Силовая электроника №1'2006

Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе. Или кратко о методах и системах охлаждения полупроводниковых приборов. Часть 2

Леонид Вихарев


Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе. Или кратко о способах теплотвода, методах и системах охлаждения полупроводниковых приборов.


Вентиляторы: основные типы, их устройство и характеристики

Для обдува всей приборной установки в целом применяются вентиляторы пропеллерного типа с металлическими или пластиковыми лопастями, не перекрывающими в просвете друг друга (рис. 11). По типу питания они относятся к устройствам переменного тока. Такие вентиляторы хорошо работают на свободном выходе воздушного потока, но не способны обеспечивать заметного статического давления воздуха. Внешне они подобны обычным бытовым устройствам, но лишены парадного лоска. Можно считать, что с устройствами данного типа читатели более-менее знакомы, и поэтому обсуждать их не будем.

Рис. 11. Пропеллерный вентилятор общего наружного охлаждения
Рис. 11. Пропеллерный вентилятор общей наружной системы охлаждения

Кулеры — составные устройства (вентилятор и радиатор, рис. 12), в которые входят осевые малогабаритные вентиляторы. О них (вентиляторах) речь пойдет ниже, но о кулерах как комплексных устройствах мы говорить не будем, потому что данный тип устройств производится только с размерами, подобранными под определенные процессорные чипы — такие, например, как процессоры фирм Intel (Pentium-3, Pentium-4, Xeon и т. п.) или AMD (Athlon, Duron, Sempron). Они, конечно, могут применяться не только в компьютерах, но и в составе любого полупроводникового прибора, но только в тех случаях, когда хорошо подходят к охлаждаемому элементу по конструкции, требуемой эффективности и размерам (предполагается, что выбор кулера делается осознанно и грамотно, а не по принципу «лишь бы поменьше хлопот»). К сожалению, такие счастливые совпадения случаются нечасто, и соответственно столь же редко кулеры применяются в серийных промышленных устройствах. Посему данный тип устройств рассматриваться не будет. Интересующихся читателей переадресуем к страницам популярных компьютерных сайтов, например www.ixbt.com, где материалов о кулерах более чем достаточно.

Из множества различных конструкций вентиляторов, работающих в составе систем охлаждения полупроводниковых приборов, мы остановимся только на осевых (в зарубежном наименовании «tubeaxial fan» — аксиальные), диагональных и центробежных радиальных вентиляторах.

Все вентиляторы по типу питания делятся на устройства постоянного и переменного тока. И в той и в другой группе присутствуют все типы рассматриваемых приборов — и осевые, и радиальные, и диагональные. Внутри каждой группы они могут различаться еще по ряду признаков, и прежде всего по производительности или, как еще говорят, «по расходу». Под этими терминами понимается величина воздушного потока — объем перемещаемого вентилятором воздуха за единицу времени (литров в секунду, кубометров в час и т. п.). С объемным показателем неразрывно связан другой параметр — величина статического давления. Эта величина измеряется в миллиметрах (или дюймах) водяного столба и показывает разность между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором, и давлением в окружающей среде (атмосферным давлением). Еще одна важнейшая характеристика — габариты вентилятора. И наконец, не менее важные, но понятные специалистам качества: напряжение питания, потребляемая мощность, наличие встроенных схем управления и защиты, тип выходного статусного сигнала, уровень шума, тип и число подшипников и т. д.

Рис. 12. Кулер компании Delta для процессоров Intel Pentium
Рис. 12. Кулер компании Delta для процессоров Intel Pentium

За последние годы сформировались устойчивые группы продукции определенных габаритных размеров и номиналов питающего напряжения (табл. 2).

Таблица 2. Основные габаритные группы вентиляторов
Таблица 2. Основные габаритные группы вентиляторов

Производителей мирового уровня, поставляющих подобные устройства, по меньшей мере десяток. Часть из них включена в таблицу 1 (см. предыдущий номер «СЭ»). Продукция некоторых из них в том или ином варианте присутствует на отечественном рынке и, следовательно, уже знакома российским инженерам. К сожалению, российские электротехнические предприятия в категорию «мировой бренд» не входят, хотя есть очень неплохие по техническим параметрам устройства, изготавливаемые в России и в СНГ (например, вентиляторы «0.8 ЭВ-0.5-1-3270»; «1.0 ЭВ-1-2-3270» гродненского ОАО «Радиотехника», ВВФ-71М, а также пермские вентиляторы ВН2). Но, к сожалению, весь российский ассортимент можно пересчитать по пальцам одной руки, да и эти изделия по отдельным параметрам отстают от лучших зарубежных образцов. А некоторые характеристики отечественных вентиляторов, такие, как уровень шума, например, просто неизвестны. При таких «успехах» нашей промышленности производителям электроники в нашей стране приходится применять зарубежные вентиляторы. Для сравнения: полная номенклатура продукции компании EBM-Papst (США) содержит примерно 100 тыс. наименований, из которых только малогабаритные осевые и радиальные вентиляторы составляют 20 тыс. типов. При таком богатстве выбора, тем не менее, каждая позиция в фирменных каталогах снабжена полной информацией. Кроме того, абсолютное большинство вентиляторов имеет характеристики производительности в форме графиков.

