דמו בנפשכם מערכת מכ”ם עתירת הספק מהסוג המשמש את כוחות הצבא האמריקני במדבריות עיראק. הרכיבים מתוכננים לספק את הביצועים הטובים ביותר שאפשר, אך במקביל חייבים להיות גם קומפקטיים ביותר כדי לחסוך שטח ומשקל. ומובן שאין להעלות על הדעת מצב של כשל כשמדובר בהתקנים קריטיים למשימה מסוג זה, התקנים אלקטרוניים האמורים לשמש עיניים ואוזניים עבור מאות חיילים. התקני האלקטרוניקה הללו זקוקים לקירור היעיל ביותר כדי לספק מערכות אמינות וקומפקטיות המסוגלות לתפקד גם בסביבות העוינות והתובעניות ביותר.
התקני האלקטרוניקה היום נהיים יותר ויותר קטנים ועצמתיים, והקירור היעיל נהיה מאתגר במיוחד ובה בעת קריטי לתוחלת החיים ולאמינותם של ההתקנים. יחידות הקירור מסוג heat sink המושתתות על קירור באוויר ומחוברות להתקנים מפיקי חום זקוקות לשטח הפנים המתאים ולזרימת האוויר הנכונה כדי שיצליחו לפזר את החום המופק. עם זאת, שטח פנים לבדו אינו מספיק כשמדובר במקורות חום מרוכזים במיוחד כמו רכיבי האלקטרוניקה עתירי ההספק הקיימים היום. כיוון שרכיבי האלקטרוניקה הולכים ונהיים יותר ויותר קטנים ואזור הבסיס של יחידות הקירור הולך וגדל, נוצר “קנס” תרמי גדול של פיזור חום הנמצא בדרך-כלל בבסיס יחידת הקירור. כאשר החום מתקדם לעבר קצות יחידת הקירור הופכים “סנפירי” הקירור המרוחקים ממקור החום לבלתי יעילים, כך שלא משנה עד כמה נגדיל את יחידת הקירור, הביצועים התרמיים שלה נהיים קבועים ובלתי יעילים.
כדי להציג את תופעת הפיזור הזו יצרנו סימולציית CFD (מערכת ממוחשבת לתכנון דינמיקה של נוזלים) עבור רכיב חשמלי אופייני עם עצמה גבוהה (high flux) ועבור יחידת הקירור שלו (איור 1). עבור הדוגמה הזו נעשה שימוש ביחידת קירור מאלומיניום עם פרופיל נמוך בגודל 6” X 6” X 1” עם מרווח שיחול כדי לקרר את הרכיב החשמלי (מקור של 0.5” X 0.5” ב-100 וואט, 62 וואט/ ס”מ רבוע). כפי שניתן לראות באיור 1, מפלי הטמפרטורה הגבוהים נראים בבירור במבט על חתך הרוחב. הסנפירים הנוטים לעבר הקצוות ומחוצה להם קרים למדי בהשוואה לנקודה החמה המצויה ישירות מעל לרכיב החשמלי. הביצועים של יחידת קירור זו עם זרימת אוויר של 300 LFM הם 0.46 מעלות צלסיוס לוואט, המייצגים את עלייית הטמפרטורה מטמפרטורת סביבה לנקודה החמה ביותר על הרכיב / החום הכולל שפוזר.
כעת האתגר הוא להשיג את היכולת לפזר את החום הזה ביעילות דרך בסיס יחידת הקירור מבלי לשנות את הגיאומטריה הקיימת שלה. עמידה באתגר זה תאפשר למתכנן להישאר בתוך אותם ממדים או בממדי המארז המקורי ללא צורך בתכנון מחדש של מארז הרכיב, פעולה שתגזול כמובן זמן וכסף. כדי לצמצם את ההתנגדות התרמית הגבוהה הזו יש להחליף את בסיס המתכת של יחידת הקירור בחומר שהוא מוליך-על. בדוגמה שלנו ניתן להשתמש בתא אידוי כאמצעי לפזר חום בבסיס בצורה יעילה יותר.
מיתרונותיו של תא האידוי
תאי אידוי הם למעשה צינורות חום שטוחים המשתמשים בעקרונות ההתאיידות והעיבוי כדי להפיק משטח תרמי בעל רמה גבוהה מאוד של מוליכות. תאי אידוי הם למעשה כלים מרוקנים עם צינור (פתיל) ונוזל עובד. הצינור עוזר להעביר את הנוזל העובד בחזרה אל שטח המאייד ללא שימוש בחלקים זזים. ברגע שהנוזל מתאדה הוא מתקדם אל אזור הקירור של התא, מתעבה בצינור והמחזוריות נמשכת.
תאי אידוי יכולים לכלול כמה סוגים של שילובים של חומרי מעטפת ונוזלים עובדים. מבחר החומרים הללו תלוי בעיקר בטמפרטורת העבודה של מערכת הקירור. השילוב השכיח ביותר בתחום של קירור אלקטרוניקה הוא נחושת ומים, בגלל טמפרטורת העבודה הנעה בין 10 ל-250 מעלות צלסיוס, אך ניתן להשתמש גם בנוזלים ובחומרים אחרים עבור טווחים של טמפרטורות קיצוניות.
במדידות נמצאה רמת המוליכות של תאי האידוי גבוהה פי 30 מזו של נחושת, ופי עשרה מזו של גרפיט פירוליטי ויהלום באותה תצורה של משטח שטוח. בנוסף, תאי האידוי יכולים להתחבר אל תוך שיחול קיים או לשמש כבסיס בעצמם, ובמקרה כזה ניתן להלחים את הסנפירים ישירות עליהם. ממדיהם של תאי האידוי יכולים לנוע מתאים קטנים בגודל 1”x1” ועד תאים גדולים בממדים של 13”x20”. העובי הסטנדרטי נע בין 3 ל-9 מ”מ כך שניתן להחדירם בקלות לתוך בסיסים קיימים.
בשוק קירור האלקטרוניקה הקיים היום משמשים תאי האידוי במגוון יישומים. הצבא משתמש ביחידות קירור בעלות מוליכות גבוהה מסוג זה לצינון שפופרות גל נע (TWYs) של מכ”ם, טרנזיסטורים דו-קטביים בעלי שער מבודד (IGBTs), והתקני אלקטרוניקה אחרים. ענף הרפואה משתמש בהם כדי לחמם דם באופן אחיד. מגוון של יחידות קירור בשרתי מחשבים מדרגת הביניים ועד למתקדמים ביותר משתמשות בטכנולוגיה של תאי אידוי כדי להתמודד עם החום הנפלט ממעבדים עתירי מחשוב והספק המגדירים את מהירותה ואת רמת ביצועיה של המערכת.
כדי להדגים את השיפור בביצועים התרמיים שמסוגל לספק תא אידוי ליחידת קירור מתכתית, הבה נבחן את הדוגמה של יחידת הקירור שתוארה לעיל, אבל הפעם עם תא אידוי המשולב בתוך בסיס יחידת הקירור. כפי שניתן לראות באיור 2, החום מתפזר בצורה הרבה יותר מאוזנת בכל רחבי יחידת הקירור, מה שגורם לירידה של 37% בהתנגדות התרמית הכללית. יחידת הקירור המוצגת כאן עם תא אידוי משובץ בתוכה ועם שמירה על כל הפרמטרים ללא שינוי מציעה התנגדות של 0.29 מעלות צלסיוס בלבד לוואט.
כפי שהראינו, הביצועים המשופרים של תא האידוי משפרים את הביצועים התרמיים של יחידת קירור מתכתית באופן ניכר. הביצועים התרמיים המשופרים מאפשרים למתכננים של רכיבי אלקטרוניקה להתמודד בקלות עם העלייה בהספק ובמהירות התדר של הרכיב במסגרת הארכיטקטורה הקיימת, ובה בעת מאפשרים שימוש בהרבה יותר עצמת מחשוב ושידור עבור תכנונים חדשים במארזים קטנים יותר. לדוגמה, אם רכיב חשמלי במערכת נתונה מגיע לטמפרטורת הצומת המרבית שלו ב-100 וואט, תא האידוי מסוגל להגדיל את ההספק המפוזר ל-130 וואט מבלי לשנות את טמפרטורת הצומת. זהו יתרון של ממש עבור התקנים כמו משדרי MOSFET RF בהספק גבוה ומעבדים המזוודים בצפיפות.
מסקנות- כמו יחידות קירור קונבנציונליות, גם תאי האידוי רבגוניים מספיק כדי לעמוד בהקפאה/הפשרה ומסוגלים לעמוד בתקני ההלם והרעד הצבאיים, אבל חשוב לזכור לקחת את המשתנים הללו בחשבון במפרט. טמפרטורת עבודה, כיוון הכבידה ואורך העברת ההספק – כל אלה הם גורמים שיש לקחת בחשבון כשמתכננים מבנה פנימי של תא אידוי עבור יישום נתון. בעוד שיחידות הקירור הקונבנציונליות ניתנות להתאמה לשימוש ביישומים דלי הספק בעלי מקור חום גדול, תאי האידוי יכולים להתאים דווקא ליישומים שבהם ביצועי המערכת מוגבלים בגין מגבלות תרמיות/מכניות (שטף חום, הספק כולל, שטח, מסה) ולהציע להם את היכולת להעלות את רף המהירות וההספק בתוך אותה מגבלת שטח.
*המאמר באדיבות חברת אורמיק רכיבים בע”מ המייצגת את Termacore בלעדית בישראל
