A rendszerhűtés méretezésének kérdései axiális DC hűtőventilátorok alkalmazásakor
A hűtés korunk elektronikájának egyik legfontosabb kérdése, mert a felhasznált aktív és passzív alkatrészek élettartama nagyban függ attól, hogy az átfolyó áram keltette hőt milyen hatékonyan vezetjük el a külvilág felé. A helyesen megválasztott hűtőbordák és maga a nyomtatott áramköri lemez kialakítása is nagyban hozzájárul a kielégítő hőelvezetéshez, azonban bizonyos esetekben aktív hűtésre, például kényszerített légmozgatásra van szükség.
A kényszerített légmozgatás pontos méretezésével sok esetben nem bajlódnak a tervezőmérnökök, mert csak a funkcionalitásra fókuszálnak, és egy találomra kiválasztott ventilátorral megoldják a kérdést, ami a mechanikai méretek szükségtelen növelését, vagy rosszabb esetben a hűtés alulméretezését vonja maga után. A mai miniatürizálási trendek nem engedik meg a felesleges térfogatot, a verseny pedig kikényszeríti a megbízhatóságot, így a hűtés tervezésére már a korai fázisban sort kell keríteni. Szem előtt kell tartani, hogy nemcsak az elsődleges funkció a fontos, hanem a teljes rendszer, hiszen ahogy áramkörvédelem nélkül, úgy hűtés nélkül sem biztosítható a hosszú távú, megbízható és takarékos működés. A kielégítő hűtési megoldás néhány fontos szempontját tárgyalja cikkünk.
Amikor egy eszköz hűtéséről kell gondoskodni, a keletkezett hő háromféleképpen távozhat:
- Hővezetés útján, amikor a hőforrás érintkezik a hővezető anyaggal, például a nyomtatott áramköri lemezzel, vagy a direkt csatolt hűtőbordával.
- Hősugárzás útján, amikor a hőenergia elektromágneses hullám formájában távozik.
- Hőáramlás (konvekció) útján, amely során a hőelvezetés egy az elektronikai komponenst körülvevő közeg felmelegedő részecskéinek tovaáramlásával biztosított.
Ez utóbbi mód játssza a legfontosabb szerepet az elektronikai rendszerek aktív hűtésében. A konvekció lehet természetes, amikor a légáramlást a hőmérséklet-különbségek hozzák létre, és kényszerített, amikor az áramlást külső erő, például egy impeller-lapát forgása kelti. Ez utóbbi mód rendkívül hatásos lehet elektronikai alkatrészek hűtésekor, akár a nagy mennyiségű levegőt szállítani képes axiális, akár a sűrűn beépített áramköri lap nagy légellenállását legyőzni képes, nagy statikus nyomást biztosító radiális hűtőventilátort alkalmazzuk.
A legfontosabb tervezési szempont, hogy hagyjunk elegendő helyet a légáramlás számára a hőkeltés szempontjából kritikus komponensek körül, kiemelt figyelmet fordítva legalább a légbeömlés és a légkieresztés megoldására, és természetesen álljon rendelkezésre elegendő hely és tápellátás a ventilátor számára is. Ha ezekre a szempontokra odafigyelünk a tervezés korai fázisában, már nagy lépést tettünk a rendszer ideális működtetéséhez, és nem kell majd később kompromisszumokat kötni a funkcionalitás és a hűtés egymás ellen ható igényei terén.
Amikor kényszerített légáramlásos hűtést alkalmazunk, akkor a komponenseken keletkező hő nagy része a következő úton távozik a készülékházból:
- A komponens melegedése útján.
- Hőátadás útján, a komponensről a környező levegőrészecskék felé.
- A hő kiáramlása során a távozó levegővel.
A második tényezőt kedvezően befolyásolhatjuk, ha nagy hőleadási felületet biztosítunk a komponens számára, vagy ha növeljük a légáramlatot. Az előbbi esetben nagyobb méretű alkatrészt kell választanunk, vagy hűtőbordát illeszteni hozzá, az utóbbi pedig vagy jobb alkatrész-elrendezéssel, vagy nagyobb légbeömlő nyílás, esetleg további ventilátor, illetve nagyobb forgási sebesség alkalmazásával lehetséges.
Aktív léghűtés esetén választhatunk olyan módszert, amikor a hűtőventilátor a meleg levegőt kiszívja a készülékházból, vagy olyan megoldást is, amikor hideg levegőt fújunk a melegedő alkatrészekre, és bár mindkét esetben közel azonos légmennyiség használható hűtésre, mégis mindkét elrendezésnek vannak előnyös és hátrányos tulajdonságai. A ventilátorba lépő levegő laminárisan áramlik, azaz a légáram keresztmetszetén rétegesen eltérő sebességgel, de azonos irányba mozognak a levegőrészecskék – emiatt a meleglevegő-kiszívás esetén viszonylag egyenletes hűtés valósul meg, nem jellemző a megrekedt levegő miatt kialakult hot-spot. Az impeller kilépő oldalán turbulens áramlás alakul ki, amely ugyanolyan légmennyiség mozgatása esetén akár kétszer jobban hűt, mint a lamináris légáramlat, azonban ez a nagyon aktív zóna a recirkuláló levegő miatt közvetlenül a ventilátor kiömlő nyílása elé koncentrálódik, ezért távolabb nagy légmennyiség-veszteség léphet fel, ami gyenge disszipációt jelent a készülék belsejében befúvásos hűtés esetén. Emiatt nagyon kell ügyelni arra, hogy megfelelő legyen a légáramlat a készülékház teljes hosszán. A tervezéskor a lehető legjobban ki kell használni a természetes konvekciót is, ügyelni kell arra, hogy a jobban melegedő alkatrészt egy kevésbé kritikus alkatrész ne akadályozhassa a hőleadásban, a nagy alkatrészek ne fogják fel a légáramot a melegedő kis komponensek elől.
1. ábra Meleglevegő-kiszívásos kényszerített konvekció
2. ábra Hideglevegő-befúvásos kényszerített konvekció
A meleg levegőt kiszívó ventilátor csökkenti a készülékházban lévő légnyomást, ami azt eredményezi, hogy poros környezetben a levegőben lévő részecskék a beömlő nyílásokon és a készülékház repedésein keresztül bejutnak és lerakódnak az alkatrészeken. Ebből a szempontból előnyösebb a befúvásos hűtés alkalmazása, ahol a ventilátor elé szűrőt helyezve megakadályozható a por behatolása, és mivel a készülék belsejében enyhe túlnyomás uralkodik, a por a szűrést nem tartalmazó repedéseken beömlő nyílásokon sem fog bejutni. A szűrőket időnként természetesen cserélni kell, mert eldugulás esetén nem tud a disszipációhoz elegendő levegő áramolni a készülékbe. A befúvásos hűtés másik előnye, hogy a szobahőmérsékletű levegő sokkal kisebb mértékben terheli a csapágyazatot, mint a szívóventilátoron átáramló meleg levegő – ez kétszer, háromszor hosszabb élettartamot is jelenthet.
A cikksorozat előző részében bemutattuk a radiális (blower) és az axiális ventilátorok közti különbségeket, természetesen a hűtési megoldás választásánál elsődleges a geometria megválasztása. Nagyobb légáram eléréséhez axiális ventilátort, nagyobb légnyomás esetére radiális blowert célszerű választani. Mivel jelen írásunkban axiális DC ventilátorokkal foglalkozunk, ezért az utóbbiak méretezési kérdéseitől eltekintünk. A nagyobb nyomás eléréséhez több soros elrendezésű axiális ventilátort használunk, ha szükséges.
A helyes ventilátorválasztás egy sor tényezőtől függ, de a rendszer teljes hőtermelését és termikus egyensúlyát elsősorban a maximálisan megengedhető hőmérséklet-emelkedés befolyásolja.
A szükséges légmennyiség Q [m3/min] számításához a következő értékeket kell meghatároznunk:
- Az alkatrészeken disszipáció formájában elvesztett összteljesítmény: Ploss [W]
- A légáramlatnak ellenálló alkatrészek sűrűségét jellemző k konstans (k = 80 - 95 ritka elhelyezéskor, k = 60 sűrűn elhelyezett alkatrészek esetén)
- A maximálisan megengedhető hőmérséklet-emelkedés, amit az alkatrészek üzemi hőmérséklet-tartománya határoz meg: ΔT
Ahol:
Q: a szükséges légmennyiség [m3/min]
cp: a levegő hőkapacitása állandó nyomáson, értéke
1007 J/(kgK)
ρ: a levegő sűrűsége 1,2 kg/m3 @ 25 °C
A konstansok szokásos gyakorlati értékét figyelembe véve a szükséges légmennyiség az alábbi egyszerűsített formában is megadható:
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy 200 W hőveszteséget termelő rendszer számára 20 °C-ot meg nem haladó hőmérséklet-emelkedést 0,5 m3 percenkénti légárammal tudunk biztosítani. Sajnos ez az elméleti számítás annak ellenére, hogy pontos képet ad a hűtésigényről, semmire sem használható önmagában, mert nem veszi figyelembe sem a ventilátor sem a hűteni kívánt rendszer geometriai sajátosságait, ennek megfelelően sokkal bonyolultabb annak a kiszámítása, hogy egy valós rendszerben egy adott hűtőventilátor által biztosított légáram mennyire közelíti meg az elméleti kalkuláció értékét. Ehhez szükséges ismernünk a ventilátorra jellemző nemlineáris összefüggést annak légárama és statikus nyomása között, amelyet a 3. ábrán bemutatott jelleggörbék reprezentálnak. Maximális statikus nyomás lép fel, ha a ventilátorból kilépő levegő útja teljesen el van zárva, azaz a szállított légmennyiség nulla (Y tengely). A ventilátor által maximálisan szállított levegőmennyiség a jelleggörbe X tengellyel való metszéspontjából olvasható le, ekkor a statikus légellenállás 0, a levegő szabadon áramlik.
A hűtendő elektronika valós viszonyok közti, a légárammal szembeni ellenállóságát leíró jelleggörbe a rendszerimpedancia-görbe (system impedace curve – SIC). Kiolvasható belőle a hűtött készülékház légárammal szembeni ellenállása (statikus nyomásérték) a rákényszerített levegő térfogatáramának függvényében, ami egy közel másodfokú egyenlettel írható le: Ps ~ Q1,75… 2
Maga a görbe gyakorlati úton vehető fel, különböző térfogatú légmennyiségek áramoltatásakor fellépő nyomás mérésével.
3. ábra Tipikus axiális ventilátor-légáram – statikus nyomás-jelleggörbék
A hőáramoltatással hűtött rendszerben a 3. és 4. ábrán látható két jelleggörbe: a ventilátorra jellemző P-Q légszállítási görbe és a hűtött rendszerre jellemző impedanciagörbe metszéspontja adja a ventilátor adott alkalmazásban való működésére jellemző munkapontját.
4. ábra Elektronikai készülékház szokásos impedanciagörbéje
5. ábra A munkapont meghatározása
Az 5. és 6. ábrán látszanak a ventilátor jelleggörbéjének nevezetes pontjai. A „nyomás” (Y)-tengellyel való metszéspont a maximális légnyomásértéket mutatja meg, feltételezve, hogy a légáramlat akadályba ütközik, és a szállított légmennyiség nulla. Az X tengellyel való metszéspont a szabad, akadálymentes maximális térfogatú légáramlatot határozza meg. A két példaként bemutatott munkapont közül az egyik a nagy alkatrészsűrűségű, míg a másik a szellősebb elrendezést jellemzi. Az előbbi esetben a rendszer nagyobb légellenállását nagyobb nyomással tudja csak legyőzni a ventilátor és kevesebb levegőt képes átpréselni a rendszeren, míg az utóbbi esetben a szabadabb áramlás miatt kisebb nyomás is elegendő nagyobb légmennyiség átáramoltatásához. Mindkét esetben ugyanaz a hűtőventilátor került alkalmazásra, de a hűtendő készüléket leíró rendszer impedanciagörbéi eltérőek.
6. ábra A munkapontot az adott típushoz, adott fordulatszámon az alkatrészsűrűség határozza meg
A fentiek ismeretében már elkezdhetjük a megfelelő hűtőventilátor kiválasztását, ami a cikk második részében, a következő számban lesz követhető
Felhasznált irodalom
[1] Claudius Klose – elektromechanikus komponensek termékmenedzsere – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH – „ Proper fan selection”
[2] NMB-MAT fan catalogue – „Fan engineering”
Szerző: Kiss Zoltán – Export igazgató, Head of R&D – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com
#3488cb
