En introduktion till värmehantering

Elektroniska system blir allt tätare och varmare, vilket innebär att många system kräver någon metod för att hantera värmen. Även om det inte är nödvändigt att utveckla en lösning för värmehantering för varje konstruktion, är en grundläggande förståelse för hur värme genereras, förflyttas och avlägsnas, nödvändigt för att undvika att viktiga komponenter skadas av förhöjda temperaturer. I slutänden måste värmehanteringen beaktas i de tidiga konstruktionsfaserna snarare än som en nödlösning i den slutgiltiga konstruktionen.

Grunderna inom värmehantering

Eftersom det ställs allt högre krav på elektroniska system finns det teoretiskt sett, tre sätt för överföring och därmed kylning av komponenter: överföring, konvektion och utstrålning.

Överföring är kanske den effektivaste metoden för energiöverföring och överför värmeenergi genom fysisk kontakt mellan två föremål där det kallare föremålet naturligt drar bort energi från det varmare föremålet. I allmänhet kräver denna metod den minsta ytan för att flytta den största mängden energi.

Figur 1: Överföring i praktiken. (Bildkälla: Same Sky)

Den andra, konvektion, omfördelar värmeenergi genom luftens rörelse. När svalare luft passerar ett varmare föremål, drar luften bort värme från föremålet och transporterar undan den när den fortsätter att röra sig genom enheten. Denna metod kan utföras genom naturlig konvektion av luften eller forcerad konvektion med hjälp av en fläkt.

Figur 2: Konvektion i praktiken. (Bildkälla: Same Sky)

Den tredje, utstrålning, innebär utstrålning av energi som en elektromagnetisk våg. Denna metod är jämförelsevis ganska ineffektiv och ignoreras i de flesta termiska beräkningar eftersom den i allmänhet endast gäller för tillämpningar i vakuum där konduktion och konvektion inte är möjliga alternativ. I princip är utstrålning en överföring av värme via elektromagnetiska vågor som skapas när varma partiklar vibrerar.

Figur 3: Utstrålning i praktiken. (Bildkälla: Same Sky)

Även om det inte är ett av de tre grundläggande termiska begrepp som beskrivs ovan, är det även viktigt att nämna termiskt motstånd eller impedans, som kvantifierar effektiviteten i värmeöverföringen mellan objekten och som används i stor utsträckning vid utformning av lösningar för värmehantering. Enkelt uttryckt, ju lägre termisk impedans, desto bättre energiöverföring. Med hjälp av termisk impedans och en given omgivningstemperatur är det möjligt att beräkna exakt hur mycket effekt som kan avledas innan vissa temperaturer uppnås.

Komponenter för värmehantering

Det finns tre populära metoder för att kyla elektroniska system: kylflänsar, fläktar och Peltier-moduler. Var och en av dem kan användas separat, men de kan bli ännu effektivare om de integreras tillsammans.

Kylflänsar finns i många olika former och storlekar. De används för att förbättra effektiviteten av konvektionskylning genom att minska den termiska impedansen mellan de enheter som de är monterade på och kylmediat, vanligtvis luft. De gör detta genom att öka konvektionsytan och är tillverkade av ett material som har en lägre termisk impedans än typiska halvledare. Kylflänsar är billiga och går nästan aldrig sönder eller slits ut, men tenderar att öka volymen på de elektroniska system som de kyler. Som passiva komponenter kombineras kylflänsar ofta med fläktar för att flytta den avledda värmeenergin bort från systemet på ett effektivare sätt. Fläktar skapar ett jämnt flöde av frisk sval luft över en kylfläns för att upprätthålla temperaturskillnaden mellan flänsen och den kylande luften så att överföringen av värmeenergi fortsätter att vara effektiv.

Fläktar finns i många olika former och storlekar med många olika effektalternativ. Den viktigaste specifikationen är det luftflöde som de kan generera, vanligtvis mätt i kubikfot per minut (CFM). Vissa fläktar har reglage så att deras hastighet kan justeras för att passa det aktuella kylbehovet, som en del i ett återkopplingsbaserat styrsystem. Fläktar gör det lättare att förbättra kylningen, men konstruktörer måste vara medvetna om att de kräver ström och ibland styrkretsar. Till skillnad från kylflänsar kan fläktar föra oväsen, och ha rörliga delar som gör dem mer benägna att gå sönder.

