади поверхности излучения, состоящей из внешних границ области A2:
Расчет размеров радиатора
Последним шагом в процессе анализа является расчет количества ребер N, необходимого для отвода тепла, производимого источником при температуре Ts.
Зная количество ребер, можно рассчитать ширину радиатора:
Представленные здесь расчеты позволяют в упрощенном виде определить размеры радиатора, необходимые для эффективного отвода тепла от устройства с определенной температурой, работающего при известной температуре окружающей среды. Также эти уравнения позволяют осознавать влияние отдельных параметров радиатора и его окружения на конечную эффективность системы охлаждения. Более точный анализ тепловых свойств требует уже использования передовых инструментов моделирования и специализированного программного обеспечения, но для любительских целей этого вполне достаточно.