66 7. Nestejäähdytys Nesteiden lämmönjohtavuus on yleensä huomattavasti suurempi kuin kaasuilla, joten myös niiden lämmönsiirtokertoimet sekä lämmönsiirtotehokkuus ovat kaasujen vastaavia arvoja suurempia. Nestejäähdytykseen liittyy kuitenkin omat ongelmansa ja riskinsä, kuten vuodot, korroosio, laitteiston suuri paino ja jäähdytysnesteen kondensoituminen. Sen vuoksi nestejäähdytystä käytetään vain suuritehoisissa laitteissa, joissa ilmajäähdytys ei enää riitä. Nestejäähdytys voidaan jakaa suoraan ja epäsuoraan nestejäähdytykseen. Suorassa nestejäähdytyksessä jäähdytettävät komponentit ovat suorassa kosketuksessa jäähdytysnesteen kanssa. Epäsuorassa nestejäähdytyksessä jäähdytettävät komponentit eivät ole suorassa kosketuksessa jäähdytysnesteen kanssa, vaan niiden välissä on erillinen lämmönsiirtopinta, jonka läpi lämpö siirtyy johtumalla. Nestejäähdytys jaetaan myös avoimen ja suljetun kierron järjestelmiin. Avoimen kierron nestejäähdytyksessä jäähdytysneste poistetaan järjestelmästä viemäriin tms. Suljetussa kierrossa lämmennyt jäähdytysneste jäähdytetään lämmönsiirtimessä ja kierrätetään takaisin systeemiin. Suljettu kierto on lämpötilansäädön kannalta avointa kiertoa tarkempi. Suorassa nestejäähdytyksessä elektroniikkakomponentit on yleensä upotettu jäähdytysnesteeseen. Lämmönsiirto komponentista jäähdytysnesteeseen tapahtuu luonnollisella tai pakotetulla konvektiolla, joskus jopa kiehumislämmönsiirtona riippuen tietysti jäähdytettävien komponenttien lämpötilasta ja jäähdytysnesteen ominaisuuksista. Elektroniikkalaitteiden jäähdyttäminen upottamalla ne kokonaisuudessaan jäähdytysnesteeseen aiheuttaa yleensä jäähdytysnesteen kiehumisen ja siten lämmönsiirtokertoimet ovat hyvin korkeita. Upotusjäähdytystä käsitellään tarkemmin tämän kirjan loppupuolella. On kuitenkin muistettava, että upotusjäähdytyksessä ja suorassa nestejäähdytyksessä voidaan käyttää ainoastaan dielektrisiä nesteitä. Tämä poistaa veden potentiaalisten upotusjäähdytyksessä käytettävien nesteiden listalta. Fluorokarbidinesteet, kuten FC75 puolestaan soveltuvat ominaisuuksiltaan hyvin suoraan nestejäähdytykseen ja ne ovatkin kaikkein yleisimmin käytettyjä elektroniikkalaitteiden jäähdytysnesteitä. Elektroniikkalaitteiden epäsuora nestejäähdytys toimii aivan samalla tavalla kuin esim. auton moottorin jäähdytysjärjestelmä, missä veden ja glykolin muodostama jäähdytysneste sitoo itseensä lämpöä virratessaan moottorin sylintereiden jäähdytyskanavissa. Vesipumppu kierrättää lämmenneen jäähdytysnesteen lämmönsiirtimenä toimivaan jäähdyttimeen, jonka kennostoissa jäähdytysnesteen lämpö siirretään pakotetulla konvektiolla ilmaan. Tämän jälkeen jäähtynyt neste kierrätetään takaisin moottoriin. Elektroniikkalaitteissa lämpö syntyy komponenteissa, jotka on kiinnitetty hyvin lämpöä johtaviin metallilevyihin (kupari, alumiini). Nämä metallilevyt jäähdytetään kierrättämällä jäähdytysneste niihin kiinnitettyihin putkiin tai jäähdytyslevyissä valmiina oleviin jäähdytyskanaviin. Lämmennyt jäähdytysneste jäähdytetään yleensä ilmajäähdytteisessä lämmönsiirtimessä, josta jäähtynyt neste kierrätetään pumpun avulla takaisin systeemiin. Jäähdytysjärjestelmään on vielä lisätty paisuntasäiliö, jonka avulla jäähdytysnesteen lämpötilanvaihteluista johtuvat paisunta ja kokoonpuristuminen saadaan hallittua. Paisuntasäiliö toimii myös nestevarastona. Tarvittaessa jäähdytysaineena voidaan käyttää kylmäainetta, jolloin jäähdytyslevyn lämpötila voidaan pitää 0 C:een alapuolella ja siten rajoittaa komponentin liitoksen lämpötilaa entisestään. Elektroniikkakomponenttien jäähdytyksessä käytettäviltä nesteiltä vaaditaan korkeata lämmönjohtavuutta, suurta ominaislämpökapasiteettia, pientä viskositeettia, korkeata
