מבוא לניהול תרמי

מערכות אלקטרוניקה נעשות צפופות יותר וחמות יותר, כשהמשמעות היא שמערכות רבות ידרשו שיטה כלשהי לניהול החום האמור. בעוד שפיתוח פתרון ניהול תרמי אינו הכרחי עבור כל תכן, הבנה בסיסית של האופן שבו חום נוצר, מועבר ומסולק היא חיונית כדי למנוע נזק לרכיבים העיקריים בטמפרטורות גבוהות. בסופו של דבר, ניהול תרמי צריך להישקל בשלבי התכנון המוקדמים ולא כפתרון "אגד מדבק" בתכן הסופי.

יסודות הניהול התרמי

ככל שנדרש יותר ממערכות אלקטרוניות, התיאוריה מכתיבה שלוש דרכים להעברת חום ובכך לקירור רכיבים: הולכה, הסעה וקרינה.

ראשית, ואולי שיטת העברת האנרגיה היעילה ביותר, הולכה מעבירה אנרגיה תרמית באמצעות מגע פיזי בין שני עצמים כאשר העצם הקר יותר סופג באופן טבעי אנרגיה מהעצם החם יותר. באופן כללי, שיטה זו דורשת את שטח הפנים הקטן ביותר כדי להעביר את האנרגיה הגדולה ביותר.

איור 1: הולכה באופן מעשי. (מקור התמונה: Same Sky)

שנית, הסעה (קונבקציה) מפזרת אנרגיה תרמית באמצעות תנועת האוויר. כאשר אוויר קר יותר חולף על פני עצם חם יותר, הוא שואב חום מהעצם ונושא אותו כשהוא ממשיך לנוע דרך ההתקן. שיטה זו יכולה להתבצע על ידי הסעת אוויר טבעית או הסעת אוויר מאולצת באמצעות מאוורר.

איור 2‏: הסעה באופן מעשי. (מקור התמונה: Same Sky)

שלישית, קרינה היא פליטת אנרגיה כגל אלקטרומגנטי. בהשוואה, שיטה זו היא לא כל כך יעילה וברוב החישובים התרמיים מתעלמים ממנה מכיוון שהיא בדרך כלל ישימה רק בוואקום, שבו הולכה והסעה אינן אפשרויות. בעיקרון, קרינה היא העברת חום באמצעות גלים אלקטרומגנטיים הנוצרים כאשר חלקיקים חמים רוטטים.

איור 3‏: קרינה באופן מעשי. (מקור התמונה: Same Sky)

למרות שהוא אינו אחד משלושת העקרונות התרמיים הבסיסיים שפורטו לעיל, חשוב להזכיר גם התנגדות תרמית, או אימפדנס תרמי, המכמתת את היעילות של העברה תרמית בין עצמים ונמצאת בשימוש נרחב בתכנון פתרונות ניהול תרמי. במילים פשוטות, ככל שהאימפדנס התרמי נמוך יותר, כך העברת האנרגיה טובה יותר. תוך שימוש באימפדנס התרמי ובטמפרטורת סביבה נתונה, ניתן לחשב בדיוק כמה הספק ניתן לפזר לפני שמגיעים לטמפרטורות מסוימות.

רכיבי הניהול התרמי

ישנן שלוש גישות פופולריות לקירור מערכות אלקטרוניות: צלעות קירור, מאווררים ומודולי Peltier. כל אחת יכולה לשמש לבדה אך יכולה להגיע ליעילות רבה עוד יותר כאשר הן משולבות יחד.

צלעות קירור זמינות בצורות ובגדלים רבים. הן משמשות לשיפור היעילות של קירור בהסעה הודות להקטנת האימפדנס התרמי בין ההתקנים שאליהם הם מחוברים לבין תווך הקירור, בדרך כלל אוויר. הן עוושת זאת על ידי הגדלת שטח הפנים של ההסעה והן עשויות מחומר בעל אימפדנס תרמי נמוך יותר מאשר מוליכים-למחצה טיפוסיים. העלות של צלעות-קירור היא נמוכה והן כמעט ואינן נשחקות או כושלות, אך הן נוטות להגדיל את נפח המערכות האלקטרוניות שהן מקררות. כרכיבים פסיביים, צלעות-קירור פועלות לרוב עם מאווררים כדי להרחיק את האנרגיה התרמית המתפזרת מהמערכת בצורה יעילה יותר. מאווררים או מפוחים יוצרים זרימה קבועה של אוויר קר טרי מעל צלעות-הקירור כדי לשמור על הפרש הטמפרטורה בינן לבין אוויר הקירור כדי להבטיח המשך העברת אנרגיה תרמית יעילה.

מאווררים ומפוחים זמינים במגוון רחב של צורות וגדלים עם אפשרויות הספק רבות ושונות. המפרט העיקרי הוא זרימת האוויר שהם יכולים ליצור, הנמדדת בדרך כלל ברגל מעוקב לדקה (CFM). לחלק מהמאווררים והמפוחים יש פקדים כך שניתן להתאים את המהירות שלהם בהתאם לצורכי הקירור המיידיים, כחלק ממערכת בקרה מבוססת משוב. מאווררים עוזרים לשפר את הקירור, אך המתכננים צריכים להיות מודעים לכך שהם דורשים הספק ולפעמים מעגלי בקרה. בניגוד לצלעות-קירור, המאווררים יכולים להיות גם רועשים ובעלי חלקים נעים ההופכים אותם למועדים יותר לתקלות.

