ELModules©

Kerüljön közelebb az elektronikához, lépésről lépésre!

 

Alkatrészek hűtése

Fizikából ismert tény, hogy amin elektromos áram folyik át, az melegszik is. Ez a melegedés viszont egyes alkatrészek esetében (pl. tápegységek stabilizátorai, erősítők végfokozatai vagy éppen nagyteljesítményű számítógépek processzorai) olyan mérvű is lehet, ami már károsítaná magát az alkatrészt vagy a környezetét, ezért ezeket hűteni kell. A leggyakrabban előforduló megoldás, hogy az alkatrészt hűtőbordára szerelik, ami a keletkezett hőt a lehető leghatékonyabban elvezeti és leadja azt a környezetnek. A hűtőborda legfontosabb jellemzője a hőfoktényező (mértékegysége K/W), ami azt mutatja, hogy 1 W teljesítmény eldisszipálásakor hány foknyit (Celsius vagy Kelvin, az itt mindegy) emelkedik a borda hőmérséklete. A borda annál jobb, minél kisebb ez az érték. A borda – vagy általánosabb hűtőfelületnek hívni – hőleadó képessége – egy sereg egyéb dolog mellett – függ a felület nagyságától. A felület növelése bár egyszerűnek tűnik a megvalósítása, sík lemezeknél akár hatalmas méreteket is kívánhat, ezért a hűtőborda gyártmányoknál ún. profilozással növelik meg a fajlagos felületet. Ezeket a húzott profilokat több méteres szálban, félkész gyártmányként is forgalmazzák vagy különböző járatos méretekre vágva. Ugyanannak a profilnak a hosszabb kivitele jobb (tehát kisebb) hőtényezővel rendelkezik. Arra a fizikai észrevételre alapozva, hogy a fekete test jobb hősugárzó, mint a másmilyen színű, a borda gyártmányokat gyakran színezik feketére. Ez a jó hővezető képessége, könnyűsége és jó megmunkálhatósága okán használt alumínium esetében jellemzően eloxálás, ami egy vegyi technológiai felület kezelés. Előnye, hogy a festéssel ellentétben a felületre itt nem rakódik rá hőszigetelőként viselkedő plusz réteg.

A hűtőborda alkalmazásakor az áramkör tervezője van előírta a szükséges K/W érték (esetleg felület nagyságot) vagy nem. Előző (kedvezőbb) esetben számos profil számos jó pár variánsa áll rendelkezésre a kereskedelemben, amely kínálatból ki-ki maga választhat a szerelhetőség és pénztárca függvényében. Ha nincs adat, akkor csak a tapasztalatra lehet hagyatkozni és (kezdetnek mindenképpen) jól túlméretezni a hűtőt. Amennyiben a hűtőborda számolt paraméterei átlépik a megvalósíthatósági küszöböt, az eddigiekben tárgyalt passzív hűtést ki kell egészíteni aktív elemmel (pl. ventilátor). Ennek az a fizikai magyarázata, hogy a hőátadás a borda és a közeg között attól függ, hogy mekkora a két anyag között hőmérséklet különbség. Minél nagyobb a különbség, annál jobb a hőleadás. Amikor egy meleg felület fokozatosan melegíti a környezetét, annak melegedése csökkenti ezt a differenciát, így romlik (lassul) a hőátadás. Ha a borda felületének közelében pl. ventilátor alkalmazásával keverjük a levegőt, vagyis friss, még hűvösebb levegőt juttatunk oda, ez a hatékonyság romlás kivédhető. (Hasonló megfontolásból kavargatjuk a forró teánkat is).