67 pintajännitystä, korkeata läpilyöntilujuutta, kemiallista inaktiivisuutta, kemiallista stabiiliutta, myrkyttömyyttä, matalaa jäätymispistettä, korkeata kiehumispistettä ja halpaa hintaa. Näiden ominaisuuksien painotus eri sovelluksissa vaihtelee kuitenkin varsin laajalla skaalalla. Nestejäähdytystä voidaan käyttää komponenttiryhmien, jossa useita suuren häviötehon omaavia komponentteja on asennettu samalle jäähdytyslevylle, jäähdytykseen. Siten yksittäisen komponentin kotelon ja jäähdytysnesteen välinen lämpöresistanssi saadaan minimoitua, koska komponentit on sijoitettu suoraan jäähdytyskanavan päälle. Kotelon ja jäähdytysnesteen välinen lämpöresistanssi riippuu komponenttien etäisyydestä toisiinsa nähden, komponenttien ja jäähdytyslevyn välisen liitoksen termisistä ominaisuuksista, jäähdytyslevyn paksuudesta ja jäähdytysnesteen tilavuusvirrasta. Tyypillinen nestejäähdytystä kuvaava lämpöresistanssiverkko on esitettynä kuvassa 7.1. Liitos Kotelo Neste R liitos-kotelo R kotelo-neste Ympäristö R neste-ympäristö Kuva 7.1. Nestejäähdytteisen elektroniikkakomponentin lämpöresistanssiverkko. Komponenttien liitoksen maksimilämpötila on tavallisesti rajoitettu arvoon T = 125 C. Liitoksen ja kotelon välinen lämpöresistanssi on yleensä ilmoitettuna valmistajien datakirjoissa, mutta kotelon ja jäähdytysnesteen välinen lämpöresistanssi on määritettävä kokeellisesti mittaamalla kotelon ja jäähdytysnesteen lämpötilat ja jakamalla niiden erotus komponentin häviöteholla. Jäähdytysnesteen ja ilman lämpöresistanssi lämmönvaihtimessa voidaan määrittää vastaavalla tavalla eli R R kotelo neste Tkotelo Tneste (kotelossa) neste =, (7.1) q Tneste (lämmönsiirrin) Tympäristö ympäristö =. (7.2) q Tarvittava jäähdytysnesteen massavirta halutulla jäähdytysnesteen lämpötilan nousulla voidaan määrittää yhtälön (6.5) avulla. Erityistä huomiota on kiinnitettävä komponenttien ja vesijäähdytteisen jäähdytyselementin väliseen liitokseen, jotta sen aiheuttama lämpöresistanssi saadaan minimoitua. Siten komponenttien ja jäähdytyselementin väliin laitetaan silikonirasvaa tai berylliumoksidia ja komponentit kiinnitetään jäähdytyslevyyn tiukasti ruuviliitosten avulla.
68 7.1 Upotusjäähdytys Suuritehoiset elektroniikkakomponentit voidaan jäähdyttää tehokkaasti upottamalla ne dielektriseen nesteeseen hyödyntäen samalla kiehumisilmiön suurta lämmönsiirtokerrointa. Upotusjäähdytystä on käytetty elektroniikkakomponenttien jäähdytykseen 1940-luvulta lähtien, mutta sen käyttö oli pitkään rajoittunut ainoastaan erittäin suuria häviötehoja kehittävien laitteiden, kuten tutkien, jäähdytykseen. Elektroniikkakomponenttien koon pienentymisestä ja niiden pakkaustiheyden kasvusta aiheutuvat suuret lämpövuot ovat lisänneet upotusjäähdytykseen sovelluksiin liittyvää tutkimustoimintaa. Upotusjäähdytys on kuitenkin vielä varsin eksoottinen jäähdytysmenetelmä. Termodynamiikasta muistamme, että vakiopaineessa oleva neste kiehuu isotermisesti tietyssä kyllästyslämpötilassa. Kiehumisen aikana suuri lämpömäärä absorboituu tasalämpöiseen nesteeseen. Siten upotusjäähdytys tarjoaa vakiolämpötilassa olevan kylvyn nesteeseen upotetulle komponentille eliminoiden kuumien pisteiden syntymisen komponentin pinnalle. Kuvassa 7.2 esitettävässä yksinkertaisessa upotusjäähdytyslaitteistossa jäähdytysnestettä johdetaan jatkuvasti jäähdytysaltaaseen ulkoisesta nestesäiliöstä. Jäähdytysaltaassa syntyvä höyry voi vapaasti poistua altaasta ympäristöön paineenalennusventtiilin kautta. Samalla paineenalennusventtiili ylläpitää altaassa haluttua painetta ja siten myös lämpötilaa. Mikäli allastila olisi suorassa kosketuksessa ympäristön kanssa, niin altaan lämpötila määräytyisi ympäristön painetta vastaavan jäähdytysnesteen kiehumislämpötilan mukaisesti. Paineenalennusventtiili Nestesäiliö Varoventtiili Höyry Dielektrinen neste Jäähdytettävät komponentit Kuva 7.2. Yksinkertainen avoimen kierron upotusjäähdytysjärjestelmä. Avoimen kierron upotusjäähdytysjärjestelmä on rakenteeltaan yksinkertainen, mutta siihen liittyy useita epäkäytännöllisiä piirteitä. Johtuen ulkoisesta nestesäiliöstä se on raskas ja paljon tilaa vievä. Lisäksi poistohöyryn kautta lähtevää neste on korvattava lisäämällä nestettä jatkuvasti nestesäiliöön. Höyryn siirtyminen ympäristöön onkin suurin yksittäinen avoimen kierron upotusjäähdytystä rajoittava tekijä. Sitä käytetäänkin vain laitteissa, joiden käyttöaika on suhteellisen pieni.