Наиболее востребованный тип — осевые вентиляторы (рис. 13). Свое название они получили за то, что создаваемый ими воздушный поток движется параллельно оси вращения крыльчатки. Основное назначение — система охлаждение потоком воздуха полупроводниковых приборов, расположенных внутри приборного каркаса. Это достигается путем установки вентилятора снаружи или внутри корпуса, когда нагнетается прохладный воздух снаружи или откачивается разогретый газ из шкафа. Аксиальные (осевые) вентиляторы разрабатываются с целью создания больших воздушных потоков, но они не способны создавать большого статического давления. В таких вентиляторах воздух выталкивается всеми частями пропеллера. Некоторые молекулы газа выталкиваются оконечной, наиболее быстро двигающейся частью крыльчатки, некоторые — той частью лопасти, которая расположена ближе к оси вращения и имеет низкую скорость кругового движения. При большом сопротивлении воздушной среды часть потока отрывается от основной струи. Возникает турбулентность, при которой часть воздуха движется по небольшому кругу. Как правило, наблюдается повышенный шум и падает эффективность системы охлаждения.

Рис. 13. Аксиальный (осевой) вентилятор
Рис. 13. Аксиальный (осевой) вентилятор

Радиальные вентиляторы (рис. 14) всасывают воздух через центральное (осевое) впускное отверстие и выталкивают его радиально по всей окружности крыльчатки. Воздух выбрасывается лопастями рабочего колеса в момент, когда он разогнан до максимальной круговой скорости. Спирально расширяющийся корпус-воздуховод преобразует высокую скорость движения потока в высокое статическое давление воздуха на выходе вентилятора. Изображенная на рис. 15 часть корпуса позволяет лучше понять устройство радиального вентилятора.

Рис. 14. Центробежные радиальные вентиляторы
Рис. 14. Центробежные радиальные вентиляторы
Рис. 15. Часть корпуса и крыльчатка радиального вентилятора
Рис. 15. Часть корпуса и крыльчатка радиального вентилятора

Диагональные вентиляторы занимают промежуточное положение между осевыми и радиальными устройствами и являются своеобразным гибридом, созданным на основе этих двух типов. В них использованы как эффект «зачерпывания» воздуха лопастями осевых устройств, так и принцип центробежного ускорения радиальных вентиляторов. В результате удалось получить поток, почти равный тому, который имеют осевые вентиляторы, и вместе с тем достичь высокого статического давления, присущего радиальным устройствам.

Отличительная черта диагонального вентилятора — коническая ступица ротора. Диагональный вентилятор так же захватывает воздух, как и осевой. Сердцевина ротора, сделанная в форме усеченного конуса, имеет маленькое сечение в зоне входа и увеличенный диаметр на стороне выброса (рис. 16). Более высокая круговая скорость движения кончиков лопастей придает более высокое центробежное ускорение воздуху. При том же самом габаритном размере, что и у осевого вентилятора, молекулам воздуха здесь передается большая энергия, благодаря чему можно достичь повышения статического давления. Вихреобразова-ние минимизировано благодаря конической форме колеса вентилятора. Преимущество их также в том, что даже при высоких скоростях вращения и высоком статическом давлении вентилятор работает очень тихо.

Рис. 16. Диагональный вентилятор (в разрезе) компании EBM-Papst
Рис. 16. Диагональный вентилятор (в разрезе) компании EBM-Papst

Пару десятилетий назад конструкция вентиляторов, питающихся от источника постоянного тока, отличалась от сегодняшней. Двигатель выполнялся традиционным способом, то есть имел неподвижный статор, внутри которого вращался ротор с насаженной на его вал крыльчаткой. Ток поступал на коллектор ротора через угольные щетки — изнашивающийся и ненадежный элемент конструкции. Теперь статор и ротор поменялись местами. Статор с обмоткой находится в центре двигателя, в то время как ротор, представляющий собой постоянный магнит, вращается снаружи. Он же служит основанием крыльчатки. Вал двигателя вращается на герметизированных подшипниках внутри статора, а лопасти вентилятора вместе с ротором образуют единый конструктивный элемент (рис. 17).