A borda környezet felé történő hőleadása mellett nagyon fontos az is, hogy az eszköz(ök)ön keletkező hőt minél hatékonyabban lehessen a bordára átjuttatni. E gyakorlati megfontolásból a teljesítmény félvezetőket (vagy pl. teljesítmény ellenállásokat) csavarozható fém burkolattal látják el. Mivel az érintkező fém felületek között (bármilyen finom megmunkálásúak legyenek is) maradnak mikroszkópikus egyenetlenségek, amiket ún. hőcsatoló anyaggal  lehet áthidalni. Ez az anyag régebben vazelin volt, ma viszont már jóval korszerűbb és hatékonyabb paszták is kaphatók. Ilyen anyag alkalmazása tehát nem (mindig) kötelező, de növeli a hűtés hatékonyságát. A hőátadás „felturbózásának” egy másik lehetséges eszköze a Peltier-elemnek nevezett eszköz. Ez egy szendvics szerkezet (két sík kerámia fegyverzet közötti félvezető hálózat), ami a pólusaira kapcsolt egyen feszültség hatására az egyik felületét hűti, a másikat pedig fűti. Tulajdonképpen „átszivattyúzza” a hőt az egyik fegyverzetről a másikra. Ez a tulajdonsága igen jól jöhet, amikor melegendő alkatrészről a hagyományos módszerekkel  problémát jelent a bordára jutatni a hőt.

Amikor a hő keletkezése és a hő környezetbe történő leadásának helye távol(abb) van egymástól vagy a csatlakozási felület nem sík, a leggyakrabban folyadék (víz, olaj, egyéb speciális készítmény) hűtést alkalmaznak.

Az említett módszerek akár kombinációban is alkalmazhatók. Bár kicsit erőltetett a példa, de nézzünk egy számítógépet, aminek processzoráról a hőcsatoló pasztával bekent Peltier-elemmel egy folyadék hűtő hőcserélőjét melegítjük, és a szabadban – pár méterrel odébb – elhelyezett hűtőbordáját ventilátorral szellőztetjük át.

A felületi jó hőátadás mellett azonban elég gyakran egy másik feltételnek is meg kell felelni, nevezetesen: elektromosan el kell szigetelni a hűtendő alkatrész fém házát a fém hőtőbordától. Ennek oka, hogy a hűtőborda rendszerint galvanikusan érintkezik a készülék házzal, vagy egy bordára akár több, különböző villamos potenciálon lévő alkatrész is kerül. A szigetelés érdekében egy leheletvékony csillám szigetelő lapot alkalmazunk. A hőcsatolásról ebben az esetben a csillám mindkét felületét bekenjük (vékonyan!) hőcsatolóval. A paszta vékonyságát azért emeljük ki, mert máskülönben a leszorító csavar meghúzásakor a csillám könnyen eltörhet. A technológiai fejlesztéseknek köszönhetően ma már elérhető (ha még elég drágán is) olyan szilikon alapú műanyag lap, mely a csatoló és szigetelő funkciót egyszerre teljesíti. Ezeket lapokban vagy akár adott szabvány mérere vágva is be lehet szerezni. Speciális esetben még akár öntapadó ragasztó felület is lehet rajtuk.

A bordához történő csavarozáskor a csavar feje és az alkatrész fém füle között még továbbra is fennáll a zárlat veszélye, ezért oda egy szigetelő gyűrűnek nevezett közdarab szükséges. Ennek nyak kiképzése pontosan illeszkedik az alkatrészek szabványos furatába, belső átmérője pedig a csavarok befogadására alkalmas. A különböző alkatrész furatok miatt ebből az alkatrészből is több féle létezik (a gyártók és kereskedők nagy örömére). Ez a műanyag gyűrű, bizonyos fokú rugalmassága révén védi az alkatrészt és a szigetelést is a csavar meghúzásakor.

Megjegyzés: amikor a hűtendő alkatrész és a borda villamos szigetelése nem indokolt, a szigetelő lapot célszerű elhagyni (nem csak pénzügyi megfontolásból), mert ez a hőátadást mindenképpen rontja. A szigetelés, úgy is mondhatnánk, hogy szükséges rossz, ha elkerülhetetlen.