69 Huomattavasti kehittyneempi upotusjäähdytysjärjestelmä toimii suljetulla kierrolla, missä höyry lauhdutetaan ja palautetaan takaisin jäähdytysjärjestelmään. Kuvassa 7.3 on esitettyinä kahden erilaisen suljettuun kiertoon perustuvan jäähdytysjärjestelmän kaaviokuvat. Tuuletin Höyry Ilmajäähdytteinen lauhdutin Rivat Jäähdytysaine ulos Jäähdytysaine sisään Dielektrinen neste Kuva 7.3. Suljettuun kiertoon perustuvia upotusjäähdytysjärjestelmiä. Vasemmalla olevassa laitteistossa höyry jäähdytetään ilmajäähdytteisellä lauhduttimella ja oikealla esitettävässä laitteistossa on sisäinen vesikierrolla toimiva rivoitettu lauhdutin. Suljettuun kiertoon perustuvan upotusjäähdytyslaitteiston toiminta on hyvin herkkä höyryn mahdollisesti sisältämille kondensoitumattomille kaasuille kuten ilmalle. Mikäli ilman osuus höyryn massassa kasvaa puoli prosenttiyksikköä, pienenee lauhdutuksen lämmönsiirtokerroin viidennekseen, joten upotuskuumennuksessa käytettävän jäähdytysnesteen on oltava mahdollisimman kaasutonta. Lisäksi ylimääräisen ilman pääsy systeemiin tulee estää huolellisesti. Lauhdutusprosessin ja kondensoitumattomien kaasujen aiheuttamat ongelmat voidaan välttää upottamalla lauhdutin (tai tässä tapauksessa paremminkin putkilämmönvaihdin) jäähdytysnesteeseen, kuvan 7.4 mukaisesti. Putkissa virtaava jäähdytysaine, esim. vesi, absorboi lämpöä dielektrisen nesteen pinnasta alijäähdyttäen sen. Jäähdytysaltaan alaosassa jäähdytettävien komponenttien kanssa kosketuksessa oleva dielektrinen neste kuumenee tai jopa höyrystyy, jolloin höyrykuplat lähtevät nousemaan ylöspäin. Höyrykuplat kuitenkin puhkeavat niiden joutuessa kontaktiin jäähdytysaltaan yläosassa olevan viileämmän nesteen kanssa. Järjestelmä kykenee siten siirtämään suuria lämpömääriä komponenttien pinnasta isotermisesti kiehutusprosessin avulla, mutta sen kokonaislämmönsiirtokapasiteettia rajoittaa lauhduttimen lämmönsiirtokyky. Ottaen huomioon, että pakotetun konvektion lämmönsiirtokerroin on huomattavasti lauhdutuksen lämmönsiirtokerrointa pienempi, tämä upotusjäähdytysjäähdytyssovellus ei sovellu suuritehoisten elektroniikkalaitteiden jäähdytykseen. Hieman kehittyneemmässä upotusjäähdytysjärjestelmässä lämpö siirretään dielektrisestä nesteestä jäähdytysaltaan ulkoseinän kautta ilmaan. Ilmajäähdytys on tavallisesti toteutettu pakotetulla konvektiolla kuvan 7.5 mukaisesti siten, että jäähdytysaltaan rivoitetun ulkoseinän kautta johdetaan tuulettimelta tuleva jäähdytysilma. Tämä upotusjäähdytysjärjestelmä on kaikkein käyttövarmin, sillä siinä ei ole jäähdytysaltaaseen upotettuja erillisiä lämmönsiirtimiä ja jäähdytysaltaassa olevat komponentit ovat siten kokonaisuudessaan upotettuina pelkkään jäähdytysnesteeseen. Tämän järjestelmän käyttö on kuitenkin rajoitettu maltillisille tehoille ja sen lämmönsiirtokapasiteetin määräytyy ulkoisen pakotettuun konvektioon perustuvan jäähdytysjärjestelmän tehokkuuden perusteella.
70 Paisuntasäiliö Dielektrinen neste Kuva 7.4. Upotusjäähdytysjärjestelmä, missä putkilämmönvaihdin (lauhdutin) on upotettu dielektriseen nesteeseen. Paisuntasäiliö Jäähdytysilma ulos Rivat Dielektrinen neste Puhallin Jäähdytysilma sisään Kuva 7.5. Upotusjäähdytysjärjestelmä, missä lämpö siirretään dielektrisestä nesteestä rivoitetun kotelon ulkokuoren kautta jäähdytysilmaan. Kuvassa 7.6 on esitettyinä elektroniikkalaitteiden jäähdytykseen soveltuvien dielektristen fluidien lämmönsiirtokertoimen arvoja vapaalla- ja pakotetulla konvektiolla sekä kiehumislämmönsiirrolla. Huomaa, että erittäin korkeisiin lämmönsiirtokertoimen arvoihin päästään fluorokarbidien kuten FC78 ja FC86 kiehumislämmönsiirrossa. Fluorokarbidien kiehumispiste vaihtelee välillä 30 C - 174 C ja niiden jäätymispiste on alle 50 C. Ne eivät pala ja ovat kemiallisesti epäaktiivisia.
