Radiator i wentylator - czym są i jak działają?

Radiator oraz wentylator to podstawowe przyrządy służące do chłodzenia podzespołów elektronicznych. Czasem używa się ich razem, a czasem oddzielnie - kiedy i w jakich okolicznościach jest to wskazane? Zapraszam do lektury!

Co, kiedy i po co chłodzimy?

Podzespoły elektroniczne w trakcie swojej pracy wydzielają ciepło. Zarówno rezystory, jak i tranzystory, diody czy układy scalone - nieodłączną częścią “życia zawodowego” wszystkich podzespołów jest produkcja ciepła. Niektóre wytwarzają go więcej, inne mniej - często niezauważalnie mało - ale generalnie, każdy element to robi.

Co daje nam ciepło? Wzrost temperatury takiego elementu. Grzeje się jego struktura, w której ono powstaje, a potem, poprzez obudowę, wydostaje się na zewnątrz i jest wypromieniowywane. Im więcej ciepła dany element wydziela w swym wnętrzu, tym więcej trzeba go odprowadzić, aby nie doszło do przegrzania.

Można to przyrównać do gotowania wody w garnku. Palnik dostarcza ciepło do garnka, a ten z kolei do wody. Wrząca woda odprowadza (poprzez parowanie) nadmiar tego ciepła. Jeżeli woda wyparuje, a palnik będzie nadal działał, garnek rozgrzeje się i spali. Elementy elektroniczne nie są chłodzone wodą, którą trzeba doprowadzić do wrzenia, lecz mechanizm jest taki sam.

Zgubne skutki przegrzania

Zbyt duża ilość ciepła, które nie zostanie w porę odprowadzone, spowoduje nadmierny wzrost temperatury. Jeżeli podzespół ma wbudowane zabezpieczenia, to ochroni się przed tym - jeżeli nie, cóż… poczujemy nieprzyjemny zapach palonego tworzywa sztucznego, a urządzenie będzie wymagało naprawy.

O tym, co trzeba chłodzić i kiedy, decyduje konstruktor danego urządzenia. Jego rolą jest obliczenie (lub chociaż oszacowanie) ilości ciepła, jakie powstanie w danym podzespole i przedsięwzięcie odpowiednich środków zaradczych.

W jaki sposób chłodzimy?

Zdecydowana większość elementów elektronicznych ma zapewnione wystarczające chłodzenie dwiema metodami:

• przez promieniowanie podczerwone (IR)
• przez naturalne ruchy konwekcyjne powietrza

Każdy obiekt, który ma temperaturę wyższą od zera bezwzględnego (0K = -273℃) emituje promieniowanie o długości fali zależnej od temperatury. Zazwyczaj jest to zakres podczerwieni. W ten sposób zachodzi chłodzenie podzespołów znajdujących się w próżni, na przykład w przestrzeni kosmicznej.

Ruchy konwekcyjne powietrza polegają na przepływie cząsteczek wokół nagrzanego obiektu. Ich temperatura wówczas rośnie i unoszą się do góry, a na ich miejsce napływają następne. Dlatego układ elektroniczny, który zostanie szczelnie zapakowany w hermetyczną obudowę, ma utrudnione chłodzenie.

Obudowy elementów są tak wykonane, aby większość z nich chłodziła się w wystarczającym stopniu bez dodatkowego osprzętu. Ale nie zawsze jest to możliwe - niektóre elementy wydzielają zdecydowanie większe ilości ciepła i nic na to nie poradzimy. Trzeba je odprowadzić do otoczenia i rozproszyć.

Radiator

Podstawowym narzędziem w walce z nadmiarem ciepła jest radiator. To metalowy przedmiot, który przykręca się do chłodzonego obiektu. Dzięki licznym żeberkom, zwiększa powierzchnię oddawania ciepła, co umożliwia zarówno efektywniejsze promieniowanie energii, jak i przepływ większych mas powietrza.

Radiatory są zazwyczaj wykonane z aluminium, rzadziej z miedzi (z uwagi na koszty) - generalnie, musi to być metal dobrze przewodzący ciepło. Niekiedy ich powierzchnia jest czerniona, aby jeszcze bardziej usprawnić oddawanie ciepła przez promieniowanie.

Elementy przystosowane do chłodzenia muszą zostać trwale przymocowane do radiatora. Im lepszy będzie kontakt między elementem a powierzchnią radiatora, tym sprawniej będzie zachodził przepływ ciepła - a o to nam chodzi.

