Эффективное охлаждение электронных устройств требует выбора подходящего решения. Давайте рассмотрим доступные варианты и укажем на их сильные и слабые стороны. Начнём с вычислительной электроники. С развитием технологий компьютеры вынуждены обрабатывать все больше данных. Перед ними стоят сложные задачи, и производители стремятся миниатюризировать электронное оборудование, желательно до карманных размеров. Компьютеры, которые когда-то занимали целые комнаты, были предназначены только для выполнения простых вычислений. Современные компьютеры умещаются на ладони, и их возможности кажутся практически безграничными. Но явление выделения тепла электронной системой остается неизменным.

Поскольку используется все больше и больше вычислительной мощности, количество выделяемого тепла пропорционально увеличивается. А избыточное тепло — один из злейших врагов электронных схем. Это вызывает гораздо более быстрый износ радиокомпонентов, таких как транзисторы, резисторы или микросхемы. Стоимость ремонта такого устройства часто может превышать разумные пределы.

В настоящее время электроника задает темп жизнедеятельности, обеспечивает безопасность и способствует дальнейшему развитию технологий. Чтобы она работала безотказно и с максимальной эффективностью, приоритетом является обеспечение адекватного охлаждения и защиты от перегрева.

Есть несколько наиболее распространенных систем охлаждения и отвода тепла, используемых в электронных схемах. Они отличаются друг от друга, прежде всего, размерами, что является одним из основных критериев выбора системы для конкретного применения, а также охлаждающей средой и эффективностью отвода тепла. Поэтому, чтобы принять правильное решение, какая из них приносит больше пользы, следует ознакомиться с характеристиками и наиболее важными преимуществами каждой из них.

Вентиляторы

Вентилятор (кулер) – это основное охлаждающее устройство. Первое и наиболее распространенное применение вентиляторов в электронных устройствах — рассеивание тепла. Подобные элементы можно встретить как в настольных компьютерах, так и в ноутбуках. О наличии вентилятора чаще всего узнаем, когда запускаем требовательную программу или игру. Затем компьютер использует свои максимальные возможности, что генерирует большее количество тепловой энергии. Вентилятор автоматически запускается и отводит тепло из устройства, позволяя процессу продолжаться бесперебойно и защищая электронные микросхемы, чувствительные к высоким температурам.

Вентиляторы – это устройства, оснащенные двигателем, приводящим в движение лопасти ротора. Конвекционные движения воздуха, вызванные вращающейся крыльчаткой, приводят к рассеиванию и выдуванию тепла, выделяемого в электронном устройстве. Тепловая энергия излучается через сетки, расположенные в корпусе компьютера. Движение вентилятора инициируется датчиком температуры. При превышении определенного значения крыльчатка начинает вращаться и устройство охлаждается. Массы воздуха, перекачиваемого вентилятором, исчисляются в кубических метрах в час.

Важным преимуществом вентиляторов является то, что они выполняют еще и роль «пылесоса» внутри компьютерного блока. И чтобы они работали исправно, с лопастей следует регулярно удалять пыль.

Также стоит отметить, что вентиляторы, предлагаемые в настоящее время ведущими производителями, проходят строгие испытания на уровень создаваемого шума. Поэтому можно не опасаться, что их работа будет обременительна для пользователя, использующего компьютер. Правда шум будет увеличиваться пропорционально габаритам вентилятора и количеству воздуха, которое устройству придется перекачивать.

Использование активного охлаждения сопряжено с риском повреждения любого компонента вентилятора. Это может быть система привода или сам ротор. Но такого риска не возникает в случае пассивного охлаждения, о котором речь пойдет далее.

Радиаторы

Еще одним часто используемым элементом системы охлаждения является радиатор. Выполненный в виде ребристого металлического элемента, он чаще всего используется в сочетании с вентиляторами, что повышает эффективность отвода тепла. Алюминий — материал, обычно используемый производителями для изготовления радиаторов.

Здесь возникает вопрос – как такое устройство может повлиять на сбор тепла от нагрева электронных компонентов? Согласно принципам теплопередачи, чем больше поверхность, поглощающая тепловое излучение, тем выше эффективность охлаждения. В радиаторе ребра соответствующей формы отвечают за максимальное увеличение поверхности теплообмена. Поэтому неудивительно, что чем больше радиатор, тем интенсивнее будет охлаждение. Так что самым большим ограничением являются размеры устройства, на котором будет работать элемент.

Еще одним очень важным аспектом является расстояние радиатора от нагреваемого элемента. Чем оно меньше, тем эффективнее отвод тепла. Для максимальной передачи температуры на стыке обеих поверхностей используются теплопроводящие ленты. В приборе с вентилятором радиатор принимает на себя массы горячего воздуха, проходящего через лопасти ротора, а затем рассеивает полученное тепло в окружающую среду.