71 Ilma (paine 1-3 atm) Fluorihöyry Silikoniöljy Muuntajaöljy Fluorinesteet Ilma (paine 1-3 atm) Fluorihöyry Muuntajaöljy Fluorinesteet Kiehuvat fluorinesteet Vapaa konvektio Pakotettu konvektio 1 10 100 1000 10000 [W/m 2 C] Kuva 7.6. Eräiden dielektristen fluidien lämmönsiirtokertoimia. Kuvassa 7.7 on esitettynä kokeellisesti saatuja tuloksia lämmönsiirtopinta-alaltaan 0.457 cm 2 olevan elektroniikkakomponentin upotusjäähdytyksestä. Jäähdytysnesteenä on FC86, joka on mittausten ajan pidetty lämmönsiirtimen avulla lämpötilassa 5 C. Alueella A-B lämpö siirtyy komponentista nesteeseen vapaalla konvektiolla ja kuplanmuodostus ja siten kiehuminen alkaa alueella B-C. Huomaa, että kiehumisen alettua komponentin lämpötila putoaa rajusti, johtuen lämmönsiirtokertoimen kasvusta kiehumisen myötä. Täydellinen kiehuminen tapahtuu alueella C-D, jolloin erittäin suuria lämpövoita voidaan jäähdyttää erittäin pienellä lämpötilaerolla. Komponentin teho [W] T neste = 5 C 20 Lämpövuo [W/m 2 ] 43.8 10 9 8 7 6 D 21.9 17.5 13.1 5 4 C B 11.0 8.8 3 6.6 2 4.4 A 2.2 10 20 30 40 50 70 100 T komponentti - T neste [ C] Kuva 7.7. Lämmönsiirto fluorokarbidiin FC86 upotetusta komponentista jäähdytysnesteeseen.
72 7.2 Lämpöputket Lämpöputki on rakenteeltaan yksinkertainen laite, jonka avulla voidaan siirtää suuria lämpömääriä verraten pitkiä matkoja vakiolämpötilassa ilman erillistä tehonsyöttöä. Lämpöputki on periaatteessa ohut suljettu putki, jossa sisäosan muodostavat putken sisäpinnassa oleva sydänrakenne ja pieni määrä kyllästyneessä tilassa olevaa nestettä (esim. vesi). Lämpöputken poikkileikkaus on esitettynä kuvassa 7.8. Lämpöputki muodostuu kolmesta eri osasta. Putken toisessa päässä olevassa höyrystimessä lämpö absorboituu nesteeseen, joka höyrystyy. Höyry lauhtuu takaisin nesteeksi poistaen samalla lämpöä putken lauhdutinosassa. Höyrystimen ja lauhduttimen välistä aluetta kutsutaan adiabaattiseksi osaksi, missä höyry- ja nestefaasit virtaavat vastakkaisiin suuntiin sydänrakenteessa ja putken rungossa ilman, että merkittävää lämmönsiirtoa nesteen ja ympäristön kesken tapahtuu. Sydän Nestevirtaus Lämpö sisään Höyryvirtaus Lämpö ulos Höyrystin Adiabaattinen osa Lauhdutin Kuva 7.8. Lämpöputken poikkileikkaus. Käytettävä neste ja lämpöputken toimintapaine määräytyvät lämpöputken toimintalämpötilan perusteella. Esimerkiksi vedelle kolmoispiste (kaikki faasit läsnä) on lämpötilassa T = 0.01 C ja kriittinen piste (lämpötila, jonka jälkeen kaasua ei enää saada nesteytettyä millään paineella) lämpötilassa T = 374.1 C eli vesi voi muuttua nesteestä höyryksi ja päinvastoin ainoastaan tällä lämpötila-alueella eikä se siten sovellu sovelluksiin, jotka ovat tämän lämpötila-alueen yläpuolella. Tämän lisäksi veden faasimuutos tapahtuu tietyssä lämpötilassa ainoastaan silloin, kun sen paine vastaa lämpötilan mukaista kylläistä painetta. Esimerkiksi mikäli vesitäytteinen lämpöputki on suunniteltu toimintalämpötilaan 70 C, on putken sisäpaine pidettävä arvossa 31.2 kpa, joka vastaa veden kiehumispainetta toimintalämpötilassa. Huomaa, että putken toimintapaine on huomattavasti normaaliilmanpainetta 101 kpa alhaisempi ja siten lämpöputki toimii tässä tapauksessa tyhjönä. Mikäli putken sisäpaine olisi normaali-ilmanpaine, veden lämpötila ainoastaan