Projekt chłodzenia termicznego urządzeń zasilających

Wszyscy wiemy, że zarządzanie temperaturą jest ważnym aspektem zarządzania energią. Musi utrzymywać komponenty i systemy w granicach temperatur. Rozwiązania pasywne zaczynają się od radiatorów i rurek cieplnych i mogą wykorzystywać wentylatory do aktywnego chłodzenia w celu zwiększenia efektu chłodzenia.

Modelowanie systemu na poziomie komponentów i produktu gotowego umożliwia projektantom dokonanie przybliżonej analizy strategii chłodniczej pierwszego rzędu. Wykorzystanie obliczeniowej dynamiki płynów do dalszej analizy może w pełni zrozumieć ogólną sytuację cieplną i wpływ zmian w strategii chłodzenia. Wszystkie rozwiązania w zakresie zarządzania ciepłem wymagają kompromisów w zakresie wielkości, mocy, wydajności, wagi, niezawodności i kosztów oraz muszą oceniać priorytety i ograniczenia projektu.

Wszystkie rozwiązania zarządzania ciepłem są zgodne z podstawowymi zasadami fizyki. W trybie chłodzenia istnieją trzy sposoby przewodzenia ciepła: promieniowanie, przewodzenie i konwekcja

W przypadku większości systemów elektronicznych chłodzenie wymagane do osiągnięcia polega na tym, aby ciepło opuściło bezpośrednie źródło ciepła przez przewodzenie, a następnie przeniosło je w inne miejsca na drodze konwekcji. Wyzwaniem projektowym jest połączenie różnych urządzeń do zarządzania temperaturą, aby skutecznie osiągnąć wymagane przewodnictwo i konwekcję. Są trzy najczęściej używane elementy chłodzące: chłodnica, rurka cieplna i wentylator. Radiatory i rurki cieplne to pasywne systemy chłodzenia bez zasilania, które obejmuje również naturalnie indukowane metody przewodzenia i konwekcji. Natomiast wentylator jest aktywnym systemem wymuszonego chłodzenia powietrzem.

Chłodzenie radiatora:

Radiator jest konstrukcją aluminiową lub miedzianą, która może pozyskiwać ciepło ze źródła ciepła poprzez przewodzenie i przekazywać ciepło do strumienia powietrza (w niektórych przypadkach do wody lub innych cieczy) w celu realizacji konwekcji. Promienniki są dostępne w tysiącach rozmiarów i kształtów, od małych wytłoczonych metalowych żeber łączących pojedynczy tranzystor po duże wytłoczki z wieloma żeberkami, które mogą przechwytywać i przenosić ciepło do konwekcyjnego przepływu powietrza.

Jedną z zalet radiatora jest brak ruchomych części, brak kosztów operacyjnych i brak trybów awaryjnych. Po podłączeniu odpowiedniej wielkości radiatora do źródła ciepła, w miarę unoszenia się ciepłego powietrza, konwekcja w naturalny sposób nastąpi, rozpoczynając i kontynuując przepływ powietrza. Dlatego te zalety są bardzo ważne w przypadku korzystania z radiatora, aby zapewnić płynny przepływ powietrza między wlotem i wylotem źródła ciepła. Ponadto wlot musi znajdować się poniżej grzejnika, a wylot musi znajdować się powyżej; W przeciwnym razie gorące powietrze zatrzyma się na źródle ciepła, co jeszcze bardziej pogorszy sytuację.

Dodawanie rurek cieplnych:

Zadaniem rurki cieplnej jest odbieranie ciepła ze źródła ciepła i przekazywanie go do chłodniejszego obszaru, ale samo w sobie nie działa jak grzejnik. Gdy w pobliżu źródła ciepła nie ma wystarczająco dużo miejsca na umieszczenie grzejnika lub przepływ powietrza jest niewystarczający, można zastosować rurkę cieplną. Rura cieplna ma wysoką wydajność i może przenosić ciepło ze źródła do miejsca wygodniejszego do zarządzania.

Dodawanie wentylatora chłodzącego:

Oczywiście wentylatory zwiększą koszty, zajmą miejsce i zwiększą hałas systemu. Jako urządzenie elektromechaniczne wentylator jest również podatny na awarie, co zużywa energię i wpływa na sprawność całego układu. Jednak w wielu przypadkach, zwłaszcza gdy droga przepływu powietrza jest zakrzywiona, pionowa lub zablokowana, są one zazwyczaj jedynym sposobem na uzyskanie wystarczającego przepływu powietrza. W wielu aplikacjach stosuje się wentylatory sterowane termicznie, które działają tylko wtedy, gdy są potrzebne do zmniejszenia prędkości, zmniejszając w ten sposób zużycie energii, oraz wykorzystują łopatki, które minimalizują hałas przy optymalnej prędkości roboczej.

Modelowanie i symulacja termiczna:

Modelowanie i symulacja są niezbędne dla efektywnej strategii zarządzania ciepłem, aby określić, ile powietrza chłodzącego jest wymagane i jak uzyskuje się chłodzenie. Przepływ powietrza przez różne źródła ciepła można dostosować tak, aby utrzymać jego temperaturę poniżej dopuszczalnego limitu. Wykorzystując temperaturę powietrza, dostępny przepływ niewymuszonego przepływu powietrza, przepływ powietrza wentylatora i inne czynniki do podstawowych obliczeń, możemy z grubsza zrozumieć stan temperatury.

Dokonując pewnych korekt, projektanci mogą sprawdzić, czy większe otwory wentylacyjne wymagają więcej powietrza, określić, czy inne ścieżki przepływu powietrza są bardziej efektywne, zidentyfikować różnice w stosowaniu większych lub innych grzejników, zbadać zastosowanie rurek cieplnych do przemieszczania gorących punktów itp. Te pakiety oprogramowania do modelowania CFD mogą generować dane tabelaryczne i kolorowe obrazy rozpraszania ciepła. Zmiany wielkości wentylatora, przepływu powietrza i położenia są również łatwe do modelowania.

Zarządzanie energią, a także zarządzanie ciepłem, zwłaszcza w jaki sposób chłodzenie funkcji związanych z zasilaniem wpłynie na konstrukcję cieplną i akumulację ciepła. Ponadto, nawet jeśli podzespoły i systemy będą nadal pracować w zakresie specyfikacji, wzrost temperatury spowoduje zmiany wydajności wraz ze zmianą parametrów podzespołów. Przegrzanie może również skrócić żywotność komponentów, a tym samym skrócić średni czas między awariami, co jest również czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, aby zapewnić długoterminową niezawodność.