התקני Peltier הם רכיבי מוליכים-למחצה המשתמשים באפקט Peltier כדי להעביר חום מצד אחד של המודול לצידו אחר. יש לספק להתקני Peltier אנרגיה על מנת להעביר אנרגיה תרמית, שלמעשה מוסיפה חום למערכת, ולכן עדיף להשתמש בהם עם צלעות-קירור ומאווררים. עם זאת, מודולי Peltier יכולים להשיג ויסות טמפרטורה מדויק ויכולים לקרר התקנים מתחת לטמפרטורת הסביבה. בדומה לצלעות-קירור, אין להם חלקים נעים, ולכן הם גמישים וחסונים בפני עצמם, אך ייתכן שיהיה צורך להשתמש בהם עם מאווררים, צלעות-קירור ומעגלי בקרה, המגדילים את העלות והמורכבות. מסיבות אלו, מודולי Peltier שמורים לרוב עבור היישומים התובעניים ביותר, כגון הפקת אנרגיה תרמית מלב מערכות אלקטרוניקה ארוזות בצפיפות.

חישוב דרישות תרמיות

תהיינה דרישות התכן הסופי אשר תהיינה, ישנן גישות מבוססות היטב לתכנון פתרון קירור יעיל עבור מערכות אלקטרוניות. כדי לעזור להדגים כיצד מהנדס יכול לגשת ליצירת פתרון ניהול תרמי משולב, הנה בעיה ופתרון היפותטיים:

דוגמה זו תשתמש בהתקן במארז של 10 מ"מ x‏ 15 מ"מ המייצר חום של 3.3 וואט במצב היציב שלו. טמפרטורת הסביבה של סביבת הפעולה של ההתקן היא 50°C, עם טמפרטורת פעולה אידיאלית של C‏°‏40‏. אסור שאף חלק של המערכת יגיע בטמפרטורה של מעל C‏°‏100‏.

איור 4: גרף ביצועי מודול Peltier מגיליון הנתונים של CP2088-219‏ (מקור התמונה: Same Sky)

משמעותו של מפרט זה היא שיש צורך במודול Peltier כדי להוריד את הטמפרטורה של ההתקן מתחת לטמפרטורת הסביבה. חברת Same Sky מציעה את ה- CP2088-219, מיקרו-מודול Peltier היכול לסלק 3.3 וואט של אנרגיה תרמית ולהפחית את טמפרטורת ההתקן ב- 10°C מתחת לטמפרטורת הסביבה. מודול Peltier מוצמד להתקן באמצעות SF600G‏, חומר ממשק תרמי (TIM) המקטין את האימפדנס התרמי בין ההתקן לאלמנט המקרר. גיליון הנתונים של ה- CP2088-219 (איור 4) מראה שמודול Peltier דורש A‏ 1.2 ב- V‏ 2.5‏, כלומר שפעולתו תוסיף 3 וואט של אנרגיה תרמית למערכת.

כדי לסלק את סך האנרגיה התרמית של 6.3 וואט ממודול Peltier, צלעות-קירור (ה- HSS-B20-NP-12) מוצמדות לצד השני שלו, שוב תוך שימוש ב- SF600G TIM כממשק. ל- TIM יש שטח של 8.8 מ"מ x‏ 8.8 מ"מ, והתנגדות תרמית של מעט פחות מ- W‏/C‏°‏1.08.

לצלעות-הקירור יש התנגדות תרמית של 3.47°C/W, בהנחה שזרימת אוויר על פניהן היא של 200 רגל ליניארי לדקה (LFM).

זה מביא את ההתנגדות התרמית הכוללת של ה- TIM וצלעות-הקירור המשולבות ל- 4.55°C/W.

כדי לספק זרימת אוויר עקבית של LFM‏ 200. ניתן להשתמש במאוורר מסדרת CFM-25B.

המערך מחבר את ההתקן המיועד לקירור למודול Peltier באמצעות TIM. המשטח העליון של מודול Peltier מחובר לצלעות-הקירור באמצעות TIM אחר, וכל המכלל נתון בזרם אוויר של LFM‏ 200 ב- 50°C.

איור 5: פתרון ניהול תרמי באמצעות התקן Peltier, צלעות-קירור, שתי שכבות TIM ומאוורר (מקור התמונה: Same Sky)

באמצעות נתונים אלה, ניתן לחשב את טמפרטורת המצב-היציב של ההתקן. מודול Peltier ישמור על הצד הקר שלו ב- C‏°‏40‏ - במחיר של הוספת 3.3 וואט של חום למכלל. צלעות-הקירור תצטרכנה לפזר חום של 6.3 וואט לסביבת זרימת אוויר של 50°C, עם התנגדות תרמית כוללת בין מודול Peltier לאוויר הסביבה של 4.55°C/W. הכפלה של 6.3 וואט כפול 4.55°C/W קובעת את העלייה בטמפרטורה לעומת הסביבה, שבמקרה זה היא 28.67°C או 78.67°C בסך הכל. זה הרבה מתחת לדרישת ה- 100°C, וכתוצאה מכך מתקבל פתרון ניהול תרמי העונה על צורכי המערכת.

סיכום

ניהול תרמי כבר נחוץ ביישומים לצרכנים כגון קירור, HVAC, הדפסת 3D ומורידי-לחות. הוא משמש גם ביישומים מדעיים ותעשייתיים כגון סייקלרים תרמיים עבור סינתזת DNA ולייזרים בעלי דיוק גבוה. צלעות-קירור, מאווררים ומודולי Peltier יכולים לעזור להבטיח שמערכות אלקטרוניות מורכבות תישארנה בתוך גבולות התכן התרמי שלהן. חברת Same Sky מציעה מגוון של רכיבי ניהול תרמי כדי לפשט את תהליך הבחירה הקריטי הזה.