nousisi toimintalämpötilaan eikä höyrystymistä tapahtuisi. Veden lisäksi lämpöputkissa voidaan käyttää useita muitakin nesteitä. Nesteen valinta riippuukin lämpöputken käyttösovelluksesta. Taulukossa 7.1 on esitettyinä tavallisimmissa lämpöputkisovelluksissa käytettävät nesteet ja niiden käyttölämpötila-alueet. Huomaa, että kokonaistoimintalämpötila-alue kattaa lämpötilat melkein absoluuttisesta nollatilasta jopa yli 1600 C saakka. Äärimmäiset lämpötilarajat nesteille ovat kolmoispiste- ja kriittinen lämpötila. Käytännössä lämpötilarajat ovat huomattavasti kapeammat, jotta vältytään erittäin korkeilta paineilta ja kriittisen pisteen läheisyydessä olevilta matalilta höyrystymislämmöiltä. Lämpöputkissa käytettäviltä nesteiltä vaaditaan suurta pintajännitystä, jotta kapillaari-ilmiö on
73 mahdollinen, yhteensopivuutta sydänmateriaalin kanssa, hyvää saatavuutta, kemiallista stabiiliutta, myrkyttömyyttä ja halpaa hintaa. Taulukko 7.1. Lämpöputkissa käytettävien nesteiden lämpötila-alueet. Fluidi Lämpötila-alue [ C] Helium -271-268 Vety -259-240 Neon -248-230 Typpi -210-150 Metaani -182-82 Ammoniakki -78-130 Vesi 5 230 Elohopea 200 500 Cesium 400 1000 Natrium 500 1200 Litium 850 1600 7.2.1 Lämpöputken toiminta Lämpöputken toiminta perustuu seuraaviin fysikaalisiin ilmiöihin: Vakiopaineella toimittaessa neste höyrystyy ja höyry lauhtuu lämpötilassa, jota kutsutaan kyllästyslämpötilaksi. Siten paineenmuutos lämpöputkessa muuttaa sitä lämpötilaa, jossa faasimuutos tapahtuu. Vakiopaineella tai vakiolämpötilassa lämpömäärä, jolla massayksikkö nestettä höyrystyy on yhtä suuri kuin sen lauhtuessa luovuttama lämpömäärä. Kapillaari-ilmiön vaikutuksesta lämpöputken sydämeen kehittyvä kapillaaripaine liikuttaa nestettä jopa gravitaatiokenttää vastaan. Kanavassa oleva neste virtaa alempaa painetta kohden. Aluksi lämpöputken sydämessä on kylläistä nestettä ja putken keskiosassa on höyryä. Kun lämpöputken höyrystinosa joutuu kosketukseen kuuman pinnan kanssa tai se viedään kuumaan ympäristöön, lämpö johtuu putkeen ja putkessa oleva kylläinen vesi höyrystyy lämmönsiirron seurauksena. Höyryn paine kasvaa ja syntyvä paine-ero ajaa höyryä kohti lauhdutinta. Lauhdutin on höyrystintä alemmassa lämpötilassa, joten höyry lauhtuu nesteeksi vapauttaen siihen sitoutuneen lämpömäärän lauhdutinta ympäröivään aineeseen. Kapillaariilmiön vaikutuksesta neste virtaa lauhduttimesta sydämen kautta takaisin höyrystimeen. Lämpö sidotaan lämpöputkeen sen toisessa päässä ja luovutetaan putken toisessa päässä nesteen toimiessa lämmönsiirtoaineena. Kiehumisen ja lauhtumisen lämmönsiirtokertoimet ovat erittäin suuret, joten on luonnollista olettaa lämpöputken lämmönsiirtotehokkuuden olevan huippuluokkaa. Lämpöputken efektiivinen lämmönjohtavuus onkin monta sataa kertaa kuparia tai hopeaa suurempi. Yksinkertaisen lämpöputken, missä lämmönsiirtonesteenä on vesi, efektiivinen lämmönjohtavuus on luokkaa 100 000 W/m C, eikä efektiivisen lämmönjohtavuuden arvo 400 000 W/m C ole harvinainen. Esimerkiksi 15 cm pitkä ja halkaisijaltaan 0.6 cm olevalla vesitäytteisellä lämpöputkella voidaan siirtää jopa 300 W lämpöteho. Lämpöputken höyrystin ja lauhdutinpäiden välillä on yleensä pieni paine-ero ja siten myös pieni lämpötilaero, joka on yleensä välillä 1 5 C.
74 7.2.2 Lämpöputken rakenne Lämpöputken sydän toimii nesteen virtauskanavana lauhduttimesta takaisin höyrystimeen, joten sen suunnittelu ja rakenne on koko lämpöputken valmistuksen kannalta kriittisin paikka. Sydän on usein tehty huokoisesta keraamista tai se on ruostumattomasta langasta punottu verkko. Sydän voidaan myös valmistaa samaan aikaan ulkoputken kanssa pursottamalla putkeen aksiaalisia tiehyitä, mutta tämä prosessi on valmistuksen kannalta erittäin vaikea. Sydämen toimintatehokkuus riippuu sen rakenteesta ja sydämen ominaisuuksia voidaankin muuttaa vaihtelemalla sydämen kokoa ja aukkojen lukumäärää tilavuusyksikköä kohden tai muuttamalla käytävien jatkuvuutta. Nesteen virtaus sydämessä riippuu kapillaari-ilmiön, joka aiheuttaa nesteen virtauksen mahdollistavan imuvoiman, ja sydämen virtausvastuksen välisestä dynaamisesta tasapainosta. Pieniaukkoinen sydän vahvistaa kapillaari-ilmiön vaikutusta, sillä kapillaaripaine on kääntäen verrannollinen sydämen verkon efektiiviseen säteeseen, mutta toisaalta aukkojen koon ja siten myös aukkojen efektiivisen säteen pienentäminen kasvattaa virtausta vastustavaa kitkaa. Siten verkon kokoa tulee pienentää ainoastaan siihen asti, kun kapillaarivoima on kitkavoimaa suurempi. On myös muistettava, että optimaalinen aukon koko on erilainen eri nesteille ja lämpöputken toiminta-asennoille. Kapillaari-ilmiön ansiosta lämpöputki toimii mielivaltaisessa asennossa gravitaatiokentässä. Lämpöputken toiminta on kuitenkin tehokkaimmillaan silloin, kun gravitaatiovoimat ja kapillaarivoimat vaikuttavat samaan suuntaan (lämpöputken höyrystinpää alhaalla) ja sen toiminta on heikointa gravitaatiovoimien ja kapillaarivoimien ollessa vastakkaiset (lauhdutin alhaalla). Gravitaatiovoimat eivät vaikuta lämpöputkeen sen ollessa vaakatasossa, mutta lämpöputken lämmönsiirtokyky kaksinkertaistuu, mikäli lämpöputki asetetaan pystysuoraan sen höyrystinosa alaspäin. Määritellään seuraavaksi lämpöputken kapillaariraja, joka on maksimaalinen lämmönsiirtoteho kallistuskulman ψ omaavalle lämpöputkelle. Kapillaariraja ylittyy, kun gravitaation, nesteen ja höyryn paineiden summa ylittää lämpöputken sydämen kapillaaripaineen. Kapillaarirajalle saadaan yhtälö ( ψ ) ρ fσifg Aw K = 2 ρf gleffsin q max, (7.3) µ f Leff rp σ missä ρ f on nesteen tiheys, σ on pintajännitys, i fg on ominaisentalpia, µ f on dynaaminen viskositeetti, A w on sydämen poikkipinta-ala, K on sydämen permeabiilisyys (m 2 ), L eff on lämpöputken efektiivinen pituus, r p on efektiivinen sydämen huokosaukon säde, g on putoamiskiihtyvyys ja ψ on kallistuskulma. Suurin osa lämpöputkista on muodoltaan sylinterimäisiä, mutta myös monimutkaisempia geometrioita, kuten 90 kulmia tai spiraaleja, on olemassa. Lämpöputket voivat olla myös litteitä paksuudeltaan 0.3 cm olevia putkia, jotka soveltuvat hyvin suuritehoisten (yli 50 W) piirikorttien jäähdytykseen. Taulukossa 7.2 on esitettynä erikokoisten lämpöputkien lämmönsiirtotehoja.
75 Taulukko 7.2. Eri kokoisten lämpöputkien tyypillisiä lämpötehoja. Ulkohalkaisija [cm] Pituus [cm] Lämpöteho [W] 0.635 15.2 300 30.5 175 45.7 150 0.95 15.2 500 30.5 375 45.7 350 1.27 15.2 700 30.5 575 45.7 550 Lämpöputkien suurin ongelma on niiden ajan myötä tapahtuva suorituskyvyn lasku. Jotkut lämpöputket ovat rikkoontuneet parin kuukauden käytön jälkeen. Vaurioitumisen pääsyy on usein ollut lämpöputken käyttöpaineeseen vaikuttava likaantuminen, joka tapahtuu lämpöputken päiden sulkemisen yhteydessä. Valmistuksen aikana tapahtuva likaantuminen voidaan minimoida sulkemalla lämpöputken päät puhdastilassa elektronisuihkuhitsauksella. Sydämen likaantuminen ennen sen asennusta putkeen on myös yleinen putken vaurioitumista aiheuttava tekijä. 7.2.3 Lämpöputken lämpöresistanssi Lämpöputken höyrystimen ja lauhduttimen välinen lämpötilaero on äärimmäisen tärkeä tekijä, sillä se vaikuttaa suoraan jäähdytettävän järjestelmän toimintalämpötilaan. Lämpöputkelle voidaan määritellä kuvan 7.9 mukaisesti kokonaislämpöresistanssi, joka muodostuu seitsemästä lämpöresistanssista, joista viisi on lämpöputken sisäisiä lämpöresistansseja ja kaksi lämpöresistanssia kuvaavat lämpöputken ulkopuolisia liityntäpintoja. Höyrystin L e Adiabaattinen osa L a Lauhdutin L c R a = 0 r 3 r 2 r 1 R w,e R p,e R w,c R p,e Sydän R ext,e R ext,c Kotelo Lämmönlähde Jäähdytyselementti Kuva 7.9. Lämpöputken lämpöresistanssien kytkentä. Neljä lämpöputken lämpöresistansseista on säteen suuntaisia kotelon ja sydämen lämpöresistansseja. Adiabaattisen osan lämpöresistanssi voidaan olettaa nollaksi, koska adiabaattisen osan höyrynpainehäviö on mitättömän pieni. Kotelolla ja sydämellä on myös
76 aksiaalisia lämpöresistanssikomponentteja, mutta nekin voidaan jättää ottamatta huomioon lämpöputken kokonaislämpöresistanssin määrityksessä. Lämpöputken kokonaislämpöresistanssiksi R th, total saadaan R = R + R + R + R + R + R, (7.4) th, total ext,e p,e w,e w,c p,c ext,c missä R ext,e on höyrystimen ja lämmönlähteen välinen ulkoinen lämpöresistanssi, R p,e on lämpöputken kotelon lämpöresistanssi höyrystinpäässä, R w,e on sydämen lämpöresistanssi höyrystinpäässä, R w,c on sydämen lämpöresistanssi lauhdutinpäässä, R p,c on putken kotelon lämpöreistanssi lauhdutinpäässä ja R ext,c on lauhduttimen ja jäähdytyselementin välinen ulkoinen lämpöresistanssi. Lämpöputken sisäiset lämpöresistanssit ovat ln ( r / r ) 3 2 R p,e =, (7.5a) 2πLe λp ln ( r / r ) 2 1 R w,e =, (7.5b) 2πLe λeff ln ( r / r ) 2 1 R w,c =, (7.5c) 2πLc λeff ln ( r / r ) 3 2 R p,c =, (7.5d) 2πLc λp missä λ p on lämpöputken seinämän lämmönjohtavuus ja λ eff on sydämen ja nesteen muodostaman kombinaation efektiivinen lämmönjohtavuus. R ext,e ja R ext,c on määritettävä mittaamalla.