Рис. 17. Устройство современных вентиляторов
Рис. 17. Устройство современных вентиляторов

В современных изделиях нет угольных щеток. Коммутация тока на обмотках статора выполняется встроенной электронной схемой. Плата управления встраивается в электродвигатель и не требует дополнительного места, сокращая таким образом габариты системы. Момент переключения токов определяется при помощи сенсоров на эффекте Холла. Последние производятся в виде интегральных микросхем в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа и занимают минимум места на плате. Поскольку мощность электродвигателей невелика, в схеме удается обойтись без мощных транзисторов и диодов. Электроника не только выполняет коммутацию токов, но может также содержать датчики температуры, схемы защиты двигателя от перегрузки или датчики скорости вращения ротора. Встроенная схема совместно с внешней управляющей системой дают возможность гибко регулировать скорость вращения ротора, меняя ее в зависимости от изменений в состоянии охлаждаемого полупроводникового прибора. Пример такого изделия с платой управления приведен на рис. 18.

Рис. 18. Статор вентилятора вместе с платой управления
Рис. 18. Статор вентилятора вместе с платой управления

Благодаря современной компоновке двигатель и вентилятор составляют общую конструкцию, расположенную в центре воздушной струи, что обеспечивает хорошую воздушную систему охлаждения двигателя и хороший теплоотвод. Еще одно важное достоинство такого расположения ротора и статора — высокий крутящий момент. По этой причине для заданной производительности уже не нужен мощный и энергоемкий электродвигатель. Стало возможным уменьшить габариты и достичь тех же результатов на меньшей мощности.

Преимущества данной конструкции:

  • Возможность внесения модификаций в стандартную продукцию посредством изменения функциональных возможностей электроники.
  • Возможность выполнения «мягкого» старта под контролем встроенных микроконтроллерных устройств.
  • Благодаря автоматическому контролю возможно более гибкое управление двигателем.

Через стандартный интерфейс можно реализовать несколько видов управления:

  • контроль температуры при помощи встроенного NTC-резистора;
  • ШИМ-управление;
  • линейное управление скоростью путем регулировки уровня напряжения питания;
  • контроль скорости с помощью частотного сигнала на выходе.

Встроенными датчиками скорости оснащаются почти все малогабаритные осевые вентиляторы, и особенно те из них, которые применяются в процессорных кулерах. В некоторых моделях на выход поступает сигнал постоянного уровня, который снимается в случае прекращения вращения ротора. В других выдается более полная информация, чем просто «работает — не работает». Она содержится в импульсном выходном сигнале, где частота импульсов пропорциональна скорости вращения. Конечно, стандарт и «правила хорошего тона» в данной области техники задает лидер — компания EBM-Papst, среди продукции которой можно найти серии изделий с несколькими вариантами статусных сигналов. От лидера не отстают и азиатские конкуренты. Так, например, в вентиляторах компании Sunon серий ОСМ, ТМ, F, R, М и AM кроме обычных двух проводников («земля» и питание») есть третий — контрольный (статусный), с помощью которого можно определить состояние двигателя. У серии R (вентиляторы с автоматическим рестартом после остановки) уровень выходного сигнала близок к нулю при нормальной работе и отличен от нуля в случае остановки двигателя. У серий ОСМ, ТМ, М и F — импульсный сигнал, который снимается при остановке двигателя. У серии F — меандр, у которого частота импульсов пропорциональна скорости вращения ротора и связана с ней зависимостью R(об/мин) =60/(tимпxТ), где N — число полюсов статора. В серии АМ защита двигателя от перегрузки дополнена звуковым излучателем. Аналогично используется третий провод в вентиляторах компании Delta (Delta — очень известная тайваньская компания, высококачественная продукция которой закупается практически всеми крупнейшими мировыми производителями компьютерного оборудования). Здесь также в наименовании продукции может присутствовать либо литера F (частотный импульсный сигнал), либо R (run— вращается, низкий уровень сигнала).

Регулировка скорости вращения — очень полезное качество, позволяющее управлять величиной воздушного потока и, следовательно, температурой охлаждаемого полупроводникового прибора и даже собственным потреблением энергии. Широко применяются два основных метода регулировки скорости вентилятора: линейное управление посредством изменения напряжения питания и широтно-импульсное управление питанием двигателя. Каждый из них имеет свои ограничения и недостатки. Первый метод применим не ко всем вентиляторам, а только к тем из них, которые способны устойчиво работать на пониженных напряжениях. При управлении данным способом часть напряжения гасится на регулирующем элементе, то есть имеют место непроизводительные затраты мощности. К тому же в схему приходится включать мощный транзистор. Второй метод характеризуется повышенной шумностью работы вентиляторов, возникающей из-за биений скорости и появления ударных механических нагрузок, а также тем, что при таком методе управления становится невозможно контролировать работу с помощью встроенных средств и сигналов. Устройства с выходными сигналами, содержащими информацию о состоянии ротора или скорости его вращения, становятся неприменимы.