Peltier-enheter är halvledarkomponenter som använder Peltier-effekten för att överföra värme från den ena sidan av modulen till den andra. Peltier-enheter måste få energi för att kunna förflytta värmeenergi, vilket faktiskt tillför värme till systemet, så de används bäst tillsammans med kylflänsar och fläktar. Peltier-moduler kan dock åstadkomma en exakt temperaturreglering och kyla enheter under omgivningstemperaturen. Liksom kylflänsar har de inga rörliga delar, så de är flexibla och robusta i sig själva, men även här kan de behöva användas tillsammans med fläktar, kylflänsar och styrkretsar, vilket ökar kostnaden och komplexiteten. På grund av detta, är Peltier-moduler ofta reserverade för de mest krävande tillämpningarna, t.ex. för att utvinna värmeenergi från kärnan av tätt packade elektroniksystem.

Beräkning av värmebehov

Oavsett vilka krav som ställs på den slutgiltiga konstruktionen finns det väletablerade metoder för att utforma en effektiv kylningslösning för elektroniska system. För att illustrera hur en tekniker kan gå till väga för att skapa en integrerad lösning för värmehantering, följer här ett hypotetiskt problem och en lösning:

Exemplet använder en enhet i en 10 x 15 mm kapsling som genererar 3,3 W värme i sitt stabila läge. Omgivningstemperaturen i enhetens driftsmiljö är 50 °C, med en idealisk driftstemperatur på 40 °C. Ingen del av systemet får överstiga 100 °C.

Figur 4: Diagram över Peltier-modulers prestanda från databladet för CP2088-219 (bildkälla: Same Sky)

Specifikationerna innebär att det behövs en Peltier-modul för att sänka enhetens temperatur under omgivningstemperaturen. Same Sky erbjuder CP2088-219, en Peltier-modul i mikroformat som kan avlägsna 3,3 W värmeenergi och sänka en enhets temperatur till 10 °C under omgivningstemperaturen. Peltier-modulen fästs på enheten med hjälp av SF600G, ett termiskt gränssnittsmaterial (TIM) som minskar den termiska impedansen mellan enheten och kylaren. Databladet för CP2088-219 (figur 4) visar att Peltier-modulen kräver 1,2 A vid 2,5 V, vilket innebär att dess drift tillför 3 W värmeenergi till systemet.

För att avlägsna den totala värmeenergin på 6,3 W från Peltier-modulen fästs en kylfläns (HSS-B20-NP-12) på dess andra sida, även här med SF600G TIM som gränssnitt. Det termiska gränssnittsmaterialet har en yta på 8,8 x 8,8 mm och en termisk resistans på knappt 1,08 °C/W.

Kylflänsen har ett termiskt motstånd på 3,47 °C/W, om man antar att luftflödet över den är 200 linjära fot per minut (LFM).

Detta innebär att den totala termiska resistansen för det kombinerade termiska gränssnittsmaterialet och kylflänsen blir 4,55 °C/W.

För att tillhandahålla ett konstant luftflöde på 200 LFM kan en fläkt ur serienCFM-25B användas.

Konfigurationen ansluter den enhet som ska kylas till en Peltier-modul via ett termiskt gränssnittsmaterial. Peltier-modulens övre yta är ansluten till en kylfläns via ett annat termiskt gränssnittsmaterial, och hela enheten befinner sig inom 200 LFM av 50 °C luft.

Figur 5: Lösning för värmehantering med en Peltier-enhet, kylfläns, två skikt med termiskt gränssnittsmaterial och en fläkt (Bildkälla: Same Sky)

Med hjälp av denna information kan enhetens temperatur i stabilt läge beräknas. Peltier-modulen kommer att hålla sin kalla sida vid 40 °C - till priset av 3,3 W värme för helheten. Kylflänsen måste avleda 6,3 W värme i en luftström på 50 °C, med ett totalt värmemotstånd mellan Peltier-modulen och den omgivande luften på 4,55 °C/W. Genom att multiplicera 6,3 W med 4,55 °C/W får man fram temperaturökningen jämfört med den omgivande temperaturen, som i det här fallet är 28,67 °C eller 78,67 °C totalt. Detta är långt under kravet på 100 °C, vilket resulterar i en lösning för värmehantering som uppfyller systemets behov.

Sammanfattning

Värmehantering är redan nödvändig i konsumenttillämpningar som kylning, luftbehandling, 3D-utskrifter och avfuktare. Det används även i vetenskapliga och industriella tillämpningar, t.ex. i termiska cykler för DNA-syntes och lasrar med hög precision. Kylflänsar, fläktar och Peltier-moduler gör det lättare att säkerställa att komplicerade elektroniska system håller sig inom sina termiska konstruktionsgränser. Same Sky erbjuder en rad komponenter för värmehantering för att förenkla denna kritiska urvalsprocess.