Konsten att kyla elektronik: Fläktar, kylflänsar, Peltierceller och andra lösningar

Skriv ut
•


Effektiv kylning av elektroniska enheter kräver att rätt lösning väljs men också matchning när det gäller prestanda och tekniska parametrar. Tillverkarna erbjuder lösningar som är skräddarsydda för specifika behov och mycket stränga krav.

I den här artikeln kommer vi att presentera de lösningar som finns på marknaden och visa deras starkaste sidor.

Avancerade elektroniska system och deras utmaningar

I takt med att tekniken utvecklas tvingas datorer bearbeta allt mer data. De ställs inför komplexa uppgifter och tillverkarna strävar efter att förminska den elektroniska utrustningen, helst till fickformatet. Datorer som en gång i tiden tog upp hela rum kunde bara utföra enkla beräkningar. Dagens datorer ryms i handflatan och deras kapacitet verkar vara nästan obegränsad. Det som dock förblir detsamma är värmeutvecklingen i de elektroniska kretsarna. När mer och mer datorkraft används blir mängden värme som avges proportionellt större. Det är ingen nyhet att överskottsvärme är en av de största fienderna för elektroniska system. Den gör att elektroniska komponenter som transistorer, resistorer eller reläer förslits mycket snabbare. I vissa fall kan höga temperaturer till och med leda till irreversibla skador på styrsystemet. Kostnaden för att reparera en sådan enhet kan ofta överstiga tröskelvärdet för kostnadseffektiviteten. Om man jämför datorer från några decennier tillbaka med dagens datorer, så har 1900-talets enheter med omfattande kylsystem arbetat under betydligt gynnsammare förhållanden än dagens datorer.

I dag är det de elektroniska systemen som styr människans funktion, garanterar säkerheten och gör det möjligt för tekniken att utvecklas vidare. För att de ska fungera felfritt och med maximal prestanda är det viktigt att säkerställa tillräcklig kylning och skydd mot överhettning. De krav som ställs på mobila enheter eller avancerade industrisystem innebär att tillverkarna anstränger sig för att hitta det bästa sättet att hålla de mest kritiska komponenterna vid en säker temperatur.

Skräddarsydda kylsystem

Det finns flera av de vanligaste kyl- och värmeavledningssystemen som används i elektroniska system. De skiljer sig främst åt i storlek, vilket är ett av de viktigaste kriterierna för att välja ett kylsystem för en viss tillämpning, men också i köldmedium eller värmeavledningseffektivitet. För att kunna fatta rätt beslut om vilket som är mest fördelaktigt är det därför nödvändigt att bekanta sig med egenskaperna och de viktigaste fördelarna hos vart och ett av dem.Vid val av kylsystem hittar vi oftast följande produkter:

Fläkten är den grundläggande kylanordningen som finns i alla hushåll och industrianläggningar. Det första och vanligaste användningsområdet för fläktar i elektroniska enheter är att avleda värme. Vi hittar sådana komponenter i både stationära datorer och bärbara datorer. Vi blir oftast medvetna om att det finns en fläkt när vi kör ett krävande program eller spel. Vid den här tidpunkten arbetar datorn med maximal kapacitet, vilket samtidigt genererar mer värmeenergi. När detta händer tar fläkten automatiskt bort värmen från enhetens insida så att processen kan fortsätta utan avbrott och den värmekänsliga elektroniken skyddas.
 

Fläktar är enheter som är utrustade med en motor som driver fläktbladen. Konvektiva luftrörelser som tvingas fram av det roterande fläkthjulet sprider och blåser bort den värme som alstras i den elektroniska enheten. Värmeenergin släpps ut genom galler som sitter i datorhöljet. Fläktens rörelse initieras av en temperatursensor. När ett visst värde överskrids börjar fläkthjulet rotera och enheten kyls ner. Den luftmängd som fläkten pressar beräknas i kubikmeter per timme  . 

En viktig fördel med fläktarna är att de också fungerar som en "dammsugare" inuti datorn. För att de ska fungera korrekt måste damm avlägsnas från bladen med jämna mellanrum.Det är också värt att notera att de fläktar som för närvarande erbjuds av ledande tillverkare genomgår rigorösa bullertester. Det finns därför ingen anledning att oroa sig för att deras drift kommer att vara störande för datoranvändaren. Istället kommer bullret att öka proportionellt ii förhållande till fläktens storlek och den mängd luft som enheten måste pressa.Användningen av aktiv kylning innebär också en risk för att någon av fläktens komponenter skadas. Det kan vara drivlinan eller själva den drivna rotorn. Däremot finns det ingen sådan risk med passiv kylning, vilket kommer att diskuteras senare i texten.

En annan vanligt förekommande komponent i kylsystemet är kylflänsen. Den har formen av ett metallelement med lameller och används oftast tillsammans med de fläktar som beskrivs ovan för att öka värmeavledningseffektiviteten. Det material som tillverkarna vanligen använder för kylflänsar är aluminium.