Эффективность системы охлаждения повышается, если электроника отслеживает результаты своего воздействия — есть обратная связь. Для этого в состав аппаратуры должны входить температурные датчики, сигнал от которых поступает на вход схемы управления. Данные о температуре объекта должны измеряться и представляться в виде, удобном для дальнейшей обработки, то есть схема управления должна иметь усилители, АЦП, ЦАП, ШИМ и другие узлы. Поскольку проблема управления вентиляцией имеет не разовый характер, а встречается очень часто и существует массовый спрос на данные технические решения, то производителями электронных компонентов был предложен ряд решений, облегчающих построение подобных устройств. Все наиболее известные фирмы, такие, как Analog Devices, National Semiconductor, Texas Instruments и др., производят ИС, предназначенные для управления вентиляторами. Например, компания MAXIM предлагает микросхему МАХ1669, содержащую все необходимые узлы. Довольно подробно эта и другие аналогичные ИС описаны в работе [9].

В последние годы малогабаритные вентиляторы некоторых восточных фирм, предназначенные для системы охлаждения серийных компьютеров, оснащаются встроенными светодиода-ми двух или трех цветов и крыльчаткой из прозрачного пластика. Встроенные датчики температуры управляют включением этих диодов и в зависимости от состояния освещают вращающуюся крыльчатку, например, синим, желтым или красным светом. Получается в общем-то красиво, даже эффектно, и до некоторой степени информативно, хотя как-то немного по-детски. (Ну кто будет периодически заглядывать внутрь устройства и проверять его состояние, ориентируясь на цвет вращающихся лопастей вентилятора?)

Вентиляторы европейских и американских производителей на российском рынке встречаются реже, хотя и обладают превосходными характеристиками. Они довольно-таки дороги для наших потребителей, а вот продукция производителей из Юго-Восточной Азии вполне доступна. Она лишь чуть-чуть уступает по качеству аналогичным изделиям мировых лидеров (если судить по заявленным характеристикам), но зато имеет приемлемую стоимость. Среди сотен азиатских компаний есть лишь несколько получивших мировое признание, и почти все они перечислены в таблице 1. Перечни продукции таких мировых брендов, как EBM-Papst, NMB-MAT, Sunon, Delta, имеют сотни серий и тысячи типов. Естественно, рассказать обо всем этом множестве в рамках статьи невозможно, но, для того чтобы читатель все-таки мог составить себе представление о производимых устройствах, в качестве примера приводится таблица параметров на некоторые модели вентиляторов компании Sunon (табл. 3). В таблицу включены только наиболее популярные типы вентиляторов Sunon, а весь перечень состоит из многих сотен позиций, среди которых есть и малыши размером 17x17x8мм, и крупные устройства с габаритами254x89мм.

Таблица 3. Основные характеристики некоторых вентиляторов компании Sunon
Таблица 3. Основные характеристики некоторых вентиляторов компании Sunon

Основные понятия о законах вентиляции в системах охлаждения

Вентиляторы создают воздушный поток, который, преодолевая сопротивление среды, распространяется через охлаждаемые полупроводниковые приборы. Свежий, более прохладный воздух обдувает электронные компоненты, унося с собою избыточное тепло. Движение воздуха через пространство шкафа возможно, только если существует перепад давления в начале и в конце отрезка пути, по которому он движется. Картина аналогична той, что наблюдается в электротехнике: ток через участок цепи, обладающей некоторым сопротивлением, может протекать только тогда, когда существует разность потенциалов на концах этой цепи.

Если течение воздуха через оборудование затрудняется какими-либо крупноразмерными компонентами или перегородками и изгибами, то поток будет уменьшаться. Практически всегда существует сколько-нибудь заметное сопротивление потоку. Полное его отсутствие бывает только в идеале. В реальности можно считать, что оно незначительно, и им можно пренебречь, когда вентилятор работает в очень большой и пустой комнате. При этом воздушный поток достигает максимального значения, а статическое давление приближается к нулю. Максимальная скорость вращения достигается при наибольшем воздушном потоке и в то же время при наименьшей потребляемой мощности.

