Cuvinte cheie: eficienţă mare, pierderi mici prin căldură, modalităţi de eliminare a căldurii, ce influenţează răcirea, debit de aer necesar, admisie, evacuare, recirculare, reguli generale pentru răcirea cu aer, răcirea surselor de alimentare MeanWell®.
Eficienţa unei surse de alimentare se măsoară prin raportul dintre puterea dată la ieşire (puterea utilă transferată sarcinii) şi puterea absorbită de sursă (puterea consumată). Sursele eficiente au acest raport tinzând spre valoarea unitară. De exemplu, o putere utilă de 1000W se obţine consumând 1200W, dacă eficienţa este 83%. Pierderea de putere se regăseşte în căldura disipată de componentele electronice în mediul adiacent.
O eficienţă mare înseamnă pierderi mici prin căldură, şi alte avantaje: creşterea fiabilităţii (creşterea temperaturii scade durata de viaţă a capacitoarelor electrolitice), costuri materiale mici (radiatoare mici, fără ventilator) şi afectarea redusă a mediului. O sursă de alimentare se răceşte prin: (1) convecţie – circulaţia naturală a aerului prin fantele carcasei, (2) transfer – când carcasa este închisă etanş se pune în contact cu un mediu mai rece pentru a prelua căldura din interior, (3) forţat – circulaţia cu viteză a aerului, prin spaţiile dintre componentele electronice din incintă (carcasă, dulap) folosind un ventilator.
Sistemele electronice şi sursele de alimentare cu densitate mare de componente au inclus un ventilator, de obicei extrem de fiabil şi silenţios, pentru răcirea forţată cu aer.
Sursele de alimentare fiind incluse în echipamente, se va acorda mare atenţie temperaturii maxime la care mai este funcţionarea normală. Trebuie asigurată răcirea sursei, ştiind că răcirea cu aer depinde de următoarele elemente: • temperatura maximă a mediului de lucru • direcţia şi sensul circulaţiei fluxului termic (admisie sau evacuare) • suprafaţa de montare a componentelor disipative de căldură • transferul de putere la un plan termic pe placa de cablaj imprimat • materialele de izolare şi de ghidare a fluxului de aer • folosirea unor bare de cupru conductive de căldură • materiale epoxidice folosite la rigidizare şi/sau etanşare, dar care transferă căldura • materialul carcasei (metal sau plastic) • decupajele în carcasă (mărime, dispunere).
MeanWell® are serii mari de surse cu răcire naturală cu aer prin convecţie pentru aplicaţii variate, până la puteri de 500W. La puteri mai mari şi/sau volum mic sursele au răcire forţată cu ventilator. Sursele care lucrează în mediul exterior (ex. sursele de alimentare LED-uri) au numai răcire naturală prin transfer termic.
Nevoia de răcire forţată cu aer se stabileşte în stadiul incipient al proiectului sistemului în care va fi montată sursa. Proiectantul de sistem trebuie să aibă cunoştinţe electrice, mecanice şi termice pentru a proiecta bine traseul fluxului de aer care preia căldura generată de componente. Este important să se prevadă un spaţiu adecvat şi pentru componentele fizice care asigură răcirea (radiator, materiale de transfer, ventilator). Fluxul de aer de răcire depinde de cantitatea de căldură generată în interiorul incintei şi nivelul maxim admis al temperaturii. Puterea de intrare AC este o bună estimare iniţială a puterii ce va fi disipată în interiorul incintei, nivelul de disipare în cel mai rău caz fiind cel la care se debitează putere maximă pe sarcină.
Debitul de aer minim necesar se obţine prin calcul, bazat pe formula: Q = 1.76 W / Tc, unde: Q = flux de aer necesar (CFM= Cubic Feet per Minute), W = putere disipată prin căldură (W), Tc = creşterea temperaturii mai sus de temperatura de intrare (°C).
Nota 1. Fluxul de răcire cu aer (CFM) pentru un sistem care disipă sau consumă 500W, permiţând o creştere cu 10, rezultă din formula de mai sus: 88 CFM.
Deoarece obstacole în calea fluxului de aer modifică presiunea statică în cadrul incintei, determinarea fluxului de aer asigurat de un ventilator montat într-o incintă, este mai dificilă decât pe baza formulei. Fluxul de aer şi presiunea statică, pentru un ventilator tipic, sunt într-o dependenţă neliniară. Obstacolele trebuie minimizate, fiind necesare dispozitive de ghidare ale fluxului de aer (deflectoare) direct asupra componentelor care au nevoie de răcire. Experimental, s-a dedus cum variază rezistenţa la fluxul de aer: • O incintă goală reduce fluxul de aer cu 5-20% • O carcasă cu piese dens plantate reduce fluxul de aer cu 40-60% sau mai mult.
Admisie, evacuare şi ghidare flux de aer. Sunt două opţiuni de montare a unui dispozitiv de răcire cu aer: a) evacuare de aer cald, sau b) suflare de aer rece în incintă. Deşi acelaşi volum de aer este folosit pentru a disipa căldura, în funcţie de aplicaţia reală, fiecare opţiune are avantaje şi dezavantaje. Fluxul de aer de intrare nu trebuie să aibă curgere laminară care ar permite un flux de aer uniform distribuit în incintă. Acest lucru este important în eliminarea de aer stagnant şi unor vârfuri de disipaţie de căldură. Degajarea căldurii într-un flux de aer turbulent ajunge a fi dublă faţă de cea a unui flux laminar, cu aceeaşi rată a debitului volumetric. Fluxul de aer turbulent este de dorit în soluţii de răcire, dar regiunea de flux de aer turbulent în apropierea unui ventilator de evacuare este limitată la o distanţă foarte mică, depinzând de dimensiunea ventilatorului. O cale a fluxului de aer bine definită prin întreaga incintă este extrem de importantă.
Nota 2. Presupunând că este un pachet dens de piese, ventilatorul din exemplul anterior ar trebui să fie capabil să asigure 133 CFM de aer, în loc de 88 CFM (adică cu 50% mai mult). De obicei, producătorii de ventilatoare dau cifrele cele mai optimiste statistic pentru a prezenta calităţile produselor lor.
Zona de aerisire ar trebui să fie cu 50% mai mare decât deschiderea ventilatorului. De aceea majoritatea ventilatoarelor din sistemul de evacuare sunt plasate la ieşirea din carcasă. Recircularea aerului trebuie să fie evitată. Deflectoare, capace sau sisteme de conducte sunt adesea necesare pentru a elimina recircularea aceluiaşi aer şi aducerea de aer proaspăt direct pe punctele fierbinţi. Calea fluxului de aer, ca şi curentul electric, va avea întotdeauna calea minimei rezistenţe. Subansamble şi
componente fizice în cadrul incintei, cum ar fi capacitoare mari şi plăcile cu circuite, trebuie inteligent poziţionate direct în fluxul de aer, dacă necesită răcire. Răcirea prin convecţie naturală trebuie să aibă prioritate, fiind simplă, ieftină şi fără zgomot. Într-un sistem trebuie poziţionate mai sus modulele şi componentele mai reci. Ventilatoarele pentru evacuarea căldurii dintr-o incintă electronică reduc presiunea din interior şi praful este absorbit prin orificii şi deschideri. Acumularea prafului poate produce multe probleme. Deoarece ventilatoarele de evacuare trebuie să funcţioneze la temperatură mai mare, acestea pot avea jumătate din viaţa unui ventilator de admisie.
Viteza variabilă a ventilatorului este recomandată pentru a reduce zgomotul şi a maximiza eficienţa energetică. La un ventilator cu viteză variabilă, temperatura circuitului de aer controlează automat viteza printr-un senzor pus în calea aerului, rezultând un flux optim de aer. Reguli generale pentru răcire maximă cu flux de aer intern.
Se verifică: • Poziţia cablurilor – pot bloca fluxul de aer corespunzător răcirii, dacă nu sunt organizate • Praful – acumularea de praf în interiorul aparatelor poate fi mortală, fiindcă acţionează prin izolarea dispozitivelor pe care le acoperă,
păstrarea căldurii şi încărcarea paletelor ventilatoarelor, iar orificiile de ventilaţie se înfundă limitând cantitatea de aer • Ventilatoarele să fie funcţionale – se verifică periodic pentru a se asigura că funcţionează eficient. O defectare a unui ventilator poate fi suficientă pentru a se deteriora un sistem • Carcasa – a fost concepută pentru fluxul de aer intern necesar să răcească diverse componente. Dacă se deschide carcasa, se schimbă dramatic dinamica de răcire. Fără carcasă dispare fluxul de aer de răcire a unor componente, având ca rezultat oprirea sistemului.
SUNON® este lider în domeniul ventilatoarelor folosite pentru răcire forţată în produse electronice şi echipamente IT. Ultimele noutăţi tehnologice sunt înglobate în:
Ventilatoare Super Green care asigură consum de energie electrică mai scăzut cu aproape 50%, vibraţii în timpul funcţionării mai mici cu 38% şi flux de aer crescut cu până la 10%;
Ventilatoare din seria High Air Flow având flux mare de aer, presiune statică înaltă, rezistenţă la temperaturi ridicate şi durată lungă de serviciu;
Ventilatoare din seria Super Silence ce sunt extrem de silenţioase, cu eficienţă mare de răcire şi pornire la tensiune scăzută.
ECAS ELECTRO
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro