Высокоэффективное охлаждение в ограниченном пространстве

Значение технологий управления температурными режимами возрастает по мере миниатюризации электронного оборудования. С уменьшением размеров бытовой электроники тепло рассеивается во все сокращающемся объеме воздуха внутри корпуса. Одновременно сужение доступного пространства налагает дополнительные ограничения и на габариты самих устройств охлаждения. Поэтому проектировщики современной электроники сегодня вынуждены учитывать предел возможностей традиционных технологий, таких как громоздкие вентиляторы постоянного тока.

Чтобы решить эту проблему, компания Murata разработала миниатюрное устройство охлаждения, которое заменит вентиляторы в компактном электронном оборудовании, — пьезоэлектрический микровоздуходув. Это устройство пополнит растущую линейку микромеханотроники в ассортименте продукции компании Murata. Размеры посадочного места микровоздуходува, изображенного на рис. 1, составляют 20·20 мм, а профиль (без сопла) — всего 1,85 мм. Устройство имеет пьезоэлектрическую диафрагму, которая колеблется вертикально при приложении синусоидального напряжения, за счет чего обеспечивается нагнетание и выталкивание воздуха из устройства через расположенное вверху сопло. Диафрагма позволяет создавать поток воздуха интенсивностью до 0,8 л/мин и давлением до 1,5 кПа при нормальных условиях эксплуатации (при работе от переменного напряжения 15 В на частоте 25 кГц). На рис. 2a приведена зависимость давления воздуха на выходе устройства от условий эксплуатации.

Рис. 1. Микровоздуходув Murata — вид сверху и в разрезе с обозначением потоков воздуха, протекающих через устройство

Рис. 2. Расходные характеристики микровоздуходува при нормальных условиях эксплуатации, в том числе при трех значениях рабочего напряжения (частота 25 кГц)

На рис. 2б показана фотография микровоздуходува в действии, а также график интенсивности потока воздуха, снятый при данных условиях. Воздуходув способен создавать высокое давление воздуха, поэтому его можно использовать в качестве воздушного насоса, а высокая интенсивность воздушного потока означает, что он идеально подходит для локализованного охлаждения и рассеивания тепла от конкретных устройств в системе или сильно нагревающихся участков конструкции. В бытовом электронном устройстве можно даже установить несколько микровоздуходувов для индивидуального охлаждения интегральных схем. Поскольку потребляемый ток пьезоэлектрической диафрагмы очень мал, микровоздуходув оказывается достаточно экономичным для того, чтобы его можно было использовать в нескольких местах — даже в устройствах с батарейным питанием.

Микровоздуходув может быть сконфигурирован для работы в двух режимах. Если сопло направлено на устройство или область, подлежащие охлаждению, можно либо обдувать подложку прохладным воздухом (из окружающей среды), либо отсасывать от нее нагретый воздух (а потом, скорее всего, отводить его из корпуса). Примеры обеих конфигураций показаны на рис. 3. В режиме нагнетания точечное охлаждение достигается за счет высокой интенсивности воздушного потока воздуха: всю систему можно охлаждать наружным воздухом. Режим отсасывания можно использовать, когда на плате имеется конкретный сильно нагревающийся участок, который нуждается в интенсивном охлаждении. Этот режим может обеспечить эффект вентиляции в случае, если объем воздуха мал.

Рис. 3. Микровоздуходув в режимах: а) нагнетания; б) отсасывания (на схеме зеленым цветом показана печатная плата, желтым — охлаждаемая ИС, а серым — компактный корпус, внутри которого они расположены)

В качестве примера применения данной технологии компания Murata испытала микровоздуходув, прикрепив его к модулю памяти. Модуль DRAM был оснащен обычными радиаторами, а микровоздуходув использовался в качестве дополнительной меры принудительного охлаждения. Для крепления микровоздуходува в лаборатории было изготовлено специальное приспособление с профилем 2,4 мм. Суммарный профиль микровоздуходува с крепежным приспособлением составил всего 4,25 мм, что приемлемо при использовании его в конструкции с ограниченным пространством монтажа. Целиком схему эксперимента можно увидеть на рис. 4. Эксперимент выполнялся на открытом воздухе, а не в ограниченном пространстве, чтобы облегчить измерение температуры с помощью тепловизионной камеры.

Рис. 4. Схема эксперимента по применению микровоздуходува

Результаты эксперимента показаны на рис. 5. На рис. 5а приведено распределение температуры по поверхности радиатора модуля памяти DRAM при отключенном микровоздуходуве, на рис. 5б — тот же график при работающем микровоздуходуве. В ходе эксперимента была зафиксирована заметная разница в температуре поверхности — 17 K. Зная рассеиваемую мощность DRAM модуля памяти (6,8 Вт), можно вычислить разность теплового сопротивления радиатора при отключенном и работающем микровоздуходуве. Тепловое сопротивление радиатора без дополнительного охлаждения составило 6,3 К/Вт, а при работающем микровоздуходуве — 3,8 К/Вт. Это существенное уменьшение — около 40%.

Рис. 5. Результаты эксперимента по применению микровоздуходува: а) до его включения; б) при работающем воздуходуве

Описываемый пьезоэлектрический микровоздуходув можно применять для принудительного охлаждения в ограниченном пространстве в бытовой, промышленной и автомобильной электронике. Примеры бытового применения — охлаждение ПЗС-датчиков изображения в компактных устройствах с камерами, охлаждение вычислительных ИС, таких как графические и центральные процессоры. В промышленности, помимо точечного охлаждения ИС, микровоздуходув может успешно применяться для охлаждения источников питания. В современных автомобилях его можно использовать для охлаждения светодиодных фар. Еще одна обширная область применения микровоздуходува в бытовой и промышленной электронике — охлаждение подсветки ЖК-экранов.

Микровоздуходув может использоваться в качестве воздушного насоса, нагнетателя воздуха для промышленной техники и аккумуляторов, наконец, просто для сдувания пыли. Диапазон прочих областей применения простирается от аквариумных насосов до ионизаторов. Кроме того, в настоящее время компания Murata на базе сходной технологии разрабатывает жидкостный насос (микронасос), который будет использоваться в топливных элементах.