50 6. Ilmajäähdytys vapaalla konvektiolla ja säteilemällä Pienitehoisten laitteiden jäähdytys on helpointa toteuttaa vapaan konvektio- ja säteilylämmönsiirron avulla. Vapaan konvektion käyttö on suotavaa, sillä siinä ei ole tuuletinta eikä muitakaan rikkoontuvia osia. Luonnollinen konvektio perustuu fluidin sisäisten lämpötilaerojen, ja siten paikallisten tiheyserojen, aiheuttamaan fluidin virtaukseen. Lämmetessään fluidi laajenee ja siten sen tiheys pienenee. Gravitaatiokentässä kevyempi fluidi pyrkii kohoamaan aiheuttaen liikkeen, jota kutsutaan konvektiovirraksi. Vapaaseen konvektioon perustuva jäähdytys on tehokkaimmillaan silloin, kun jäähdyttävän fluidin kulkureitillä on mahdollisimman vähän sen liikettä vastustavia esteitä ja huonoimmillan silloin, kun jäähdyttävä fluidi joutuu kiertämään useiden esteiden ja kapeiden reittien kautta. Vapaan konvektion tehokkuus jäähdytettävän pinnan ja jäähdytysfluidin välillä on suoraan verrannollinen fluidin virtausnopeuteen. Mitä suurempi on fluidin virtausnopeus, sitä parempi on lämmönsiirtokyky. Vapaaseen konvektioon perustuvissa jäähdytysratkaisuissa ei ole ylimääräistä puhallinta, joten virtausnopeutta ei voida erikseen säätää. Virtausnopeus määräytyy nosteen ja fluidin ja pinnan välisen kitkan dynaamisesta tasapainotilasta. Mitä korkeampi lämpötilaero fluidin ja jäähdytettävän pinnan välillä on sitä suurempia ovat nosteen aiheuttama voimat, konvektiovirrat sekä vapaan konvektion lämmönsiirtokyky. Vastaavasti aina, kun kaksi kappaletta liikkuvat toistensa suhteen, syntyy liitospinnalle liikettä vastustava kitkavoima. Kitkavoima pyrkii pienentämään fluidin virtausnopeutta ja siten se pienentää vapaan konvektion lämmönsiirtokykyä. Tasapainotilassa kehittyvä ilmavirtaus ja siten vapaalla konvektiolla saavutettava lämmönsiirtoteho on nosteen ja kitkan vaikutusten summa. Kuvassa 6.1 on esitettynä tyypillinen koteloidun elektroniikkalaitteen vapaan konvektion avulla toteutettu jäähdytysjärjestelmä. Laitteen koteloon on tehty tarvittava määrä jäähdytysaukkoja, joista jäähdytysilma pääsee vapaasti kulkemaan laitteen lävitse. Lämmönsiirtotehokkuuden kannalta jäähdytysaukkojen tulisi olla mahdollisimman suuria, jotta niiden aiheuttama virtausvastus minimoituisi ja ne tulisi sijoittaa siten, että jäähdytysilman tuloaukot olisivat kotelon pohjassa ja poistoaukot vastaavasti kotelon yläkannessa. Toisaalta sähköturvallisuuden ja EMC suunnittelun kannalta jäähdytysaukkojen tulee olla mahdollisimman kapeita, eikä niitä voida mielivaltaisesti sijoittaa koteloon. Käytännössä tuloilma-aukot ovat joko kotelo sivujen tai takakannen alaosassa ja poistoilmaaukot ovat niiden yläpuolella.
51 Lämmin ilma ulos Jäähdytysilma sisään Kuva 6.1. Elektroniikkalaitteen jäähdytys vapaalla konvektiolla. Lämmönsiirtoteho vapaalla konvektiolla lämpötilassa T s olevan pinnan ja lämpötilassa T fluid olevan fluidin välillä saadaan yhtälöstä ( ) q = α A T s T fluid, (6.1) missä α on konvektiokerroin ja A on lämmönsiirtoon käytetty pinta-ala. Konvektiovirrat ovat aluksi laminaarisia ja muuttuvat turbulenttisiksi, kun fluidin ja kappaleen välinen lämpötilaero kasvaa riittävän suureksi. Ilman tapauksessa virtaus on laminaarista, mikäli lämpötilaero on alle 100 C ja jäähdytettävän kappaleen karakteristinen pituus on alle 0.5 m. Tämä toteutuu elektroniikkalaitteiden tapauksessa lähes aina, joten käytännön laskuissa vapaa konvektio voidaan olettaa laminaariseksi. Konvektiokerroin voidaan määrittää kirjan alussa esitetyillä korrelaatioyhtälöillä. Laminaarisen, vapaalla konvektiolla tapahtuvan ilmajäähdytyksen tapauksessa konvektiokerroin saadaan yksinkertaistetulla yhtälöllä 0.25 T α = K, (6.2) L missä L on karakteristinen pituus (kappaleen pituus lämmönsiirtoreitillä) ja K riippuu geometriasta ja kappaleen suuntautumisesta. Konvektiokertoimen yhtälöitä yleisimmille geometrioille on esitettynä kuvassa 6.2. Kuvan 6.2 yhtälöitä voidaan käyttää myös eri painealueilla toimittaessa kertomalla ne p :llä, missä paineen p yksikkönä on ilmakehä 1 atm = 101.325 kpa, jolloin konvektiokertoimelle saadaan ( 1atm) p α = α. (6.3) Kappaleen pinta jäähtyy myös säteilylämmönsiirron avulla. Säteilemällä siirtyvä lämpöteho on suuruudeltaan verrattavissa vapaalla konvektiolla siirtyvään lämpötehoon pinnoilla, joiden emissiivisyys on lähellä yhtä. Kiilotettujen pintojen tapauksessa säteilemällä siirtyvä lämpöteho on mitättömän pieni, johtuen emissiivisyyden romahtamisesta lähelle nollaa.
