Manieren om elektronische apparaten te koelen

Voor doeltreffende koeling van elektronische apparatuur is het belangrijk om een geschikte oplossing kiezen die passend is qua effectiviteit en technische parameters. Fabrikanten leveren oplossingen die voorzien in specifieke behoeften en voldoen aan zeer strenge eisen. In dit artikel gaan we het hebben over de beschikbare oplossingen en hun sterkste punten.

• Waarom koelen belangrijk is
• Manieren van het koelen van elektronica
• De juiste keuze voor koeling van elektronica

Geavanceerde elektronische systemen en hun uitdagingen
Doordat de technologie zich blijft ontwikkelen, moeten computers steeds grotere hoeveelheden gegevens kunnen verwerken. Ze moeten ingewikkelde taken uitvoeren terwijl fabrikanten er juist naar streven om apparatuur steeds kleiner te maken, bij voorkeur pocket size. Ooit namen computers volledige ruimtes in beslag en voerden ze slechts eenvoudige berekeningen uit. Nu zijn ze kleiner dan onze hand maar zijn hun mogelijkheden bijna onbeperkt geworden. Wat onveranderd blijft, is dat het elektronische systeem warmte genereert. Aangezien de rekenkracht alsmaar toeneemt, wordt ook de hoeveelheid afgegeven warmte steeds groter. We vertellen niets nieuws als we zeggen dat overmatige warmte een van de een van de grootste vijanden van een elektronisch systeem is. Het leidt namelijk tot snellere slijtage van elektronische onderdelen als transistors, resistors en relais. In bepaalde situaties kan een hoge temperatuur een besturingssysteem zelfs onherstelbaar beschadigen. Reparatie blijkt in dat geval vaak niet de investering waard. Wanneer we computers van enkele decennia geleden vergelijken met die van nu, werkten de 20e eeuwse apparaten met hun uitgebreide koelsystemen onder veel gunstiger omstandigheden dan de computers van nu.

Vandaag de dag bepalen elektronische systemen het functioneringstempo van mensen, zorgen ze voor veiligheid en maken ze verdere technische ontwikkeling mogelijk. Om downtime te voorkomen en zo efficiënt mogelijk te blijven, is juiste koeling en bescherming tegen oververhitting essentieel. De vereisten voor mobiele apparatuur en geavanceerde industriële systemen maken dat fabrikanten er alles aan doen om de beste oplossing te vinden voor het handhaven van veilige temperaturen van de meest gevoelige systeemonderdelen.

Koelsystemen op maat
In elektronische systemen wordt gebruikt gemaakt van enkele veel voorkomende koelsystemen en warmteverspreidingsinstallaties. Deze verschillen met name in omvang, wat een van de belangrijkste factoren van koelsystemen voor een bepaalde toepassing is, naast het koelmedium en de doeltreffendheid van de warmteafvoer. Om de juiste keuze te kunnen maken en optimaal te profiteren, moet je kijken naar de karakteristieken en belangrijkste voordelen van elke optie.

Bij het kiezen van een koelsysteem komen we meestal de volgende varianten tegen:

1. Ventilatoren
Ventilatoren zijn basale koelapparaten die we in elk huishoudelijk apparaat en industriebedrijf aantreffen. De primaire en meest gebruikte functie van ventilatoren in elektronische apparatuur is het afvoeren van warmte. Ze zitten zowel in desktopcomputers als laptops. De aanwezigheid van een ventilator blijkt meestal zodra we een zwaar programma of game starten. De computer gaat op volle toeren draaien, waardoor er meer warmte-energie wordt gegenereerd.. De ventilator verwijdert dan in automatische modus warmte vanuit het apparaat af zodat processen door kunnen gaan en warmtegevoelige elektronische systemen beschermd blijven.

Ventilatoren zijn apparaten met een motor die de rotorbladen aandrijft. De convectielucht die ontstaat door de draaiende rotor, leidt tot `spreiding en het wegblazen van warmte die wordt gegenereerd door het elektronische apparaat. De warmte-energie wordt vervolgens afgevoerd door een rooster in de behuizing. De ventilatorbeweging wordt in gang gezet door een temperatuursensor. Zodra er een bepaalde waarde overschreden wordt, begint de rotor te draaien en wordt het apparaat gekoeld. De hoeveelheid door de ventilator verwerkte lucht wordt berekend in kubieke meters per uur m³/h.

Een belangrijk voordeel van een ventilator is het feit dat deze ook “stofzuigt” in de computereenheid. Om goed te kunnen blijven werken, moeten de rotorbladen dan ook regelmatig van ophopende stof worden ontdaan.

Merk ook op dat de huidige ventilatoren van toonaangevende fabrikanten strenge tests moeten doorstaan op het gebied van lawaai. Zo weet de producent dat hun werking niet hinderlijk iszal zijn voor de eindgebruiker. Lawaai zal echter toenemen naarmate de ventilator en hoeveelheid te verwerken lucht groter worden.

Het gebruik van actieve koeling betekent daarnaast een risico op beschadiging van een van de elementen van de ventilator. Dit kan de aandrijving of de rotor zelf zijn. Dit risico loop je niet in het geval van passieve koeling, waarover meer in het vervolg van deze tekst.

2. Radiatoren
Een ander veelgebruikt koelonderdeel is een radiator. Deze is gemaakt van metalen ribben en wordt in de regel gebruikt in combinatie met de hierboven beschreven ventilator om de warmteafvoer efficiënter te maken. Radiatoren zijn meestal vervaardigd uit aluminium.