В приложении к закрытым шкафам (каркасам, крейтам) РЭА картинка будет далека от идеала. Вместе с ростом сопротивления движению воздуха наблюдается пропорциональное уменьшение воздушного потока и рост статического давления. Струя наталкивается на препятствие, и вентилятору становится труднее «проталкивать» ее через закрытое пространство. Скорость вращения крыльчатки уменьшается. Величина воздушного потока соответственно меняется тоже.

Конструктивные особенности устройства, в частности мощность двигателя, частота вращения, диаметр рабочего колеса, число лопастей, их геометрия и т. д., определяют различия в поведении вентиляторов при меняющихся величинах давления и потока воздуха. Так, например, осевые вентиляторы обычно имеют минимальные габариты и поэтому оснащаются относительно маломощными электродвигателями. Это означает, что их скорость вращения зависит от нагрузки и может изменяться очень значительно. Один и тот же вентилятор, помещенный в различные корпуса (в различные среды), будет показывать разную величину потока. (И наоборот: очень разные вентиляторы, работающие в одних и тех же условиях, могут обладать одинаковой производительностью.) Различия в поведении вентиляторов описываются характеристической кривой (рис. 19). Она устанавливает взаимосвязь между изменением статического давления, вызванного сопротивлением среды, и изменением величины воздушного потока, обеспечивая потребителя полной информацией о производительности вентилятора. Серьезные фирмы-производители всегда сопровождают технические данные на выпускаемые вентиляторы графическими характеристиками. На графике видно, что наибольший поток имеет место при наименьшем статическом давлении. И наоборот, максимальное давление наблюдается при работе вентилятора с закрытым выпуском, когда поток равен нулю.

Рис. 19. Характеристическая кривая вентилятора
Рис. 19. Характеристическая кривая вентилятора

Итак, есть четкая взаимосвязь между условиями работы вентилятора, величинами потока и давления. Для каждой среды такая зависимость строго индивидуальна, и она может быть измерена экспериментально. В результате можно построить кривую, характеризующую данную среду (данный шкаф с РЭА).

Наблюдая взаимодействие закрытой среды и вентилятора, в конце концов придем к некой точке пересечения кривой производительности вентилятора и кривой воздушного сопротивления системы (эта область выделена цветом на рис. 11). Эта точка называется рабочей точкой: она показывает, какой должна быть величина воздушного потока вентилятора при работе на заданной величине давления воздуха в данных условиях и в данном оборудовании.

При разработке воздушной системы охлаждения полупроводниковых приборов подбор подходящего вентилятора является одной из важных задач. Ведущие фирмы-производители вентиляционного оборудования рекомендуют следующую последовательность действий:

  • Первым шагом является определение полного набора требований по системе охлаждения, выполнение которых необходимо для обеспечения эффективной работы системы, что будет обеспечивать желаемые рабочие условия при максимальной производительности и безотказной работе всех компонентов системы.

Три фактора являются критическими:

  1. количество теплоты, которое должно быть удалено из каркаса;
  2. тепловой перенос, выраженный в ваттах по отношению к изменению температуры;
  3. величина воздушного потока, необходимого для удаления избыточного тепла, выраженная в м3/мин или CFM (кубических футах в минуту)

Для пересчета величин воздушного потока из CFM в м3/мин или обратно следует воспользоваться таблицей 4. Формула для определения необходимого воздушного потока:

Q3/мин) = (0,05xР)/ΔT = Q(CFM) = (1760xP)/ΔT,

где: Q — требуемый воздушный поток, выраженный в м3/мин или в CFM, Р — рассеиваемая мощность в ваттах. (Для выполнения расчетов нужно знать реальное значение рассеиваемой мощности, но для упрощения дела можно полагать, что вся потребляемая мощность превращается в тепло.)

Таблица 4. Соотношение различных единиц измерения воздушного потока
Таблица 4. Соотношение различных единиц измерения воздушного потока

ΔTT =Tвых-Tвход) — требуемое изменение температуры в градусах Кельвина.

Таблица 5, разработанная инженерами фирмы EBM-Papst, призвана облегчить подбор вентилятора. Поскольку производительность всех вентиляторов, указанная в технических характеристиках, определяется при нулевом статическом давлении, то выбор устройства для закрытого каркаса должен быть сделан из приборов с большим потоком. Рекомендуется подбирать вентиляторы, имеющие производительность на 20-30% выше, чем была рассчитана ранее. Возможно, окажется, а скорее всего так и случится, что таких устройств несколько, и именно среди них вам предстоит сделать выбор.