Модули Пельтье

Модуль Пельтье – очень интересное решение для охлаждения электроники. Структура устройства состоит из параллельных керамических пластин, между которыми чередуются полупроводники ni-типа и p-типа. Прямой контакт между ними обеспечивается за счет использования медных пластин как средства транспорта электронов. Протекающий электрический ток вызывает изменение температуры на стыке разнородных полупроводников. Безотказная работа, относительно небольшая и компактная конструкция, отсутствие необходимости использования хладагента – основные преимущества данной системы охлаждения.

Важным аспектом является также возможность расширения и повышения эффективности ячейки Пельтье с помощью дополнительных модулей. Тут «теплая» сторона первого модуля соединяется с «холодной» стороной следующего. Таким образом, способность получать тепло зависит от наличия места и величины электрического тока.

Элементы используются в сложных условиях окружающей среды, таких как высокая запыленность. Примеры использования модулей Пельтье в быту включают портативные автомобильные холодильники или гораздо более совершенные системы устройств, требующих точного контроля температуры – например, мощные генераторы.

Тепловые трубки

Тепловая трубка — это простое устройство, задачей которого является транспортировка тепла посредством конвекции. Хотя эта технология была известна уже в 1940-х годах, в промышленности она была использована лишь в начале 2000-х. В настоящее время тепловые трубки применяют во многих областях: от охлаждения и отопления до современных компьютеров и до космической промышленности.

Тепловая труба разделена на три зоны:

1. зона испарения (испаритель)
2. переходная зона – перенос тепла без обмена с окружающей средой (адиабатическая)
3. зона конденсации (конденсатор).

Тепло поглощается испарителем, где испаряется жидкий хладагент. Давление в пространстве испарителя выше давления в пространстве конденсатора. Возникающая в результате разница давлений заставляет пары хладагента перемещаться в секцию конденсации, где они конденсируются и отдают тепло верхнему источнику.

Жидкостное охлаждение

Современные мощные электронные схемы требуют высокой эффективности охлаждения. Стоит знать, что теплоемкость воздуха, то есть количество энергии, которую может хранить воздух, равна примерно 1, а вода имеет емкость около 4000. Нетрудно догадаться, что требовательные электронные установки используют системы жидкостного охлаждения. Так называемые водоблоки состоят из обтекания радиатора водой или другой охлаждающей жидкостью в плотно закрытом корпусе. За движение жидкости отвечает насос.

Системы жидкостного охлаждения требуют высокой точности изготовления. Известно, что контакт с водой не будет полезен для систем, работающих на электричестве. Даже если система заполнена непроводящим веществом и контакт с ним не разрушит устройство, потеря хладагента остановит процесс охлаждения. Такие решения можно найти, например, в компьютерах, предназначенных для выполнения сложных вычислений или моделирования для исследовательской и машиностроительной промышленности.

Феррожидкости

С недавнего времени есть методика с использованием феррожидкостей (суспензия очень мелких кусочков железа в масле). Идея такова: магнитная восприимчивость феррожидкостей зависит от температуры, уменьшаясь с повышением температуры; если поместим магнит рядом с закрытым сосудом, наполненным такой жидкостью, и нагреем сосуд рядом с магнитом, то он сильнее притянет более холодную жидкость, заставив жидкость течь – нагретая жидкость улетучится из магнита, а на ее место потечет более холодная – что-то вроде конвекции, но гораздо быстрее. Разумеется, сосуд должен иметь радиатор, чтобы в конечном итоге избавиться от тепла – феррожидкость лишь увеличивает скорость теплового потока между охлаждаемой электроникой и радиатором, а высокая эффективность теплопередачи через нее позволяет разместить радиатор дальше от электроники, где она обычно слишком тесна для ее установки.

Как известно, с охлаждением в вакууме большие проблемы — уже в воздухе в состоянии невесомости нет конвективного теплового потока, что резко снижает эффективность охлаждения радиаторов, но для форсирования потока можно использовать вентилятор. А в вакууме вентилятор ничего не сделает, можно использовать только радиатор с очень большой поверхностью, по которой должно распределяться тепло от электроники. Тепловые трубки выйдут из строя в состоянии невесомости (если нет насоса, нагнетающего поток), а феррожидкости — нет, потому что гравитация заменена притяжением магнита.

Роль охлаждения в схемах

В общем избыточное тепло в устройствах сокращает их срок службы, ограничивает их возможности и зачастую приводит к неизбежному повреждению радиосхем. Правильный подбор охлаждающих элементов позволяет избежать всех этих последствий. Это большая задача для проектировщиков, ведь необходимо учитывать множество факторов – важны технические параметры оборудования и габариты. Также необходимо будет выполнить соответствующие расчеты. Но несмотря на лучшие системы отвода тепла, мы, как пользователи, по-прежнему оказываем большое влияние на срок службы устройств, предоставляя достаточное пространство для циркуляции воздуха и используя приборы только по назначению.