77 8. Muut jäähdytystekniikat 8.1 Peltier-elementit Lämpösähköteknologian (TE-technology) pääperiaate on ns. Peltier-ilmiö, joka keksittiin 1800-luvun alkupuolella. Peltier-ilmiö syntyy kun sähkövirta kulkee kahden erityyppisen metallijohtimen muodostaman liitospinnan läpi. Virran suunnasta riippuu absorboiko vai vapauttaako liitos lämpöä. Peltier-ilmiö synnytetään käyttämällä puolijohteita kuten bismuntti ja telluridi, koska niiden avulla Peltier-elementit voidaan optimoida käyttökohteen mukaisiksi ja koska puolijohteita käyttämällä suunnittelija voi valita käytettävät varauksenkuljettajat. Peltier-elementti on yksinkertaisimmillaan puolijohdepelletti, joka on juotettu kummastakin päästään liitoksen toisena osana toimivaan sähköä johtavaan materiaaliin, joka on yleensä kupari. On tärkeätä havaita, että lämpöä siirretään varauksenkantajien kulkusuuntaan eli varauksenkuljettajat toimivat lämmön siirtäjinä. Mikäli elementissä käytettävä puolijohde on N-tyyppinen ja elementti on kytketty DC-jännitelähteeseen, niin elektronit liikkuvat negatiivisesta navasta kohti positiivista napaa, jolloin Peltier-elementin pohja absorboi kuvan 8.1 mukaisesti lämpöä itseensä ja sen kansi puolestaan luovuttaa lämpöä ympäristöönsä. P- tyypin puolijohdetta käytettäessä varauksenkantajina ovat aukot, jotka liikkuvat positiivisesta navasta negatiiviseen, jolloin lämmön absorboituminen ja luovutus tapahtuu N-tyypin puolijohteeseen nähden päinvastaisessa suunnassa. Kupari Luovutettu lämpö Kupari Absorboitunut lämpö Aukkojen suunta N-tyypin puolijohde + - DC-lähde P-tyypin puolijohde + - DC-lähde Absorboitunut lämpö N-tyypin puolijohde Elektronivirran suunta Luovutettu lämpö P-tyypin puolijohde Kuva 8.1. Varauksenkuljettajien ja lämpövirtojen suunnat erityyppisillä Peltier-elementeillä. Yksittäisellä puolijohdepelletillä siirrettävä lämpömäärä on varsin pieni, joten käytännön sovelluksissa pellettejä on elementtiä kohden useampia. Yksittäinen puolijohdepelletti kykenee johtamaan 5 A virran jännitteen ollessa ainoastaan 60 mv, joten pellettien rinnankytkentä on käytännössä poissuljettu vaihtoehto johtuen juuri pellettien matalasta jännitekestoisuudesta. Kaikkein yleisimmässä kaupallisessa sovelluksessa pelletit on kytketty sarjaan siten, että N- ja P-tyypin puolijohteet muodostavat kuvan 8.2 mukaisesti pareja, jossa eri tyypin puolijohteet on kytketty toisiinsa kupariliuskan avulla. Varsinainen Peltier-liitos muodostuu siten puolijohteen ja kuparin välille. Parit kytketään sarjaan siten, että ne kaikki absorboivat lämpöä samasta suunnasta ja vastaavasti luovuttavat absorboimansa lämmön samaan suuntaan eli termisesti parit on kytketty rinnan. Tällä tavalla saadaan valmistettua
78 riittävän lämmönsiirtokyvyn omaavia Peltier-elementtejä, jotka soveltuvat suoraan kytkettäviksi 12 16 voltin DC-jännitteeseen. Kaikkein yleisin tällä tavalla valmistettu Peltier-elementti sisältää 254 puolijohdepellettiä ja sen nimellisjännite ja virta ovat 16 V ja 5 A. Luovutettu lämpö N P N P N P - + Absorboitunut lämpö Kuva 8.2. Peltier-elementti, jossa N- ja P-tyypin puolijohteet on kytketty sarjaan kupariliuskojen avulla. Koska Peltier-elementti koostuu suuresta joukosta pieniä puolijohdepellettejä, on pelletit elementin mekaanisen kestävyyden takaamiseksi suljettu kahden keraamilevyn väliin, joiden pintaan on kiinnitetty eri tyyppiset pelletit sähköisesti yhdistäviä johdinliuskoja. Elementit ovat muodoltaan neliöitä ja niiden paksuus on yleensä muutamia millejä. Keraamilevyjen ulkopinta toimii elementin ja ympäristön välisenä termisenä