Таблица 5. Типовые величины мощности РЭА и воздушного потока
Таблица 5. Типовые величины мощности полупроводниковых приборов и воздушного потока

На втором этапе нужно определить полный системный импеданс или системную характеристическую кривую. Все элементы, которые препятствуют потоку воздуха, создают подъем давления в пределах системы. Это изменение давления [ΔР] есть статическое давление, выраженное в дюймах (или миллиметрах) водяного столба.

Кривая системного сопротивления рассчитывается по формуле:

ΔР = КxQn

Здесь K— системная константа. Иногда производители стандартных шкафов (крейтов, каркасов) указывают ее в технических справочных материалах. (Для некоторых типов компьютерных корпусов, например, значение константы К = 0,05 - 0,12.) Q — воздушный поток в CFM, n — коэффициент турбулентности: n = 1 для ламинарного и n = 2 для турбулентного потока. Он зависит от расположения и габаритов компонентов и их положения по отношению к струе воздуха, от того, какой способ вентиляции выбран — нагнетающий или вытяжной, и еще от многих причин. В большинстве случаев уравнение можно упростить до линейной зависимости ΔР = КxQ. Для построения кривой нужно рассчитать хотя бы одну точку. Вторая известна — линия начинается от нулевой координаты. Конечно, полученная таким способом линия весьма приблизительно будет соответствовать реальному положению дел. Точное значение системного импеданса можно установить только опытным путем.

Рис. 20. Рабочая точка вентилятора
Рис. 20. Рабочая точка вентилятора

Конечный шаг в решении вопроса о выборе устройства перемещения воздуха — это наложение системной характеристической кривой (кривой системного сопротивления) на рабочие характеристики выбранных устройств. Точки пересечения являются «возможными соответствиями». Лучший воздушный нагнетатель для вашего приложения будет обладать параметрами, заданными точкой пересечения кривой системного импеданса и рабочей характеристики. Из нескольких полученных вариантов предпочтительнее то устройство, производительность которого соответствует или слегка превышает рассчитанную ранее (на первом этапе процесса выбора).

Если почему-либо окажется, что ни одно из известных вам устройств не обладает требуемой производительностью при заданном значении статического давления, то можно прибегнуть к каскадированию вентиляторов. При этом следует помнить, что параллельная работа двух одинаковых вентиляторов позволяет получать удвоение воздушного потока (при нулевом статическом давлении), а последовательная установка вентиляторов позволяет удвоить статическое давление в системе (при нулевом воздушном потоке). В реальности же удвоения конечно не будет, но объемы и давление возрастут. Точную величину можно определить по характеристическим кривым, принцип построения которых иллюстрируется на рис. 21. Специалистами компании EBM-Papst разработана диаграмма, позволяющая даже неспециалисту легко определить величину необходимого воздушного потока в зависимости от допустимого роста температуры в устройстве определенной мощности (рис. 22) Предположим, что ваше устройство имеет мощность 100 Вт и довольно требовательно к температуре. Максимум, что можно позволить, — его нагрев до температуры +10 °С от исходного значения в выключенном состоянии (предположим, например, исходно было +300 °К (27 °С)). Для определения воздушного потока необходимо найти на вертикальной оси точку, соответствующую 100 Вт, провести горизонтальную прямую до пересечения с линией 10 °К и затем опустить перпендикуляр на горизонтальную ось графика. Мы получим точку, примерно соответствующую 17 CFM. Такова минимальная величина потока (при нулевом статическом давлении), которую должен обеспечить ваш вентилятор, чтобы аппаратура не нагрелась выше 37 °С. (Заметим, что если требования не столь жестки, то и величина потока потребуется меньше.) Поскольку вентилятор будет работать не в идеальных условиях, необходимо скорректировать найденную величину в соответствии с условиями работы. Для этого опять воспользуемся рекомендациями инженеров EBM-Papst и выберем устройство с потоком, превышающим найденную величину на 30%.

Рис. 21. Параллельная и последовательная работа вентиляторов
Рис. 21. Параллельная и последовательная работа вентиляторов
Рис. 22. Диаграмма для определения воздушного потока
Рис. 22. Диаграмма для определения воздушного потока

Следует заметить, что вообще эффективность работы воздушных систем охлаждения определяется не только и не столько техническими характеристиками вентиляторов, сколько умением правильно оценить условия работы оборудования и выполнить полную разработку системы охлаждения: определить размер и местоположение впускных и выпускных отверстий в корпусе аппаратуры, решить, какой именно тип вентиляции — нагнетающий или вытяжной — наиболее применим в данном конкретном случае, определить допустимый уровень шума, рассчитать необходимый и достаточный воздушный поток, определить расположение компонентов на плате и т. п.

Принудительное охлаждение струей воздуха для компактных электронных корпусов может быть достигнуто либо эвакуацией воздуха (с вентилятором на выпускной стороне), либо его нагнетанием (с вентилятором на входной стороне). Выбор подходящего метода должен быть сделан еще на ранних этапах проектирования. Хотя оба теоретически используют один и тот же объем воздуха для отвода излишнего тепла, тем не менее они по разному относятся к размещению компонентов в пределах ограждения. Нагнетающий вентилятор образует направленный воздушный поток внутри корпуса с полупроводниковыми приборами. Он начинается от выходного отверстия вентилятора и простирается вглубь в направлении оси вращения крыльчатки. Можно, оптимальным образом разместив компоненты, добиться того, чтобы наиболее горячие элементы попали в охлаждающий поток. Однако если по каким-либо причинам это сделать невозможно, например, если таких элементов несколько или все их невозможно установить на основной струе воздуха, то полупроводники могут нагреться до недопустимых температур. Возможно, правильнее будет выбрать другой способ вентиляции. В шкафу, оборудованном вытяжным вентилятором, возникает небольшое разряжение, и подсос воздуха может происходить не через одно основное впускное отверстие, а через несколько оптимальным образом расположенных отверстий. В этом случае легче обеспечить систему охлаждения проблемных компонентов. Для равномерной системы охлаждения всего объема можно выполнить некоторые стенки корпуса сетчатыми, как это сделано, например, в блоках питания серийных компьютеров. Иногда достаточно многочисленных неплотностей и щелей в конструкции корпуса. Так или иначе, но в результате воздух внутри перемещается более свободно, распределяясь по всему объему аппаратуры. Кроме того, следует иметь в виду, что в этом случае тепло, выделяемое электродвигателем самого вентилятора, в шкафу не рассеивается.

Вытяжная вентиляция имеет недостаток: из-за пониженного давления в пределах ограждения атмосферная пыль втягивается внутрь шкафа сквозь все отверстия и щели. Фильтрация воздуха в данном случае невозможна. Нагнетающий вентилятор может устанавливаться с фильтром на входе, вытяжной — нет. (Площадь фильтра, его проницаемость и форма, а также удаленность от входного отверстия вентилятора — отдельная тема, на которой люди регистрируют патенты и пишут научные статьи.) К тому же избыточное давление, создаваемое внутри корпуса, не позволяет пыли проникать в него через щели. Правда, несвоевременная замена фильтра может привести к снижению интенсивности охлаждения в системе и перегреву полупроводниковых приборов, что маловероятно при вытяжной вентиляции. Другим недостатком нагнетающей вентиляции является небольшой дополнительный нагрев поступающего воздуха двигателем. Это может понизить эффект системы охлаждения воздуха.

Преимущества размещения вентилятора на стороне впуска:

  • В шкафу поддерживается положительное (повышенное) давление, что препятствует проникновению пыли снаружи.
  • Усиление турбулентности потока внутри системы увеличивает общий отвод тепла на выходе.
  • Время безотказной работы вентилятора увеличивается, так как двигатель работает в струе входного потока при невысоких температурах и в комфортных условиях. Следует сказать, что на продолжительности

работы вентилятора сказываются такие факторы, как тип и число подшипников, сбалансированность системы «статор — ротор» (точность изготовления узлов и качество сборки), температура внешней среды, стабильность параметров электрического питания и др., среди которых температура является одним из главных факторов. Влияние температуры на время безотказной работы вентилятора поясняется графиками на рис. 23 на примере устройств постоянного тока компании Sunon. Здесь по вертикальной оси отсчитывается время жизни (безотказной работы) вентилятора, а по горизонтальной — температура окружающей среды. На рисунке синим цветом обозначены вентиляторы, имеющие два особых (фирменных, патентованных) подшипника качения и специальную магнитную систему поддержки и стабилизации (MagLev+Vapo), зеленым — изделия с двумя обычными шарикоподшипниками, коричневым — с одним шариком и одним подшипником скольжения, красным — с двумя подшипниками скольжения.

Рис. 23. Зависимость времени работы вентилятора от температуры окружающей среды и типа подшипников (материалы компании Sunon)
Рис. 23. Зависимость времени работы вентилятора от температуры окружающей среды и типа подшипников (материалы компании Sunon)

Преимущества размещения вентилятора на выпускной стороне:

  • Лучшее управление воздушным потоком за счет размещения впускных отверстий вблизи источников тепла.
  • Уменьшение уровня шума за счет того, что выходное отверстие обычно располагается вдали от пользователя, на удаленной стороне шкафа.
  • Тепло, выделяемое электродвигателем вентилятора, не воздействует на работу полупроводниковых приборов и отводится в сторону от оператора аппаратуры (не вносит дискомфорта в его работу).