52 Geometria Konvektiokerroin Pystysuora levy tai sylinteri L T α= 142. L 025. Vaakasuora sylinteri D Vaakasuora levy (L = 4A/p), missä p = kehän pituus T α = 132. L 025. A a) kuuma pinta yläpuolella Kuuma pinta T α = 1. 32 L 0. 25 Kuuma pinta T α = 059. L 025. b) kuuma pinta alapuolella Piirilevyllä olevat komponentit T α = 244. L 025. Ilmassa oleva pieni komponentti tai lyhyt johdin L L T α = 353. L 025. Pallo D T α = 192. L 025. Kuva 6.2. Yksinkertaistettuja yhtälöitä konvektiokertoimen laskentaan yleisimpien geometrioiden tapauksessa.
53 Lämpötilassa T s olevasta kappaleesta säteilemällä lämpötilassa T surr olevaan ympäristöön lähtevä lämpöteho saadaan yhtälöllä 4 4 ( T s T ) q = ε Aσ. (6.4) surr Huomaa, että yhtälö (6.4) pätee sellaisenaan vain, mikäli kaikki tarkasteltavasta pinnasta lähtevä säteily kohtaa ympäristön eli luvussa 2 esitetty näkyvyyskerroin saa arvon 1. Kahden kiinteän kappaleen välistä säteilylämmönsiirtoa analysoitaessa pintojen väliset näkyvyyskertoimet on aina määritettävä ennen kuin pintojen välinen säteilyteho voidaan laskea. Vapaalla konvektiolla jäähdytettävät piirikorttiryhmät on sijoitettava koteloon pystysuoraan tuloilmaan nähden lämmönsiirtopinta-alan maksimoimiseksi ja siten riittävän lämmönsiirtotehokkuuden takaamiseksi (kuva 6.3). Siten myös minimoidaan mahdollisia kuumia kohtia aiheuttavat ilmataskut. Jäähdytettävät piirikortit eivät saa olla liian kaukana toisistaan, jotta kotelon koko ei kasvaisi kohtuuttoman suureksi. Optimaalinen korttien etäisyys toisistaan on n. 2 cm. Poistoilma Tuloilma Kuva 6.3. Kotelossa olevat piirikortit on asetettava pystysuoraan ja korttien väli on oltava riittävä takaamaan riittävän lämmönsiirtotehon vapaalla konvektiolla. Säteilylämmönsiirto piirikorttien komponenttien välillä jätetään usein ottamatta huomioon, koska komponentit säteilevät kohti muita kuumia pintoja. Poikkeuksen tästä muodostavat koteloidun piirikorttiryhmän sisin ja uloin kortti, jotka molemmat säteilevät suhteellisesti viileämpää koteloa kohti. Siten korttiryhmän suurimmat häviötehot omaavat kortit tulee sijoittaa ryhmän ensimmäiseksi ja viimeiseksi, jotta osa niiden lämpötehosta saadaan siirtymään säteilyn avulla kotelon kuoreen. Piirikortit, joiden häviöteho on 5 W tai joiden lämpövuo on n. 0.02 W/cm 2, kyetään jäähdyttämään vapaan konvektion avulla. Piirikorttien lämmönsiirtoa voidaan analysoida approksimoimalla ne levyiksi, joissa häviöteho ja siten lämpö on tasaisesti jakautunut kortin
54 toiselle puolella ja toinen puoli kortista on lämpöeristetty. Piirikorteilla, joissa komponentteja on kortin molemmin puolin lämpökuorma on kaksinkertainen verrattuna yksipuolisiin kortteihin. On muistettava, että vapaa konvektio tapahtuu ainoastaan väliaineen ja gravitaatiokentän ollessa läsnä. Siten avaruuselektroniikkaan ei voida soveltaa vapaaseen konvektioon perustuvia menetelmiä, johtuen pääasiassa väliaineen puuttumisesta. Sama tilanne tulee vastaan tapauksissa, joissa poistoilma-aukot ovat tukkeutuneet (lian tms. takia), jolloin ilman kierto laitteen sisällä estyy ja lämmönsiirto tapahtuu johtumalla. Luonnollisella konvektiolla ja säteilemällä tapahtuvaa lämmönsiirtotehoa voidaan parantaa kiinnittämällä jäähdytettäviin pintoihin jäähdytysripoja. 6.1 Ilmajäähdytys pakotetulla kovektiolla Mikäli vapaaseen konvektioon perustuva jäähdytys on riittämätön, voidaan systeemiin lisätä tuuletin, jonka avulla jäähdytysilman nopeutta ja siten lämmönsiirtotehoa voidaan säätää halutulla tavalla. Riippuen tuulettimen koosta pakotetulla konvektiolla päästään jopa kymmenkertaiseen lämmönsiirtotehokkuuteen vapaaseen konvektioon verrattuna. Pakotetun konvektion tapauksessa jätetään säteilylämmönsiirto huomioon ottamatta kahdesta syystä. Ensinnäkin pakotetun konvektion lämmönsiirtoteho on tarkasteltavilla lämpötilaeroilla huomattavasti säteilylämmönsiirtoa suurempi ja toiseksi pakotetussa konvektiossa jäähdytettävät komponentit on sijoitettu koteloihin, joissa komponentit ovat lähestulkoon samassa lämpötilassa. Siten jäähdytettävillä komponenteilla ei ole näkyvyyttä suhteessa kylmenpiin komponentteihin eli eri komponenttien välinen säteilylämmönsiirto on käytännössä olematonta. Kun säteilylämmönsiirto laitteen kotelon ulkokuorista ympäristöön jätetään ottamatta huomioon, täytyy kaiken laitteessa muodostuvan häviötehon siirtyä jäähdytysaineeseen (ilma), joten lämmönsiirtoteholle saadaan yhtälö m p ( T T ) q = q c, (6.5) ilma,pois ilma,sisään missä q m on jäähdytysaineen massavirta ja c p on jäähdytysaineen ominaislämpökapasiteetti. Pakotetulla konvektiolla jäähdytettävän elektroniikkalaitteen poikkileikkaus on esitettynä kuvassa 6.4.