rajapintana. Tarkastellaan kuvan 8.3 esittämää ehkäpä kaikkein yleisintä TE-sovellusta, jossa elektroniikkalaitteen kotelon sisäpuolella olevaa ilmaa jäähdytetään Peltier-elementin avulla. Tavoitteena on siirtää kotelon sisällä oleva lämpö kotelon ulkopuoliseen jäähdytyselementtiin, josta lämpö siirtyy konvektion avulla ilmaan. Kooltaan pienempi jäähdytyselementti, joka jäähdytetään kotelossa olevan ilman lämpötilan alapuolelle, on sijoitettu laitteen kotelon sisään. Peltier-elementti on sijoitettuna jäähdytyselementtien väliin, jolloin tasavirran kulkiessa elementin läpi, se imee lämpöä kotelon sisältä ja luovuttaa lämmön kotelon ulkopuoliseen jäähdytyselementtiin. Useissa sovelluksissa käytetään puhallinta sekä kotelon sisässä että kotelon ulkopuolella kasvattamaan lämmönsiirtotehoa. On vielä muistettava, että kotelon ulkopuolisen jäähdytyselementin kautta poistetaan kotelon sisältä pumpattavan lämpötehon lisäksi myös Peltier-elementin itsensä synnyttämä häviöteho. Peltier-elementtien jäähdytystehokkuus on varsin alhainen ja valmiit ratkaisut ovat hinnaltaan kalliitta.
79 Laitteen kotelossa oleva jäähdytyslevy Peltier-elementti Kotelon ulkopuolinen jäähdytyselementti Kuva 8.3. Periaatekuva Peltier-elementin käytöstä laitteen jäähdytykseen. Kuvassa elementti absorboi lämpöä laitteen kotelossa olevasta jäähdytyslevystä ja luovuttaa lämmön kotelon ulkopuoliseen jäähdytyslevyyn. 8.2 Vortex-putki Vortex-putken kehitti ranskalainen fyysikko G. J. Rangue 1930-luvun alussa ja sen toimintaperiaate on esitettynä kuvassa 8.4. Vortex-putkessa olevaan sylinterimäiseen pyörregeneraattoriin, jonka halkaisija on itse Vortex-putken halkaisijaa suurempi, johdetaan paineilmaa. Ilma virtaa edelleen pyörregeneraattorista putkeen suuttimen kautta, jolloin ilman virtaus muuttuu pyörteiseksi. Ilman pyörimisnopeus saavuttaa jopa 1 000 000 rpm nopeuden, kun se pakotetaan virtaamaan putken pidemmän (kuumaan) osan sisäpintaa pitkin. Putken kuuman osan päässä on säädettävä neulaventtiili, jonka avulla putkesta poistettavaa kuumaa ilmaa voidaan säätää. Loput ilmasta pakotetaan virtaamaan takaisin tulovirtauksen sisäpuolella, paluuvirtauksen nopeuden ollessa huomattavasti tulovirtausta pienempi. Samalla lämpöä siirtyy paluuvirtauksesta tulovirtaukseen. Jäähtynyt ilma virtaa pyörregeneraattorin läpi sen kylmässä osassa olevaan poistoilmaputkeen, josta se johdetaan jäähdytettävään kohteeseen. Vortex-putken pääperiaate on siten jakaa pyörteinen ilmavirtaus kuumaan ja kylmään virtaukseen. Kuva 8.4. Vortex-putken toimintaperiaate. Lähde: ARTX Ltd:n WWW-sivut http://www.artxltd.com 28.2.2001. Vortex-putki tarvitsee aina paineilmaa toimiakseen, joten se on varsin kallis jäähdytyslaite. Vortex-putkien pääasiallinen käyttö onkin suurten elektroniikkajärjestelmien kaappien jäähdytys.
80 8.3 Mikroelektroniikkaan liittyviä erikoistapauksia Tähän saakka komponentissa tai laitteessa syntynyt lämpö on mielletty haitaksi, joka pitää poistaa. Mikroelektroniikkaa käsiteltäessä on kuitenkin tapauksia, joissa tilanne on juuri päinvastainen. Esimerkiksi matkapuhelin tuottaa merkittävän määrän häviötehoa, mutta syntyvä lämpö ei ole pelkästään haitaksi, vaan sitä voidaan myös hyödyntää johtamalla osa syntyvästä lämpötehosta osiin, joiden ominaisuudet huononevat rajusti kylmässä käyttöympäristössä. Tällaisia osia ovat mm. akut ja nestekidenäytöt. Lämpö johdetaan lämmönlähteestä sitä tarvitseviin komponentteihin käyttämällä tähän tarkoitukseen suuniteltuja elastisia, helposti työstettäviä ja hyvän lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja.