Thermisches Kühldesign für Stromversorgungsgeräte
Wir alle wissen, dass das Wärmemanagement ein wichtiger Aspekt des Energiemanagements ist. Es muss Komponenten und Systeme innerhalb der Temperaturgrenzen halten. Passive Lösungen beginnen mit Kühlkörpern und Heatpipes und können Lüfter zur aktiven Kühlung verwenden, um den Kühleffekt zu verstärken.
Die Systemmodellierung auf Komponentenebene und auf Endproduktebene ermöglicht Konstrukteuren eine ungefähre Analyse erster Ordnung der Kühlstrategie. Die Verwendung von numerischer Fluiddynamik für weitere Analysen kann die gesamte Wärmesituation und die Auswirkungen von Änderungen in der Kühlstrategie vollständig verstehen. Alle Wärmemanagementlösungen beinhalten Kompromisse in Größe, Leistung, Effizienz, Gewicht, Zuverlässigkeit und Kosten und müssen die Prioritäten und Einschränkungen des Projekts bewerten.
Alle Wärmemanagementlösungen folgen den Grundprinzipien der Physik. Im Kühlmodus gibt es drei Arten der Wärmeleitung: Strahlung, Leitung und Konvektion
Bei den meisten elektronischen Systemen besteht die erforderliche Kühlung darin, die Wärme die direkte Wärmequelle durch Leitung verlassen zu lassen und sie dann durch Konvektion an andere Orte zu übertragen. Die Design-Herausforderung besteht darin, verschiedene Wärmemanagement-Hardware zu kombinieren, um die erforderliche Leitung und Konvektion effektiv zu erreichen. Es gibt drei am häufigsten verwendete Kühlelemente: Radiator, Heatpipe und Lüfter. Radiatoren und Heatpipes sind passive Kühlsysteme ohne Stromversorgung, zu denen auch natürlich induzierte Wärmeleitungs- und Konvektionsverfahren gehören. Im Gegensatz dazu ist der Lüfter eine aktive Umluftkühlung.
Kühlkörperkühlung:
Der Kühlkörper ist eine Aluminium- oder Kupferstruktur, die Wärme von der Wärmequelle durch Leitung erhalten und die Wärme an den Luftstrom (in einigen Fällen an Wasser oder andere Flüssigkeiten) übertragen kann, um Konvektion zu realisieren. Heizkörper gibt es in Tausenden von Größen und Formen, von kleinen gestanzten Metalllamellen, die einen einzelnen Transistor verbinden, bis hin zu großen Profilen mit vielen Lamellen, die Wärme abfangen und an den konvektiven Luftstrom übertragen können.
Einer der Vorteile des Kühlkörpers besteht darin, dass es keine beweglichen Teile, keine Betriebskosten und keine Ausfallarten gibt. Sobald ein Heatsik der richtigen Größe an die Wärmequelle angeschlossen ist, tritt beim Aufsteigen der warmen Luft auf natürliche Weise eine Konvektion auf, die beginnt und sich fortsetzt, einen Luftstrom zu bilden. Daher sind diese Vorteile sehr wichtig, wenn ein Kühlkörper verwendet wird, um einen gleichmäßigen Luftstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass der Wärmequelle bereitzustellen. Außerdem muss sich der Einlass unterhalb des Kühlers und der Auslass oben befinden; Andernfalls stagniert die heiße Luft auf der Wärmequelle, was die Situation weiter verschlechtert.
Hinzufügen von Heatpipes:
Die Funktion des Wärmerohrs besteht darin, Wärme von der Wärmequelle aufzunehmen und an den kälteren Bereich zu übertragen, aber es selbst fungiert nicht als Heizkörper. Wenn in der Nähe der Wärmequelle nicht genügend Platz für die Platzierung des Heizkörpers vorhanden ist oder der Luftstrom nicht ausreicht, kann das Wärmerohr verwendet werden. Das Wärmerohr hat einen hohen Wirkungsgrad und kann Wärme von der Quelle an einen für die Verwaltung bequemeren Ort übertragen.
Lüfter hinzufügen:
Offensichtlich werden Lüfter die Kosten erhöhen, Platz beanspruchen und die Systemgeräusche erhöhen. Als elektromechanisches Gerät ist der Lüfter außerdem störanfällig, was Energie verbraucht und die Effizienz des gesamten Systems beeinträchtigt. In vielen Fällen, insbesondere wenn der Luftströmungsweg gekrümmt, vertikal oder blockiert ist, sind sie jedoch normalerweise die einzige Möglichkeit, einen ausreichenden Luftstrom zu erhalten. Viele Anwendungen verwenden thermisch gesteuerte Lüfter, die nur bei Bedarf laufen, um die Geschwindigkeit zu reduzieren und dadurch den Stromverbrauch zu senken, und verwenden Flügel, die Geräusche bei optimaler Betriebsgeschwindigkeit minimieren.
Modellierung und thermische Simulation:
Modellierung und Simulation sind für eine effiziente Wärmemanagementstrategie unerlässlich, um zu bestimmen, wie viel Kühlluft benötigt wird und wie die Kühlung erreicht wird. Der Luftstrom durch verschiedene Wärmequellen kann so bemessen werden, dass seine Temperatur unter der zulässigen Grenze gehalten wird. Unter Verwendung der Lufttemperatur, des verfügbaren Durchflusses des nicht erzwungenen Luftstroms, des Lüfterluftstroms und anderer Faktoren für die grundlegende Berechnung können wir die Temperaturbedingungen grob verstehen.
Durch einige Anpassungen können Konstrukteure sehen, ob größere Luftöffnungen mehr Luft benötigen, bestimmen, ob andere Luftströmungswege effektiver sind, Unterschiede bei der Verwendung größerer oder anderer Radiatoren erkennen, die Verwendung von Heatpipes untersuchen, um Hotspots zu verschieben usw. Diese CFD-Modellierungssoftwarepakete können tabellarische Daten und Farbbilder der Wärmeableitung generieren. Änderungen der Lüftergröße, des Luftstroms und der Position sind ebenfalls einfach zu modellieren.
Energiemanagement und Wärmemanagement, insbesondere wie sich die Kühlung leistungsbezogener Funktionen auf das thermische Design und die Wärmeansammlung auswirkt. Selbst wenn die Komponenten und Systeme weiterhin innerhalb des Spezifikationsbereichs arbeiten, führt der Temperaturanstieg außerdem zu Leistungsänderungen mit der Änderung der Komponentenparameter. Überhitzung kann auch die Lebensdauer von Komponenten verkürzen und somit die mittlere Zeit zwischen Ausfällen verkürzen, was ebenfalls ein Faktor ist, der berücksichtigt werden muss, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