55 Poistoilma ulos, T out Tuuletin Jäähdytysilma sisään, T in Kuva 6.4. Pakotetulla konvektiolla jäähdytettävän elektroniikkalaitteen poikkileikkaus. Huomaa, että vakiona pysyvällä jäähdytysaineen massavirralla myös jäähdytysaineen lämpötilaero pysyy vakiona. Mitä korkeampi on tuloilman lämpötila sitä korkeampi on poistoilman lämpötila ja siten myös jäähdytettävien komponenttien pintalämpötila. Hyvin suunnitellussa pakotettuun konvektioon perustuvassa jäähdytysjärjestelmässä tulee jäähdytysilman lämpötila nousu rajoittaa arvon T = 10 C ja poistoilman maksimilämpötila rajoittaa 70 C:een. Siten jäähdytettävien komponenttien pintalämpötila on alle 100 C. Elektroniikkalaitteiden jäähdytykseen tarvittava ilman massavirta riippuu ympäristön lämpötilasta. Esimerkiksi ilmastoiduissa huoneissa jäähdytysilman massavirta saattaa olla suhteellisen pieni, kun taasen kuumissa tehdashalleissa tarvittava jäähdytysilman massavirta on huomattavasti suurempi. 6.1.1 Tuulettimen valinta Pakotetussa konvektiossa jäähdytysilma johdetaan jäähdytettävään laitteeseen yhden tai useamman puhaltimen avulla. Vaikka itse jäähdytysaine eli ilma on ilmaista, puhallin ei sitä ole, joten muutama fakta puhaltimen vallinnasta on tarpeen. Vakiopyörimisnopeudella toimiva puhallin siirtää vakiotilavuuden ilmaa riippumatta laitteen toimintakorkeudesta tai ilmanpaineesta. Ilman massavirta on kuitenkin pienempi, mitä korkeammalla laite toimii, johtuen ilman tiheyden pienenemisestä. Esimerkiksi noustaessa 6000 metriä merenpinnan yläpuolelle, putoaa ilmanpaine alle puoleen, joten puhallin tuottaa puolet siitä ilman massavirrasta, jonka se samalla pyörimisnopeudella tuottaisi merenpinnan tasolla. Mikäli tuulettimen pyörimisnopeutta ei nosteta, kasvaa lämpötilaero kaksinkertaiseksi saattaen aiheuttaa laitteen ylikuumentumisen. Tällaisissa tapauksissa onkin viisainta käyttää muuttuvanopeuksista tuuletinta, joka automaattisesti kasvattaa pyörimisnopeutta ilman tiheyden laskiessa. Kalliit laitteistot on lisäksi varustettu erillisillä lämpökatkaisijoilla, jotka sammuttavat laitteen lämpötilan noustessa liian korkeaksi. Jäähdytysilman lisäksi tuulettimen kautta jäähdytyskanavaan pääsee myös ilman sisältämiä epäpuhtauksia kuten pölyä, tomua, kosteutta ja joskus jopa öljyä. Mikäli epäpuhtauksien
56 pääsyä ei millään tavalla estetä, ne kerääntyvät komponenttien lämmönsiirtopinnoille ja saattavat jopa tukkia jäähdytysilman virtausreitit aiheuttaen ylikuumentumista. Komponentin lämmönsiirtopintaan keräytynyt lika toimii eräänlaisena eristemateriaalina lämmön suhteen, eli lämpö ei pääse tehokkaasti siirtymään komponentin pinnasta ympäristöön. Likaantumisen aiheuttamien haittojen minimoimiseksi käytetään tuloilmasuodatinta. Usein herää kysymys siitä, onko tuuletin järkevämpää sijoittaa jäähdytysilman tulo vai lähtöpuolelle. Yleensä tuuletin on sijoitettu tuloilma-aukkoon. Silloin tuuletin imee ilmaa ulkoa koteloon samalla paineistaen kotelon estäen siten ulkoilman pääsyn kotelon sisään siinä mahdollisesti olevista muista raoista. Kun tuloilma virtaa koteloon ainoastaan yhdestä aukosta on myös suodattimen paikan valinta helppoa. Koska kaikki koteloon tuleva jäähdytysilma virtaa suodattimen läpi, saadaan tuloilman epäpuhtaudet poistettua siitä ja siten estettyä niiden pääsy kotelon sisään. Tuloilma-aukkoon sijoitettu tuuletin imee ympäristöstä suhteellisen viileää ilmaa, joten sillä saavutettava ilman massavirta vakiopyörimisnopeudella on suurempi, kuin poistoilma-aukkoon sijoitetulla tuulettimella saavutettava. Tuloilma-aukkoon sijoitetun tuulettimen toimintalämpötila on matalampi ja siten sen käyttöikä on pidempi kuin poistoilma-aukkoon sijoitetulla tuulettimella. Tuloilma-aukkoon sijoitetun puhaltimen ainoa haitta on se, että tuulettimen moottorin häviöteho lisää hieman tuloilman lämpötilaa ja kasvattaa siten jäähdytettävän systeemin lämpökuormaa. Mikäli tuuletin on sijoitettu poistoilma-aukkoon ei sen oman häviötehon aiheuttamaa lämpökuormaa viedä jäähdytettävän systeemin läpi. On kuitenkin huomattava, että poistoilma-aukkoon sijoitettu puhallin imee jäähdytettävään koteloon alipaineen, joka pyrkii täyttymään kaikista kotelon kuoressa olevista aukoista eli myös paikoista, joissa ei ole suodatinta. Täten laitteen lämmönsiirtopintojen likaantuminen ja siten ajan myötä tapahtuva lämmönsiirtokyvyn lasku on erittäin todennäköistä. Tuulettimen valinnassa on kaksi keskeistä seikkaa: jäähdytettävässä laitteessa tapahtuva staattinen paine-ero, eli systeemin sen läpi kiertävälle ilmalle aiheuttama kokonaisvastus ja tarvittava jäähdytysilman tilavuusvirta. Aksiaaliset tuulettimet ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, pieniä ja kevyitä sekä hinnaltaan halpoja. Niillä aikaansaadaan suuri tilavuusvirta, mutta ne soveltuvat ainoastaan pienelle staattiselle paine-erolle. Aksiaalisten tuulettimien pyörimisnopeus on usein korkea, joten ne ovat varsin äänekkäitä. Radiaali- tai keskipakotuulettimilla saadaan tuotettua korkeita tilavuusvirtoja suuren staattisen paine-eron omaaviin systeemeihin suhteellisen pienillä pyörimisnopeuksilla. Radiaalituulettimet ovat kuitenkin aksiaalituulettimia suurempia ja painavampia, rakenteeltaan kompleksisempia sekä hinnaltaan kalliimpia. Tuulettimien suorituskyky ilmoitetaan karakterististen käyrien avulla. Eräs tällainen käyräparvi on esitettynä kuvassa 6.5. Huomaa, että tuuletin kehittää suurimman staattisen paine-eron tilavuusvirran ollessa nolla. Tämä kuvaa rajatapausta, jossa jäähdytettävän kotelon poistoilma-aukot on tukittu. Tilavuusvirta kasvaa kun tuulettimen staattinen paine-ero pienenee ja saavuttaa maksimin pisteessä, jossa tuulettimeen ei kohdistu virtausta vastustavaa resistanssia.
57 Staattinen paine Puhaltimen staattinen paine Systeemin aiheuttama virtausvastus Puhaltimen toimintapiste Kuva 6.5. Tuulettimen karakteristiset käyrät. Ilman tilavuusvirta Kaikki elektroniikkalaitteiden kotelot aiheuttavat tietyn virtausvastuksen puhaltimen tuottamalle ilmavirtaukselle. Virtausvastuksen käyrämuoto on muodoltaan parabolinen ja sen aiheuttama painehäviö on likimain virtausnopeuden neliö. Tuulettimen on kumottava systeemin aiheuttama virtausvastus, jotta koteloon syntyy ilmavirtaus. Pakotettuun konvektioon perustuvan jäähdytysjärjestelmän suunnittelijan onkin määritettävä systeemin virtausvastusta kuvaava käyrä. Virtausvastuskäyrä saadaan varsin tarkasti määritettyä mittaamalla staattinen paine-ero tilavuusvirran funktiona. Tuulettimen toimintapisteessä systeemin virtausvastuskäyrä ja tuulettimen staattista painetta kuvaava käyrä leikkaavat toisensa. Tarvittava tilavuusvirta voidaan määrittää pelkästään lämmönsiirtotehon asettaman vaatimuksen perusteella käyttämällä systeemin lämpötehoa ja suurinta sallittua jäähdytysilman lämpötilannousua. Kun tarvittava tilavuusvirta ja staattinen paine-ero tiedetään voidaan vaatimukset täyttävä tuuletin valita valmistajien kuvastoista. Seuraavassa on esitetty muutamia yleisohjeita pakotettuun konvektioon perustuvan jäähdytysjärjestelmän suunitteluun. 1. Ennen tuulettimen valintaa tarkista, voidaanko järjestelmä jäähdyttää vapaalla konvektiolla. Mikäli vapaalla konvektiolla saatava jäähdytysteho on riittävä, käytä sitä. Tällöin vältät tuulettimeen liittyvät haittatekijät, kuten kunnossapitotarpeen, melun, tehonkulutuksen ja mahdolliset toiminnalliset häiriöt. 2. Valitse teholtaan sopiva tuuletin, ei siis yli- tai alimitoitettua. Alimitoitettu tuuletin aiheuttaa systeemin liiallisen lämpiämisen ja saattaa siten aiheuttaa ongelmia. Ylimitoitettu tuuletin takaa riittävän jäähdytystehon, mutta se vaatii suuren tilan, on kallis ja on tehonkulutukseltaan suurempi. 3. Mikäli tuulettimen moottorin tuottaman häviötehon aikaansaama jäähdytysilman lämpötilannousu on systeemin jäähdytyksen kannalta hyväksyttävä, asenna tuuletin kotelon tuloilma-aukkoon. Tällöin ilman suodatus helpottuu ja kotelon paineistuksen ansiosta ylimääräisen ilman sekä lian pääsy koteloon estyy. 4. Sijoita ja mitoita ilman tulo- ja poistoaukot siten, että niiden avulla saavutetaan riittävä ilmavirtaus kaikkialla kotelossa. Halutuille alueille voidaan ohjata lisäilmaa suurentamalla tuloilma-aukkoa tässä kohdassa. Poistoilma-aukon koko on oltava yhtä suuri kuin tuloilma-aukon, jotta vältytään virtauksen kuristumiselta.
58 5. Sijoita kaikkein herkimmät komponentit tuloilma-aukon läheisyyteen. Kaikkein eniten tehoa kuluttavat ja siten myös korkeimmassa käyttölämpötilassa olevat komponentit tulee sijoittaa poistoilma-aukon läheisyyteen. 6. Asettele piirikortit koteloon siten, että niiden aiheuttama virtausvastus minimoituu, jolloin ilman virtaus maksimoituu toimittaessa tuulettimen vakiopyörimisnopeudella. Pidä huolta, ettei kotelon sisään pääse muodostumaan ilmataskuja. 7. Ota huomioon jäähdytettävän laitteen käyttökorkeus jäähdytystä suunniteltaessa. 8. Yritä välttää virtauskanavan osia (turhat nurkat, terävät mutkat, äkilliset virtauskanavan supistukset ja laajennukset), jotka lisäävät systeemin virtausvastusta sekä suuria virtausnopeuksia (> 7 m/s), koska virtausvastus on melkein suoraan verrannollinen virtausnopeuteen. Vältä myös hyvin pieniä virtausnopeuksia, sillä liian pieni virtausnopeus heikentää lämmönsiirtotehoa sekä auttaa osaltaan lian tarttumista komponenttien pintaan. 9. Suunnittele systeemi siten, että vapaa konvektio auttaa pakotettua konvektiota. Esimerkiksi aseta piirikortit kotelossa aina pystysuoraan asentoon ja puhalla jäähdytysilma niiden alta. 10. Kun jäähdytysjärjestelmässä tarvitaan kahta tai useampaa tuuletinta muista, että sarjaan kytketyt tuulettimet vahvistavat saavutettavaa staattista painetta ja soveltuvat siten suuren virtausvastuksen omaavien järjestelmien jäähdytykseen. Rinnan olevat tuulettimet kasvattavat ilman virtausta, joten ne soveltuvat pienen virtausvastuksen omaaviin järjestelmiin. 6.2 Jäähdytyslevyt Jäähdytyslevyt ovat kaikkein yksinkertaisin jäähdytysmuoto pintakonvektion jälkeen elektroniikkalaitteille. Tyypillinen jäähdytyslevy on massiivinen metallikappale, jonka lämmönsiirtopinta-alaa on kasvatettu rivoittamalla. Jäähdytyslevyjä voidaan valmistaa sekä muotoilla monella eri tavoin, mutta jäähdytyslevyn päätarkoituksena on aina lisätä lämmönsiirtoa jäähdytyslevyn pinnasta ulommaiseen jäähdytysaineeseen, joka yleensä on jäähdytyslevyä ympäröivä ilma. Pääosa jäähdytyslevyistä on valmistettu alumiinista. Alumiini johtaa erinomaisen hyvin lämpöä, on kevyt ja suhteellisen halpa materiaali. Kuparilla on alumiinia parempi lämmönjohtavuus, mutta sen korkean hinnan vuoksi se ei ole kovin yleinen materiaali. Kun verrataan alumiinia teräkseen, niin terästä tarvittaisiin kaksinkertainen ja ruostumatonta terästä nelinkertainen määrä alumiiniin verrattuna, jotta saavutettaisiin sama jäähdytysteho. Toinen tärkeä asia parametri jäähdytyslevyn tehokkuutta arvioitaessa on materiaalin lisäksi sen lämmönsiirtopinta-ala. Mitä suurempi on jäähdytyselementin lämmönsiirtopinta-ala, sitä tehokkaampaa on lämmönsiirto jäähdytyslevystä ympäristöön konvektion ja säteilyn avulla. Eri lämmönsiirtomuotojen tehokkuus on kuitenkin vahvasti riippuvainen kappaleen ja ympäristön lämpötiloista sekä pinnan säteilyominaisuuksista. 6.2.1 Lämpöresistanssi Alla on esitetty lämpöresistanssin määrittämiseen liittyviä termejä.