Här uppstår frågan - hur kan en sådan enhet påverka avlägsnandet av värme från elektroniska komponenter som går varma? Enligt principerna för värmeutbyte gäller att ju större yta som absorberar värmestrålning, desto större blir kylkapaciteten. I en kylfläns är det lämpligt formade lameller maximerar värmeöverföringsytan. Det är därför inte förvånande att ju större kylfläns, desto mer intensiv kylning. Den största begränsningen är därför dimensionerna på den enhet som komponenten i fråga ska fungera i. En annan mycket viktig aspekt utgörs av kylflänsens avstånd från den uppvärmda komponenten. Ju mindre avstånd, desto effektivare värmeavledning. För att maximera värmeöverföringen används värmeledande tejp i kontaktytan mellan båda ytorna. 

I en installation försedd med fläkt absorberar kylflänsen de mängder varmluft som pressas genom fläktbladen och sprider sedan värmen till omgivningen.

En mycket intressant lösning för kylning av elektroniska kretsar utgörs av Peltiermoduler Enhetens konstruktion består av parallellt placerade keramiska plattor mellan vilka halvledare av omväxlande n-typ och p-typ placeras. Direkt kontakt mellan dem säkerställs genom att kopparplattor används som transportmedel för elektronerna. Den flödande elektriska strömmen tvingar fram temperaturförändringar vid övergången mellan de olikartade halvledarna. Felfrihet, en relativt liten och kompakt design eller avsaknad av köldmedium är de största fördelarna med detta kylsystem. En viktig aspekt är också möjligheten att bygga ut och höja Peltiercellens kapacitet med ytterligare moduler. Den "varma" sidan av den första modulen ansluts sedan till den "kalla" sidan av nästa modul. Möjligheten att ta emot värme beror alltså på hur mycket utrymme som finns tillgängligt och hur stark den elektriska strömmen är.
 

Cellerna används i krävande miljöförhållanden som t.ex. hög dammhalt. Exempel på användning av Peltiermoduler i vardagslivet är bärbara bilkylskåp eller mycket mer avancerade system för enheter som kräver exakt temperaturkontroll - till exempel högeffektsgeneratorer.

Effektiv värmeavledning i avancerad högeffektselektronik kräver en hög kylkapacitet. Då är det värt att veta att luftens värmekapacitet, dvs. den mängd energi som luften kan lagra, uppgår till ca 1 medan vatten har en kapacitet på 4000. Det är inte svårt att gissa att krävande elektroniska installationer använder sig av vätskekylningssystem. Så kallade vattenblock är konstruerade enligt principen att en kylfläns omsluts av vatten eller annan kylvätska i ett tätt tillslutet hölje. Ett pumpsystem ansvarar för vätskans rörelse. Vätskebaserade kylsystem kräver en hög precision i utförandet. Det är nämligen välkänt att kontakt med vatten inte är bra för eldrivna system. Även om systemet är fyllt med ett elektriskt icke-ledande ämne och kontakten i sig inte förstör enheten, kommer kylprocessen att avbrytas om mediet försvinner. Sådana lösningar finns t.ex. i datorer som är utformade för att utföra komplexa beräkningar eller simulationer för forsknings- och verkstadsindustrin.

Värmerör är en enkel anordning som är konstruerad för att transportera värme genom konvektion.
Även om tekniken var känd redan på 1940-talet kom den inte att användas industriellt förrän cirka 20 år senare. Idag används värmerör inom en rad olika områden, från kylning och uppvärmning till moderna datorer och rymdindustrin.Värmeröret är uppdelat i tre zoner:

Värmen absorberas i förångaren, där det flytande köldmediet förångas. Trycket i förångarutrymmet är högre än trycket i kondensorutrymmet. Den framkallade tryckdifferensen tvingar köldmediets ånga att röra sig till kondensordelen, där den kondenserar och avger värme till den övre källan.Värmerör är en teknik som används i rymdfarkoster och inom kemi- och energiindustrin.

Kylningens roll för elektronikens funktion

Värmeöverskottet i utrustningen förkortar dess livslängd, begränsar dess prestanda och leder ofta till skador i de elektroniska systemen. Med rätt val av kylkomponenter kan alla dessa negativa effekter undvikas. Detta är en stor utmaning för konstruktörerna, eftersom många faktorer måste tas med i beaktande - utrustningens tekniska parametrar och dimensioner är viktiga. Vissa beräkningar måste också utföras. Det är dock värt att komma ihåg att det trots de bästa värmeavledningssystemen fortfarande är vi som användare som har ett enormt inflytande på utrustningens livslängd genom att säkerställa ett tillräckligt utrymme för luftcirkulation och endast använda utrustningen på ett ändamålsenligt sätt.

Texten är framtagen av Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

https://www.tme.eu/se/news/library-articles/page/53507/olika-satt-att-kyla-elektroniska-enheter/