Aby poprawić przepływ ciepła między elementem a radiatorem, stosuje się różnorakie metody. Najpopularniejsza to posmarowanie stykających się powierzchni bardzo cienką warstwą silikonowej pasty termoprzewodzącej. Wypełnia mikroskopijne pory w metalowych płaszczyznach.

Radiatory mają różne kształty i rozmiary. Im większy radiator, w uproszczeniu, tym więcej ciepła może oddać. Tę zdolność nazywa się mianem rezystancji termicznej i podaje w kelwinach na wat [K/W] lub stopniach Celsjusza na wat [℃/W]. Im mniejsza rezystancja termiczna, tym lepiej - wypromieniowanie określonej mocy spowoduje mniej odczuwalne podniesienie temperatury radiatora.

Przykład obliczeniowy

Jako przykład porównam dwa radiatory. Pierwszy z nich jest niewielki i służy do schładzania pojedynczego elementu w standardowej obudowie TO220 lub podobnej.

Jego rezystancja termiczna wynosi 21K/W. Mówiąc inaczej: przykręcenie do niego elementu, na którym wydziela się moc 1W, spowoduje podniesienie jego temperatury o 21K lub o 21℃. Łatwo policzyć, że w temperaturze pokojowej (około 20℃) wystarczy moc rzędu 2W, aby taki radiator zaczął parzyć:

20℃ + 2W * 21℃/W = 62℃

Teraz inny radiator, nieco większy. Można do niego przykręcić więcej niż jeden podzespół.

Rezystancja termiczna tego radiatora jest niższa i wynosi już tylko 5,3K/W. Przyjmując te same dane, co w poprzednim przykładzie, uzyskamy temperaturę radiatora:

20℃ + 2W * 5,3℃/W = 30,6℃

Czyli zamiast parzyć palce, taki radiator będzie jedynie przyjemnie ciepły. Niestety, będzie również większy i droższy - coś za coś.

Radiator może działać poprawnie tylko wtedy, gdy wokół niego swobodnie przepływa powietrze. Wymagane jest zatem wystawienie go z tyłu obudowy lub zrobienie w niej licznych otworów wentylacyjnych, które nie będą niczym przesłonięte.

Jeżeli to nie jest możliwe, trzeba sięgnąć po…

Wentylator

To przyrząd wspomagający przepływ powietrza wokół żeberek radiatora. Dokładniej: wymuszający ten przepływ. Dlatego taki rodzaj chłodzenia (radiator + wentylator) nazywa się aktywnym, a sam radiator - chłodzeniem pasywnym.

Sam wentylator, bez radiatora na niewiele się zda. Elementy elektroniczne są na tyle małe, że umieszczenie ich w strudze zimnego powietrza niewiele zmieni. Trzeba najpierw zwiększyć powierzchnię oddawania ciepła, a najprościej to uczynić przez dokręcenie radiatora.

Rezystancja termiczna zestawu radiator + wentylator jest niższa niż samego radiatora. Jak niska - to ciężko oszacować. Niektórzy producenci gotowych zestawów chłodzenia aktywnego podają w notach katalogowych swoich wyrobów wypadkową rezystancję termiczną.

Dlatego, jeżeli sięgamy po wentylator, możemy pozwolić sobie na użycie radiatora o mniejszych gabarytach. Przykładem są popularne zasilacze komputerowe ATX z chłodzeniem wymuszonym - radiatory w nich są na ogół tak małe, że bez wentylatora taki układ spaliłby się w okamgnieniu. Jedynie ciągła praca wentylatora utrzymuje temperaturę podzespołów w granicach normy.

Wydajność wentylatora określa się w metrach sześciennych na godzinę [m³/h]. Im wyższa, tym więcej powietrza tłoczy, więc skuteczniej chłodzi radiator. Niestety, wiąże się to zazwyczaj z większymi gabarytami, wyższą ceną oraz zwiększonym poziomem hałasu wytwarzanego przez taki osprzęt.

Dlatego wentylatory stosuje się zazwyczaj tam, gdzie nie ma innej możliwości. Jeżeli to tylko jest wykonalne i opłacalne, lepiej postawić na chłodzenie pasywne, które jest bezawaryjne (kawałek metalu nie ma prawa się popsuć, co najwyżej może się pokryć kurzem) i nie wydziela hałasu.