Принудительное охлаждение электроники – часто используемая практика.
У вас есть мощный элемент на доске? Без проблем! Установите радиатор побольше и вентилятор помощнее и вот решение вашей проблемы.
Но оказывается, что не все так просто.
Мало того, что мощные вентиляторы создают высокий уровень шума, так еще и само электронное устройство оказывает сопротивление воздушному потоку.
Правило «чем больше, тем лучше» здесь не действует. Почему и пойдет речь в этой статье.
Кроме того, самые крутые вентиляторы, которые ввозятся из-за границы, требуют лицензии на ввоз.
Постановка задачи Допустим, вы нашли мощный вентилятор постоянного тока со скоростью потока воздуха около 30 футов3/мин.
Вашей радости нет предела, ведь чем больше поток воздуха, тем больше скорость движения воздуха внутри устройства, что в свою очередь позволяет лучше охлаждать элементы.
Однако 30 футов3/мин — это поток воздуха, который мы получили бы, если бы на пути воздушного потока не было сопротивления воздуха, что, скорее всего, нереально.
Наверняка вы видели подобные кривые (рис.
1) в даташитах на вентиляторы (если, конечно, вы на них когда-нибудь смотрели.
Дует и дует).
Я попробую объяснить его значение.
По оси ординат показан гидравлический напор (гидравлические напоры в английской литературе) в мм (или чаще в дюймах) водяного столба, а по оси абсцисс показан расход в кубических футах в минуту.
Максимальное значение давления можно получить, прикрыв вентилятор, скажем, ладонью.
В этом случае потока воздуха не будет, а вся энергия пойдет на создание давления.
Если нет препятствий для потока воздуха, то мы создадим максимальный объемный поток, и это хорошо.
Рис.
1. Типичная кривая производительности вентилятора PMD1204PQB1-A.(2).
U.GN. Реальность обычно такова, что система имеет конечное сопротивление воздуха, и для получения фактического объемного расхода необходимо выбрать точку на кривой.
Зависимость в системе имеет квадратичный вид. 
R — полное сопротивление воздуха системы.
G – объемный расход воздуха.
Сопротивление обычно складывается из потерь вследствие взаимодействия воздушного потока с печатной платой, корпусом, входными и выходными отверстиями, а также различных расширений и сжатий корпуса.
Для всех подобных элементов в специализированной литературе имеются примерные формулы расчета сопротивления.
Рис.
2. Кривая производительности вентилятора и сопротивление системы.
Способы включения вентиляторов Часто для охлаждения системы используется несколько вентиляторов.
Есть разница в том, как вы их собираетесь ставить – параллельно или последовательно.
Параллельно — это когда вы размещаете два вентилятора рядом друг с другом, а последовательно — два вентилятора друг за другом.
Последовательная установка увеличивает статическое давление и больше подходит для систем с высоким внутренним сопротивлением (например, когда у вас очень плотная установка элементов в корпусе и вентиляционная перфорация не впечатляет) (рис.
3), а также параллельная установка (рис.
3).
.
4), наоборот, для систем с малым сопротивлением потоку воздуха и применяется для увеличения массового расхода.
Рис.
3. Включайте вентиляторы последовательно.
Рис.
4. Параллельное включение вентиляторов.
На графике (рис.
4) видно, что при параллельной установке мы увеличиваем объемный расход; чтобы получить окончательный результат, нам просто нужно сложить объемный расход второго вентилятора с объемным расходом первого вентилятора и перестроить график.
Ситуация с последовательным переключением та же самая, но здесь мы суммируем давления.
Хочу отметить, что лучше использовать два одинаковых вентилятора (особенно в случае последовательной работы).
В противном случае вы можете столкнуться с неприятными явлениями, например, с тем, что у вас воздух будет течь в обратном направлении.
Обратите внимание, что использование дополнительных вентиляторов не приведет к увеличению производительности системы охлаждения в N раз.
Как описать сопротивление воздуха электронного устройства Для характеристики реакции устройства на поток воздуха можно использовать аналогию с электрической цепью (здесь использован метод аналогий).
Сопротивление воздуха – это электрическое сопротивление.
Воздушный поток представляет собой электрический ток.
Падение напряжения – потеря давления.
Еще есть емкости и индуктивности, но они нам в данном случае не нужны.
Поэтому, чтобы описать систему, необходимо выделить отдельные части, оказывающие существенное влияние на воздушный поток, и записать выражение сопротивления воздуха для каждой.
Они довольно просты.
Затем записывают схему сопротивления потоку воздуха, ищут общее сопротивление и, наконец, строят характеристическую кривую вашего устройства.
Это мы и сделаем на примере.
Но сначала я приведу основные узлы, на которые можно разобрать ваше устройство и записанное для них сопротивление воздуха.
На следующем рисунке показано выражение для перфорированной стены.
Или просто для дырки.
Можно описать входные вентиляционные стены.
Рис.
5. Перфорированная стена и выражение для нее.
Зачастую устройство имеет отсеки разного объема.
Так что да, у них тоже есть сопротивление воздуха.
Рис.
6. Расширение объема.
Резкий поворот. 
Рис.
7. Поворот. Взаимодействие между двумя поверхностями, будь то печатная плата или поверхность корпуса.
Рис.
8. Трение Возникает вопрос, как можно описать сопротивление воздуха ПП с расположенными на нем элементами? Неужели нужно подробно описывать плату, разбивая ее на подэлементы? Нет не нужно.
В нашем случае умные люди провели массу экспериментов, расчетов и моделирования.
В принципе, все платы можно свести к тому или иному типовому случаю по расходу воздуха.
Для каждого из них существует более или менее точная эмпирическая формула расчета.
В следующей таблице показаны эти формулы для различных конфигураций печатных плат и их расположения внутри корпуса.
Нам нужен случай (а) – одиночный ПП.
Пример расчета
Для примера запишем сопротивление воздуха для следующего корпуса с расположенным в нем ПП.
Рис.
9. Пример устройства, для которого производился расчет. При этом присутствуют следующие сопротивления воздуха: входная перфорация, расширение на выходе вентилятора, сопротивление печатной платы, сопротивление между печатной платой и верхней крышкой корпуса, сопротивление выходной перфорации.
Все эти сопротивления записываются последовательно, и здесь нет ничего сложного.
Расчет приведен в прикрепленном файле MathCAD, поэтому любой желающий может посмотреть и воспользоваться разработками.
Необходимо использовать свои геометрические размеры элементов и перфорацию.
Кроме того, в этом файле приведен расчет сопротивления воздуха радиаторов, установленных на CPU1 и CPU2. Я не привожу здесь их расчет. Все расчеты взяты из книги Гордона Н.
Элисона «Тепловые расчеты для электроники».
.
Представляю полученные результаты.
На графике (рис.
9) красным цветом показано сопротивление воздуха и включение дополнительного вентилятора последовательно, а на рис.
10 - параллельно.
Рис.
9. Результаты расчета для вентиляторов, включенных последовательно.
Рис.
10. Результаты расчета вентиляторов, включенных параллельно.
Нижняя граница Система оказалась обладающей низким сопротивлением воздуха, поэтому параллельное включение вентиляторов даст больший эффект. Теперь, зная параметры системы, вы можете приступить к расчету теплового режима вашего электронного устройства.
Как это сделать с помощью инженерных приближений, описано Здесь , а также подтверждение результата Здесь с использованием моделирования Autodesk CFD. Эта статья написана с использованием книги Гордона Н.
Элисона «Тепловые расчеты для электроники».
Связь в файл MathCAD для вычислений.
Теги: #Компьютерное оборудование #физика #электроника #воздушное охлаждение #Тепловые расчеты #Тепловой режим #Сопротивление воздуха
-
Worm Flame Создан Для Кибершпионажа
19 Oct, 24 -
Вм Или Докер?
19 Oct, 24 -
Идея Для Стартапа: Виртуальная Бизнес-Сеть
19 Oct, 24 -
Языки Описания Интерфейса
19 Oct, 24 -
Microsoft Выпустила My Phone
19 Oct, 24 -
Toshiba Выпускает Процессор Cell
19 Oct, 24