Nu rijst de vraag op welke manier dit apparaat invloed uitoefent op de warmte-afname van verhitte elektronische elementen. Volgens de principes van warmtewisseling betekent een groter absorptieoppervlak van warmtestraling een grotere koelefficiëntie. Een radiator heeft dankzij zijn ribben een zo groot mogelijk oppervlak voor warmtewisseling. Het is dan ook niet verwonderlijk dat een grotere radiator intensievere koeling betekent. De grootste beperking wordt gevormd door de afmetingen van het apparaat waarin ze geplaatst worden. Een ander heel belangrijk aspect is de afstand tussen de radiator en het verwarmde onderdeel. Hoe kleiner deze is, hoe beter de warmteafvoer. Om de temperatuuroverdracht te maximaliseren, wordt op beide oppervlakkenthermisch geleidende tape aangebracht.

In een installatie met ventilator absorbeert de radiator massa’s hete lucht die door de ventilator worden aangeblazen, waarna deze warmte wordt verspreid over de omgeving.

3. Peltierelement
Een zeer interessante oplossing voor het koelen van elektronische systemen is een Peltiermodule. Dit apparaat is opgebouwd uit parallelle keramische plaatjes met daartussen om en om geplaatste n- en p-halfgeleiders. Het directe contact wordt verzorgd door koperen plaatjes die elektronen transporteren. De lopende elektriciteit dwingt een temperatuurwisseling tussen de contacten van de verschillende halfgeleiders af. De hoofdzakelijke voordelen van deze koelmethode zijn de defectbestendige, relatief kleine en compacte constructie en het niet hoeven gebruiken van een koelmiddel. Een andere belangrijke eigenschap is de mogelijkheid om Peltierelementen uit te breiden met meerdere modules. De “warme” kant van de ene module zit dan tegen de “koude” kant van de volgende. Het warmteabsorptievermogen hangt af van de beschikbare plek en de stroomsterkte.

Peltierelementen worden gebruikt voor veeleisende omgevingen, bijvoorbeeld daar waar veel stof is. Een voorbeeld in het dagelijks leven tref zijn mobiele koelkastjes maar ook veel geavanceerdere systemen die precieze temperatuurregeling vereisten zoals stroomgeneratoren.

4. Koeling met vloeistof
Doeltreffende warmteafvoer in geavanceerde elektronische systemen met groot vermogen vereist een hoge koelefficiëntie. Daarbij is het goed om te weten dat de warmtecapaciteit van de lucht, oftewel de hoeveelheid energie die lucht op kan slaan, ca. 1 kj/m³  bedraagt terwijl water een capaciteit heeft van 4000 kj/m³ . Met die kennis is het niet verbazend dat heavy duty elektronische installaties gebruik maken van koelsystemen met vloeistof. Deze zogenaamde waterblokken worden ontworpen door in een goed sluitende behuizing een radiator onder te dompelen in water of een andere koelvloeistof. De vloeistof beweegt door een pompsysteem. Vloeistofkoelingen moeten uiterst precies worden ontworpen. De elektrische systemen mogen namelijk niet in aanraking komen met water. Zelfs als het systeem gevuld is met een stof die geen stroom geleidt en het contact met deze stof het apparaat niet beschadigt, leidt het verlies van koelmiddel tot onderbreking van het koelproces. Deze oplossing tref je bijvoorbeeld aan in computers die als taak hebben om gecompliceerde berekeningen uit te voeren en simulaties te maken ten behoeve van de technische en onderzoeksindustrie.

5. Heat pipes
Een heat pipe is een eenvoudig apparaat voor het afvoeren van warmte door middel van convectie. Hoewel deze technologie al bekend was in de jaren ‘40 van de vorige eeuw, begon de industriële toepassing pas zo’n 20 jaar later. Heden ten dage worden heat pipes gebruikt in allerlei sectoren, van de koel- en verwarmingsindustrie tot in moderne computers en zelfs voor de ruimtevaart.

Een warmtebuisje bestaat uit drie zones:

• verdampingszone (verdamper)
• overgangszone – warmtetransport zonder wisseling met de omgeving (adiabatisch) 
• condensatiezone (condensator).
  

De warmte wordt geabsorbeerd in de verdamper, waarin het vloeibare middel verdampt. De druk in de verdamper is hoger dan de druk in de condensator. Het ontstane drukverschil maakt dat de damp zich naar de condensatiezone verplaatst, waar deze weer wordt omgezet in druppels en warmte afgeeft aan de bovenste bron.

Warmtebuisjes worden gebruikt in ruimteschepen, de chemische industrie en de energie.

De rol van koeling voor het functioneren van elektronica
Overmatige warmte in apparatuur verkort de levensduur, beperkt de mogelijkheden en leidt dikwijls tot beschadiging van elektronische systemen. De juiste keuze van koelelementen zorgt ervoor dat je al deze negatieve gevolgen kunt voorkomen. Voor ontwerpers is dit een grote uitdaging omdat er rekening moet worden gehouden met vele factoren, waaronder de technische eigenschappen van het apparaat en de afmeting. Ook moeten er allerlei berekeningen worden uitgevoerd. Wel is het zo dat wij als gebruiker ook met de beste warmteafvoersystemen een enorme invloed kunnen uitoefenen op de levensduur van onze apparaten door te zorgen voor voldoende ruimte voor luchtcirculatie en apparatuur alleen te gebruiken waarvoor het bedoeld is.

De tekst is opgesteld door Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.