59 Q [W] = Lämpöteho, joka siirrettävä pois komponentista. T j [ C] = Komponentin puolijohderajapinnan maksimilämpötila. T c [ C] = Komponentin kotelon lämpötila. T s [ C] = Jäähdytyslevyn maksimilämpötila. T a [ C] = Ympäröivän ilman lämpötila. Lämpöresistanssi määritellään seuraavasti R = T, (6.6) Q missä T on pisteiden välinen lämpötilaero. Jäähdytyslevyjen tapauksessa lämpöresistanssin voidaan mieltää jäähdytyslevyjen hyvyyttä kuvaavana suureena. Jos tarkastellaan lämpöresistanssin yksikköä C/W, voidaan todeta, että mitä pienempi on jäähdytyslevyn lämpöresistanssi, sitä vähemmän yhden watin teho lämmittää sitä eli sitä paremmin jäähdytyslevy kykenee haihduttamaan lämpöä. Yleensä jäähdytyslevyjen valmistajat ilmoittavat jäähdytyslevyn lämpöresistanssin datalehdissä. Kuvassa 6.6 on esitettynä lämpöresistanssien avulla muodostettu piiri jäähdytyslevystä, komponentista ja kotelosta. T a T a R sa T s T s R cs T c T c T j R jc Kuva 6.6. Lämpöresistanssien avulla muodostettu piirimalli komponentin liitoksesta ulommaiseen jäähdytysfluidiin. T j Kuvassa 6.6 komponentin koteloon on kiinnitetty jäähdytyslevy, jonka kautta lämpö siirtyy ympäröivään ilmaan joko vapaalla tai pakotetulla konvektiolla ja säteilylämmönsiirrolla. Kuvaan on myös piirretty ekvivalenttinen piiri, jossa on eri osien väliset lämpöresistanssit. Puolijohdekomponentin liitoksen ja kotelon välinen lämpöresistanssi määritellään seuraavasti R jc Tjc Tj Tc = = (6.7) Q Q Tämän arvon ilmoittaa yleensä valmistaja. Samalla tavalla määritellään myös resistanssit kotelosta jäähdytyslevyyn (kutsutaan usein liitosresistanssiksi) ja jäähdytyslevystä ilmaan
60 R cs Tcs Tc Ts = = (6.8) Q Q ja R sa Tsa Ts Ta = =. (6.9) Q Q Lämpöresistanssi komponentista ilmaan on yhtälöiden (6.7-6.9) summa R ja Tj Ta = Rjc + Rcs + R sa = (6.10) Q 6.2.2 Jäähdytyslevyn terminen resistanssi Jäähdytyslevyä valittaessa, tulee ensin määrittää jäähdytyslevyn haluttu lämpöresistanssi. Muokkaamalla yhtälöä (6.10) saadaan R sa T T Q s a = Rjc Rcs (6.11) Valmistaja ilmoittaa datalehdissään T j, Q ja R jc -arvot ja T a sekä R cs on suunnittelijan määritettävä itse. Ympäröivän ilman lämpötila T a riippuu ympäristöstä, jossa komponenttia käytetään. Tyypillisesti T a vaihtelee 35 45 C välillä, jos komponentti on vapaassa ilmassa ja 50 60 C välillä, jos komponentti on koteloituna tai toisen lämpöä tuottavan laitteen läheisyydessä. Liitosresistanssin tarkka määrittäminen on vaikeaa, koska se riippuu monista asioista, kuten kotelon ja jäähdytyslevyn välisen liitoksen ominaisuuksista (mahdolliset ilmataskut), pintojen viimeistelystä ja kosketuspinta-alasta sekä liitosaineen materiaalista ja paksuudesta. Jäähdytyslevy- ja liitosainevalmistajilta saa arvoja liitosresistanssille. Kun halutaan, että valmistajan ilmoittama komponentin maksimilämpötila ei ylity, niin tulee valita jäähdytyslevy, jonka lämpöresistanssi on yhtä suuri tai pienempi kuin yhtälöstä (6.11) saatu jäähdytyslevyn maksimiresistanssi R sa. 6.2.3 Jäähdytyslevyn valintakriteerejä Jäähdytyslevyn valintaan vaikuttaa sen lämpöresistanssin lisäksi myös jäähdytyslevyn jäähdytyskyky sekä tilan koko, jonne jäähdytyslevyn tulisi mahtua. Lisäksi hankintakustannukset vaikuttavat jäähdytyslevyn valintaan. On kuitenkin muistettava, ettei yksittäiselle jäähdytyslevylle voida antaa tarkkaa kaikissa olosuhteissa pätevää lämpöresistanssin arvoa, sillä lämpöresistanssi vaihtelee levyn jäähdytysolosuhteiden mukaan.
61 Jäähdytyslevyä valittaessa tulee ottaa huomioon, että millainen ilman virtaus on jäähdytyslevyn pinnalla. Kuten aiemmin on esitetty, voidaan virtaus jaotella luonnolliseen ja pakotettuun osaan. Luonnollinen virtaus on kyseessä silloin, kun käytössä ei ole erillisiä puhallus- tai tuuletuslaitteita. Pakotetussa virtauksessa puolestaan käytetään puhaltimia ja tuulettimia. Taulukossa 6.1 on esitetty tilavuudesta riippumattoman lämpöresistanssin arvoja eri virtaustyypeille ja virtausnopeuksille. Taulukko 6.1. Tilavuudesta riippumattoman lämpöresistanssin arvoja. Ilman virtausnopeus [m/s] Tilavuudesta riippumaton lämpöresistanssi [cm 3 C/W] Luonnollinen virtaus 500-800 1,0 150-250 2,5 80-150 5,0 50-80 Jäähdytyslevyn koon karkea arvio saadaan jakamalla taulukon 1 tilavuudesta riippumattoman lämpöresistanssin arvo yhtälöstä (6.11) saatavalla jäähdytyslevyn lämpöresistanssilla. Arvio on vain karkea, koska myös levyn materiaali ja muoto sekä pinnan viimeistely vaikuttavat lopputulokseen. Jäähdytyslevyn optimointiin vaikuttaa myös hyvin paljon jäähdytyslevyn ripojen tiheys. Optimaalinen jäähdytysripojen etäisyys riippuu kahdesta parametrista: virtauksen nopeudesta ja ripojen pituudesta ilmavirran suunnassa. Taulukossa 6.2 on esitetty ilman virtauksen vaikutus jäähdytysripojen pituuden kanssa ripojen tiheyteen. Taulukko 6.2. Ilman virtauksen ja jäähdytyslevyn ripojen pituuden vaikutus ripojen tiheyteen [mm]. Ilman virtausnopeus Rivan pituus [mm]/ripajako [mm] [m/s] 75 150 225 300 Luonnollinen virtaus 6,5 7,5 10 13 1,0 4,0 5,0 6,0 7,0 2,5 2,5 3,3 4,0 5,0 5,0 2,0 2,5 3,0 3,5 Jäähdytyslevyn keskimääräinen jäähdytysteho kasvaa lineaarisesti jäähdytyslevyn virtausta vastaan kohtisuoran leveyden suhteen. Lisäksi keskimääräinen jäähdytysteho riippuu virtauksen suunnassa olevan rivan pituuden neliöjuuresta. Mikäli jäähdytyslevyn leveys tuplataan, kasvaa levyn keskimääräinen jäähdytysteho kertoimella kaksi. Rivan pituuden tuplaaminen kasvattaa vastaavasti keskimääräistä jäähdytystehoa kertoimella 1.4. Tästä voidaan päätellä jäähdytyslevyn leveyden kasvattamisen olevan ripojen pituuden kasvattamista taloudellisempaa jäähdytystehoa suurennettaessa. Myös säteilemällä poistumalla lämmöllä on merkitystä varsinkin luonnollisen virtauksen tapauksessa. Säteilyn osuus voi olla jopa 25 % jäähdytystehosta. On tärkeää, että jäähdytyslevyn pinta on käsitelty maalaamalla tai eloksoimalla mahdollisimman hyvin lämpösäteilyä lähettäväksi.
62 6.2.4 Jäähdytyslevyjen luokittelu Jäähdytyslevyt voidaan jaotella valmistusmenetelmien sekä muotojen perusteella. Yleisimpien ilmajäähdytteisten jäähdytyslevyjen jako valmistustekniikan mukaan: Meistäminen (stampings): Kupari- tai alumiinilevyt painetaan haluttuun muotoon. Käytetään perinteisissä ilmajäähdytteisissä elektroniikkakomponenteissa ja ne ovat edullinen ratkaisu alhaisen jäähdytyskyvyn laitteisiin. Ne sopivat massatuotantoon, koska niiden valmistus on halpaa. Lisäksi niiden asentaminen on yksinkertaista. Puristus (extrusion): Tämä valmistustekniikka mahdollistaa kaksiulotteisten muotojen tekemisen, jolloin lämmönhaihdutus on suurta. Puristustekniikka rajoittaa jäähdytysripojen tiheyden ja paksuuden tiettyihin alarajoihin. Elementtijäähdytyslevyt (bonded/fabricated fins): Näissä korkean suorituskyvyn omaavissa jäähdytyslevyissä hyödynnetään lämmönjohtavaa alumiinitäytteistä epoksia, josta jäähdytysrivat valmistetaan. Rivat kiinnitetään levyn uritettuun pohjaan. Tällä tavoin saadaan enemmän pinta-alaa ja huomattavasti suurempi jäähdytyskyky edelliseen menetelmään verrattuna ilman, että levyn kokoa kasvatetaan. Valetut (castings): Valamalla valmistetaan jäähdytyslevyjä alumiinista tai kuparista/pronssista. Tällä tekniikalla pystytään valmistamaan korkean jäähdytysripatiheyden omaavia jäähdytyslevyjä. Aallotetut jäähdytyslevyt (folded fins): Alumiini- tai kuparilevystä valmistetut rivat lisäävät jäähdytyslevyn pinta-alaa. Jäähdytysrivat asennetaan jäähdytyslevypohjaan tai suoraan jäähdytettävään komponettiin liimaamalla tai juottamalla. Sallii suuren suorituskyvyn jäähdytyslevyjen valmistamisen sovelluskohtaisesti. Kuvassa 6.7 on esitettynä erilaisia jäähdytyslevyjä. a) Materiaali: eloksoitu alumiini Koteloille: TO-126 / TO-220 Lämpöresistanssi 31 C/W Mitat (P*L*K): 19x19x10 mm b) Materiaali: eloksoitu alumiini Koteloille: TO-126 / TO-220 Lämpöresistanssi 7 C/W Mitat (P*L*K): 25x32x20 mm
63 c) Materiaali: eloksoitu alumiini Suuri jäähdytyslevy Lämpöresistanssi 4,5 C/W Mitat (P*L*K): 50x63x25 mm d) Materiaali: eloksoitu alumiini IC-piireille Koteloille: DIL-14 / DIL-16 Lämpöresistanssi 31 C/W Mitat (P*L*K): 21x10,5x7,3 mm e) Materiaali:kupari Mitat (P*L*K): 12x17,3x2,75 mm f) Materiaali: alumiini/kupari 80/92mm laitetuulettimille Lämpöresistanssi : jäähdytyslevy ja tuuletin 0,3 C/W Mitat (P*L*K): 75 x 75 x 41.5mm Kuva 6.7. Kuvissa a) d) on erilaisia alumiinista valmistettuja jäähdytyslevyjä. Kuvassa e) kuparista valmistettu jäähdytyslevy. Kuvassa f) on Swiftech:n jäähdytin, joka on suunniteltu maksimaaliseen jäähdytykseen hiljaisilla 80/92mm laitetuulettimilla. 6.2.5 Lämmönsiirtotehokkuus Erilaisten jäähdytyslevyjen ominaisuudet eri tuuletusolosuhteissa vaihtelevat paljon. Tämän vuoksi on määritelty termi lämmönsiirtotehokkuus kuvaamaan erilaisten jäähdytyslevyjen tehokkuutta Q η =, (6.12) q c T m p sa missä q m on ilman jäähdytyslevylle tuleva massavirta, c p on fluidin (ilman) ominaislämpökapasiteetti ja T sa jäähdytyslevyn ja ympäröivän ilman keskimääräinen lämpötilaero. Erilaisten jäähdytyslevyjen lämmönsiirtotehokkuuden arvoja on esitetty taulukossa 6.3.
64 Taulukko 6.3. Jäähdytyslevyjen lämmönsiirtotehokkuuksia. Jäähdytyslevytyyppi η [%] Meistetyt (stampings) jäähdytyslevyt 10-18 Rivalliset muottiin puristetut (extrusion) 15-22 jäähdytyslevyt Tuuletin käyttöön tehdyt jäähdytyslevyt 25-32 Kanavilla varustetut jäähdytyslevyt 45-58 Kanavoiduilla rivoilla varustetut sekä elementtijäähdytyslevyt 78-90 6.2.6 Jäähdytyslevyn ominaiskuvaaja Jäähdytyslevyjen valmistajat antavat kuvan 6.8 mukaisia ominaiskäyriä suunnittelijan avuksi. Ilmavirtauksen nopeus [m/s] 100 0 1 2 3 4 5 20 Lämpötila [ C] 80 60 40 20 16 12 8 4 Terminen resistanssi [ C/W] 0 0 1 2 3 4 5 Haihdutettava lämpöteho [W] 0 Kuva 6.8. Jäähdytyslevyn ominaiskäyrästö. Kuvassa 6.8 on yhdistettynä kaksi erillistä käyrää. Oletuksena on, että jäähdytyslevy on asennettu oikein sekä virtauksen suunta on levyyn nähden oikea. Alhaalta nollasta lähtevä käyrä kuvaa jäähdytyslevyn lämpötilan T sa nousun haihdutettavan lämpötehon Q funktiona luonnollisessa konvektiossa. Oletuksena on myös, että jäähdytyslevy on maalattu tai eloksoitu mustaksi (säteilyn osuus maksimoitu). Laskeva käyrä kuvaa puolestaan pakotetun konvektio lämpöresistanssia ilmavirtauksen nopeuden funktiona. Pakotetussa virtauksessa T sa on suoraan verrannollinen haihdutettavaan lämpötehoon Q ja R sa on ainoastaan riippuvainen virtausnopeudesta. Kuitenkin luonnollisessa virtauksessa ilmiö on epälineaarinen, joten tämän vuoksi T sa on esitettävä Q:n funktiona.
65 Suunnittelija voi hyödyntää ominaiskäyrästöjä valitessaan sopivaa jäähdytyslevyä sekä pakotetun konvektion tapauksessa määrittäessään tarvittavan virtauksen miniminopeuden. Jos pakotetussa konvektiossa vaadittu terminen resistanssi on 8 C/W, nähdään kuvaajasta, että tuuletuksen virtausnopeuden tulisi olla vähintään 2,4 m/s. Luonnollisen konvektion tapauksessa jäähdytyslevyn tunnettu lämpöresistanssi R sa kerrotaan haihdutettavalla lämpöteholla Q, jonka tuloksena saadaan maksimilämpötila T sa. Kuvan 6.8 kuvaajassa pitäisi näillä samoilla T sa :n ja Q:n arvoilla pysyä lämpötila-tehokäyrän yläpuolella, jotta jäähdytyslevy olisi riittävän suuri. Lähteet Seri Lee, Aavid Thermal Technologies. How to select a heat sink. [Verkkodokumetti]. [Viitattu 8.12.2005] Saatavissa: http://www.electronicscooling.com/resources/ec_articles/jun95/jun95_01.htm http://www.epanorama.net/links/basics.html#cooling Vaasan elektroniikkakeskus Oy. Saatavissa: http://www.vekoy.com/default.php http://www.heatsink.com/downloads/ermbrochure2004.pdf SwiftTech. Saatavissa: http://www.swiftnets.com/products/mcx462-v.asp