Помните, что эффективность системы охлаждения зависит:

  • от объемов и скорости потока воздуха (чем больше эти величины, тем лучше система охлаждения);
  • от разницы температур в подводимом и отходящем потоке (следует подавать прохладный воздух и добиваться большего теплоотвода);
  • от площади охлаждаемой поверхности (чем она больше, тем эффективнее конвекционный теплообмен, теплоотвод и лучше система охлаждение);
  • от теплопроводности и теплоемкости материала (применяйте радиаторы, изготовленные из медных или алюминиевых сплавов);
  • от сопротивления воздушной среды (старайтесь не создавать препятствий на пути воздушного потока, избегайте установки перегородок);
  • от расположения компонентов и наличия застойных зон;
  • от мощности двигателя: даже при большом сопротивлении среды мощный вентилятор не будет перегреваться и прослужит дольше. Некоторые важные правила:
  • Размещайте компоненты с низким тепловыделением ближе ко входному отверстию, а компоненты с высоким выделением — ближе к выпускному отверстию.
  • Устройства с большим воздушным потоком, работающие на пониженной скорости, — лучшее решение для борьбы с шумом. (Принято считать, что уровень шума меньше 30 дБА не мешает работе и воспринимается человеком как очень низкий, практически неслышимый.)
  • Если увеличение воздушного потока вызывает непропорциональный рост статического давления, то правильнее будет прежде всего пересмотреть расположение входного и выпускного отверстий и путь движения потока и лишь после того принимать решение о замене вентилятора на более мощный.
  • Когда требуется направлять большие объемы воздуха, движущегося с высокой скоростью (например, для усиленной системы охлаждения), следует выбирать центробежные вентиляторы. Предпочтительнее с внешним ротором, на котором смонтирована крыльчатка.

Тепловые расчеты конструкций довольно сложны. Однако не стоит опасаться, что вы не сможете сделать эту работу как следует, потому что вы совсем не специалист в теплотехнике и почти ничего не понимаете в ней. Помните, что Ноев ковчег построил дилетант, а «Титаник» — лучшие профессионалы. Дело упрощается, если разработчики имеют достаточное количество исходных данных. К сожалению, такое случается нечасто, поэтому большое значение имеют эмпирические соотношения и эксперимент. В такой ситуации в статье [3] рекомендуется следующий подход.

Установите в ваш каркас вместо дорогих компонентов пустые алюминиевые коробочки, имеющие габариты, совпадающие с реальными, разместите внутри мощные резисторы, подайте на резисторы необходимую мощность и «поиграйте» с различными вариантами теплоотводов. Вы можете сэкономить массу ресурсов, вовремя обнаружив, что в вашем конкретном случае, например, радиатор требуется больший, чем предполагалось, а вентиляторы должны работать не на вытяжку, а на нагнетание или наоборот.

Литература

  1. Гончаров А. Практика применения конвертерных модулей класса DC-DC // Электронные компоненты. 1999. № 3.
  2. Колпаков А. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов // Компоненты и технологии. 2002. № 1.
  3. Криницин В. Ликбез по системам охлаждения. Занятие первое и последующие. www.ixbt.com/ cpu/cpu-coolers-inquestion-august2k2.shtml
  4. Криницин В. Система водяного охлаждения Infinipro AquaCool. www.ixbt.com/cpu/ infinipro-aquacool.shtml
  5. «Полупроводниковые кулеры Пельтье»www.hardline.ru/selfteachers/Info/OS/ Adjustment%20and%20optimization%20of% 20a%20computer/Glava%2017/Index4.htm
  6. Материалы сайта компании EBM-Papst, раздел «Технические статьи». www.ebm.com/Product/techarticles.htm
  7. Материалы каталога «Compact Fans for AC and DC» компании EBM-Papst. 2005.
  8. Материалы сайта компании JARO www.jaro1.com/catalog.asp
  9. Валентинова М. Компьютерные системы: с тепловым режимом все «Окей»! // Электроника НТБ. 2001. № 1.
  10. Материалы сайта компании Titan. www.titan-cd.com
  11. Материалы сайта компании Zalman. www.zalman.co.kr
  12. Материалы сайта компании Sunon. www.sunon.com.tw
  13. Материалы сайта компании Melcor. www.melcor.com
  14. Материалы сайта компании Остерм. www.osterm.ru
  15. Материалы сайта компании Криотерм. www.kryotherm.ru

<< Предыдущая статья

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_62.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо