طراحی خنک کننده حرارتی برای دستگاه های منبع تغذیه

همه ما می دانیم که مدیریت حرارتی یکی از جنبه های مهم مدیریت انرژی است. باید اجزا و سیستم ها را در محدوده دما نگه دارد. محلول‌های غیرفعال با هیت سینک‌ها و لوله‌های حرارتی شروع می‌شوند و می‌توانند از فن‌ها برای خنک‌سازی فعال برای افزایش اثر خنک‌کننده استفاده کنند.

مدل‌سازی سیستم سطح اجزا و سطح محصول نهایی به طراحان اجازه می‌دهد تا یک تحلیل تقریبی مرتبه اول از استراتژی تبرید انجام دهند. استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای تجزیه و تحلیل بیشتر می تواند وضعیت کلی گرما و تأثیر تغییرات در استراتژی تبرید را به طور کامل درک کند. همه راه حل های مدیریت حرارتی شامل معاوضه هایی در اندازه، توان، کارایی، وزن، قابلیت اطمینان و هزینه هستند و باید اولویت ها و محدودیت های پروژه را ارزیابی کنند.

تمام راه حل های مدیریت حرارتی از اصول اولیه فیزیک پیروی می کنند. در حالت خنک کننده، سه راه انتقال حرارت وجود دارد: تابش، رسانش و همرفت

برای اکثر سیستم‌های الکترونیکی، خنک‌کاری مورد نیاز برای دستیابی به این است که اجازه دهیم گرما از منبع حرارت مستقیم با رسانایی خارج شود و سپس آن را با همرفت به مکان‌های دیگر منتقل کند. چالش طراحی ترکیب سخت افزارهای مختلف مدیریت حرارتی برای دستیابی موثر به رسانایی و همرفت مورد نیاز است. سه عنصر خنک کننده رایج وجود دارد: رادیاتور، لوله حرارتی و فن. رادیاتورها و لوله‌های حرارتی سیستم‌های خنک‌کننده غیرفعال بدون منبع تغذیه هستند که شامل روش‌های رسانش و همرفت با القای طبیعی نیز می‌شود. در مقابل، فن یک سیستم خنک کننده هوای اجباری فعال است.

خنک کننده هیت سینک:

هیت سینک یک ساختار آلومینیومی یا مسی است که می تواند گرما را از منبع گرما از طریق رسانایی دریافت کند و گرما را به جریان هوا (در برخی موارد به آب یا مایعات دیگر) منتقل کند تا جابجایی را تحقق بخشد. رادیاتورها در هزاران اندازه و شکل هستند، از پره های فلزی مهر و موم شده کوچک که یک ترانزیستور را به هم متصل می کنند تا اکستروژن های بزرگ با پره های زیادی که می توانند گرما را قطع کرده و به جریان هوای همرفتی منتقل کنند.

یکی از مزایای هیت سینک عدم وجود قطعات متحرک، بدون هزینه عملیاتی و عدم وجود حالت خرابی است. هنگامی که یک هیت سیک با اندازه مناسب به منبع گرما متصل می شود، با بالا آمدن هوای گرم، همرفت به طور طبیعی رخ می دهد و شروع به تشکیل جریان هوا می کند و ادامه می یابد. بنابراین، این مزایا هنگام استفاده از هیت سینک برای ایجاد جریان هوای صاف بین ورودی و خروجی منبع حرارت بسیار مهم است. علاوه بر این، ورودی باید زیر رادیاتور و خروجی باید در بالا باشد. در غیر این صورت، هوای گرم روی منبع گرما راکد می شود که وضعیت را بیشتر بدتر می کند.

افزودن لوله های حرارتی:

وظیفه لوله حرارتی جذب گرما از منبع گرما و انتقال آن به منطقه سردتر است، اما خود به عنوان رادیاتور عمل نمی کند. هنگامی که فضای کافی در نزدیکی منبع گرما برای قرار دادن رادیاتور وجود ندارد یا جریان هوا کافی نیست، می توان از لوله حرارتی استفاده کرد. لوله حرارتی راندمان بالایی دارد و می تواند گرما را از منبع به مکانی راحت تر برای مدیریت انتقال دهد.

اضافه کردن فن خنک کننده:

بدیهی است که فن ها باعث افزایش هزینه ها، نیاز به فضا و افزایش نویز سیستم خواهند شد. به عنوان یک دستگاه الکترومکانیکی، فن نیز مستعد خرابی است که انرژی مصرف می کند و راندمان کل سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد. با این حال، در بسیاری از موارد، به ویژه زمانی که مسیر جریان هوا منحنی، عمودی یا مسدود است، معمولا تنها راه برای به دست آوردن جریان هوای کافی هستند. بسیاری از برنامه‌ها از فن‌هایی با کنترل حرارتی استفاده می‌کنند که فقط در صورت نیاز برای کاهش سرعت کار می‌کنند و در نتیجه مصرف برق را کاهش می‌دهند و از تیغه‌هایی استفاده می‌کنند که نویز را در سرعت عملکرد بهینه به حداقل می‌رسانند.

مدل سازی و شبیه سازی حرارتی:

مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای یک استراتژی مدیریت حرارتی کارآمد برای تعیین میزان هوای خنک‌کننده مورد نیاز و چگونگی خنک‌سازی ضروری هستند. جریان هوا از طریق منابع مختلف گرما را می توان اندازه گرفت تا دمای آن را زیر حد مجاز نگه دارد. با استفاده از دمای هوا، جریان موجود جریان هوای غیر اجباری، جریان هوای فن و سایر عوامل برای محاسبه اولیه، می‌توانیم شرایط دما را تقریباً درک کنیم.

با انجام برخی تنظیمات، طراحان می توانند ببینند که آیا درگاه های هوایی بزرگتر به هوای بیشتری نیاز دارند یا خیر، تعیین کنند که آیا مسیرهای جریان هوا مؤثرتر هستند یا خیر، تفاوت در استفاده از رادیاتورهای بزرگتر یا متفاوت را شناسایی کنند، استفاده از لوله های حرارتی برای جابجایی نقاط داغ و غیره را بررسی کنند. این بسته‌های نرم‌افزار مدل‌سازی CFD می‌توانند داده‌های جدولی و تصاویر رنگی از اتلاف گرما تولید کنند. مدل‌سازی تغییرات در اندازه، جریان هوا و موقعیت فن نیز آسان است.

مدیریت انرژی همچنین مدیریت حرارتی، به ویژه اینکه چگونه خنک کننده عملکردهای مرتبط با توان بر طراحی حرارتی و تجمع گرما تأثیر می گذارد. علاوه بر این، حتی اگر قطعات و سیستم ها در محدوده مشخصات به کار خود ادامه دهند، افزایش دما با تغییر پارامترهای قطعه باعث تغییرات عملکردی می شود. گرمای بیش از حد همچنین می تواند عمر قطعات را کوتاه کند و در نتیجه میانگین زمان بین خرابی ها را کوتاه کند، که این نیز عاملی است که باید برای اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت در نظر گرفته شود.