Принудительное воздушное охлаждение электроники: особенности, преимущества и расчеты

Как работает принудительное воздушное охлаждение электроники. Каковы преимущества этого метода охлаждения. Как рассчитать воздушное сопротивление системы охлаждения. Какие факторы влияют на эффективность принудительного воздушного охлаждения.

Что такое принудительное воздушное охлаждение электроники

Принудительное воздушное охлаждение — это метод отвода тепла от электронных компонентов с помощью направленного потока воздуха, создаваемого вентиляторами или воздуходувками. Этот способ позволяет значительно повысить эффективность охлаждения по сравнению с естественной конвекцией.

Основные элементы системы принудительного воздушного охлаждения включают:

• Вентиляторы или воздуходувки для создания воздушного потока
• Радиаторы и теплоотводы для увеличения площади теплообмена
• Воздуховоды для направления потока воздуха
• Перфорированные панели и отверстия для входа/выхода воздуха
• Фильтры для очистки воздуха

Принцип работы заключается в том, что поток воздуха обдувает нагретые компоненты, отводя от них тепло. Затем нагретый воздух выводится из корпуса устройства.

Преимущества принудительного воздушного охлаждения

Данный метод охлаждения обладает рядом важных преимуществ:

• Высокая эффективность — позволяет отводить в 10 и более раз больше тепла по сравнению с естественным охлаждением
• Универсальность — может применяться практически в любых условиях эксплуатации
• Простота реализации — не требует сложных технических решений
• Низкая стоимость — один из самых экономичных способов охлаждения
• Надежность — минимум подвижных частей, высокая отказоустойчивость
• Возможность регулировки интенсивности охлаждения

Благодаря этим преимуществам принудительное воздушное охлаждение является наиболее распространенным методом терморегуляции в электронике средней и высокой мощности.

Расчет воздушного сопротивления системы охлаждения

Для эффективного проектирования системы принудительного охлаждения необходимо рассчитать ее воздушное сопротивление. Это позволит правильно подобрать вентиляторы и оптимизировать конструкцию.

Общее воздушное сопротивление складывается из сопротивлений отдельных элементов:

• Входные и выходные отверстия
• Расширения и сужения воздушного тракта
• Повороты потока
• Трение о стенки и компоненты
• Радиаторы и теплоотводы
• Фильтры

Для каждого элемента существуют эмпирические формулы расчета сопротивления. Суммируя их, можно получить общее сопротивление системы и построить ее характеристическую кривую.

Факторы, влияющие на эффективность воздушного охлаждения

На эффективность принудительного воздушного охлаждения влияет множество факторов:

• Скорость воздушного потока — чем выше, тем интенсивнее теплообмен
• Температура входящего воздуха — более холодный воздух эффективнее отводит тепло
• Площадь теплообменной поверхности — увеличение площади улучшает теплоотдачу
• Турбулентность потока — способствует более интенсивному теплообмену
• Расположение компонентов — важно обеспечить равномерное обтекание
• Тепловыделение компонентов — определяет требуемую интенсивность охлаждения

Учет этих факторов позволяет оптимизировать конструкцию системы охлаждения и добиться максимальной эффективности при минимальных затратах.

Способы повышения эффективности принудительного воздушного охлаждения

Существует ряд методов для улучшения характеристик воздушного охлаждения:

• Использование высокоэффективных вентиляторов
• Оптимизация воздушных трактов для снижения сопротивления
• Применение радиаторов с развитой поверхностью
• Создание направленных воздушных потоков
• Использование тепловых трубок для отвода тепла
• Применение термоэлектрических модулей Пельтье
• Комбинирование с жидкостным охлаждением

Правильное применение этих методов позволяет значительно повысить эффективность охлаждения и расширить возможности его использования.

Ограничения принудительного воздушного охлаждения

Несмотря на множество преимуществ, у данного метода охлаждения есть и некоторые ограничения:

• Ограниченная теплоемкость воздуха — при высоком тепловыделении требуются большие расходы
• Шум от работы вентиляторов — может быть критичен в некоторых применениях
• Засорение фильтров и радиаторов пылью — требует регулярного обслуживания
• Зависимость от температуры окружающей среды
• Ограничение по максимальной скорости потока (15-20 м/с)
• Относительно низкая интенсивность теплоотдачи в воздух

Учет этих ограничений необходим при проектировании систем охлаждения для обеспечения их надежной работы.

Расчет и моделирование систем воздушного охлаждения

Проектирование эффективных систем принудительного воздушного охлаждения требует проведения тщательных расчетов и моделирования. Основные этапы включают:

• Расчет тепловыделения компонентов
• Определение требуемого расхода воздуха
• Расчет воздушного сопротивления системы
• Подбор вентиляторов
• CFD-моделирование воздушных потоков
• Тепловой расчет компонентов
• Оптимизация конструкции

Для расчетов используются специализированные программы, такие как Autodesk CFD, ANSYS Icepak и другие. Это позволяет создавать высокоэффективные системы охлаждения с оптимальными характеристиками.

Принудительное воздушное охлаждение электроники. Матчасть. Воздушное сопротивление РЭА / Хабр

Принудительное охлаждение электроники это часто применяемая практика. У вас есть мощный элемент на плате? Нет проблем! Поставьте радиатор побольше, да вентилятор помощнее и вот вам решение вашей задачи. Но оказывается не все так просто. Мало того, что мощные вентиляторы создают высокий уровень шума, так ведь и у самого электронного устройства есть сопротивление воздушному потоку. Здесь не работает правило «больше, значит лучше». Почему, будет рассказано в этой статье. Кроме того, на самые крутые из вентиляторов, которые ввозятся из-за рубежа, нужно получать лицензию на импорт.

Скажем, вы нашли мощный вентилятор постоянного тока с объемным расходом воздуха порядка 30фт3\мин. Вашей радости нет предела, ведь чем больше расход воздуха, тем больше скорость потока воздуха внутри устройства, что в свою очередь дает возможность лучше охладить элементы. Однако 30фт3\мин – это тот расход воздуха, который мы бы получили, если бы на пути потока воздуха не было никаких воздушных сопротивлений, что, скорее всего, не реалистично.

Наверняка вы видели такие (Рис.1) кривые в даташитах на вентиляторы (если вы, конечно, когда-нибудь заглядывали в них. Дует и дует). Попробую объяснить ее значение. По оси ординат отложен гидравлический напор (hydraulic heads в англ. литературе) в мм (или чаще в дюймах) водяного столба, а по оси абсцисс — поток в кубофутах в минуту. Максимальное значение давления можно получить, если закрыть, скажем, ладонью, вентилятор. В этом случае потока воздуха не будет, а вся энергия пойдет на создание давления. Если препятствий воздушному потоку нет, то у нас разовьется максимальный объемный расход, что есть хорошо.

Рис. 1. Типичная кривая производительности вентилятора PMD1204PQB1-A.(2).U.GN.

Реальность же обычно такова, что система имеет конечное воздушное сопротивление и нужно выбрать точку на кривой, чтобы получить реальное значение объемного расхода.

Зависимость в системе имеет квадратичный вид.

R – общее воздушное сопротивление системы. G – объемный расход воздуха. Сопротивление обычно складывается из потерь на взаимодействие воздушного потока с печатной платой, корпусом, входными и выходными отверстиями, различными расширениями и сужениями в корпусе. Для всех для таких элементов в специальной литературе имеются приближенные формулы для расчета сопротивления.

Рис. 2. Кривая производительности вентилятора и сопротивление системы.

Часто, для охлаждения системы используются несколько вентиляторов. Есть разница в том, как вы собираетесь их поставить – параллельно или последовательно. Параллельно – это когда вы ставите два вентилятора рядом, а последовательно – это два вентилятора друг за другом. Последовательная установка увеличивает статическое давление и больше подходит к системам с высоким внутренним сопротивлением (например, когда у вас очень плотная установка элементов в корпусе и вентиляционная перфорация не впечатляет)(Рис.

3), а параллельная )(Рис.4), наоборот, для систем с низким сопротивлением воздушному потоку и используется для увеличения массового расхода.

Рис. 3. Включение вентиляторов последовательно

Рис. 4. Включение вентиляторов параллельно

На графике (Рис. 4) видно, что при установке в параллель мы увеличиваем объемный расход, чтобы получить конечный результат мы просто должны прибавить к объемному расходу первого вентилятора объемный расход второго и перестроить график. Ситуация для последовательного включения та же самая, но тут мы складываем давления. Хочу отметить, что лучше использовать два одинаковых вентилятора (особенно в случае с последовательном включении). В противном случае, вы можете столкнуться с неприятными явлениями, например с тем, что воздух у вас пойдет в обратную сторону. Замечу, что использование дополнительных вентиляторов не приведет к N-кратной производительности системы охлаждения.

Для характеристики отклика устройства на воздушный поток можно воспользоваться аналогией с электрической цепью (тут применяется метод аналогий). Воздушное сопротивление – электрическое сопротивление. Воздушный поток – электрический ток. Падение напряжения – потери в давлении. Есть еще емкости и индуктивности, но они нам не нужны в данном случае. Поэтому для того, чтобы описать систему, нужно выделить отдельные части, которые оказывают существенное влияние на поток воздуха, записать для каждой выражение воздушного сопротивления. Они достаточно просты. Затем, записывается цепь сопротивлений воздушного потока, ищется общее сопротивление и, наконец, строится характеристическая кривая вашего устройства. Этим мы и займемся на основе примера. Но для начала я приведу основные составные элементы, на которые можно разложить ваше устройство, и записать для них воздушные сопротивления.

На следующем рисунке представлено выражение для перфорированной стенки. Или просто для отверстия. Можно описывать входные вентиляционные стенки.

Рис. 5. Перфорированная стенка и выражение для нее.

Часто, в устройстве есть отсеки с разными объемами. Так вот, да, они тоже имеют воздушное сопротивление.

Рис. 6. Расширение объема.

Резкий поворот.

Рис. 7. Поворот.

Взаимодействие между двумя поверхностями будь то ПП или поверхность корпуса.

Рис. 8. Трение

Возникает вопрос, а как нам описать воздушное сопротивление ПП с расположенными на ней элементами? Неужели плату нужно описывать подробно, разбивая ее на подэлементы? Нет, не нужно. В нашем случае умными людьми было проделано множество опытов, расчетов и моделирования. В принципе, все платы можно свести к тому или иному типовому случаю с точки зрения обтекаемости воздухом. Для каждого из них существует более или менее точная эмпирическая формула для расчета. В следующей таблице показаны эти формулы для различных конфигураций и расположений ПП внутри корпуса. Нам нужен случай (a) – одиночная ПП.

Для примера запишем воздушное сопротивление для следующего корпуса с расположенной в ней ПП.

Рис. 9. Пример устройства, для которого был произведен расчет.

В данном случае присутствуют следующие воздушные сопротивления: входная перфорация, расширение на выходе вентилятора, сопротивление ПП, сопротивление между ПП и верхней крышкой корпуса, сопротивление выходной перфорации. Все эти сопротивления записываются последовательно, и тут нет ничего сложного. Расчет приведен в приложенном файле MathCAD, поэтому кому надо, может заглянуть и воспользоваться наработками. Вам нужно использовать свои геометрические размеры элементов, перфорации. Кроме того в этом файле приводится расчет воздушного сопротивления радиаторов, которые установлены на ЦП1 и ЦП2. Здесь я не привожу их расчет. Все расчеты взяты из книги Gordon N. Elison Thermal Calculations for Electronics.
Приведу получившиеся результаты. На графике (Рис. 9) показано красным воздушное сопротивление и включение дополнительного вентилятора последовательно, а на рисунке 10, параллельно.

Рис. 9. Результаты расчета для включенных последовательно вентиляторов

Рис. 10. Результаты расчета для включенных параллельно вентиляторов

Система получилось с низким воздушным сопротивлением, следовательно больший эффект даст параллельное включение вентиляторов. Теперь, зная параметры системы можно приступать к расчету теплового режима Вашего электронного устройства. Как это сделать при помощи инженерных приближений описано здесь, а также подтверждение результата здесь при помощи моделирования в Autodesk CFD.

Данная статья была написана при помощи книги Gordon N. Elison Thermal Calculations for Electronics.

Ссылка на файл MathCAD для расчетов.

Принудительное воздушное охлаждение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Принудительное воздушное охлаждение позволяет в 10 и более раз повысить теплонагруженность по сравнению с естественным. Однако принудительный режим требует применения в конструкции РЭА дополнительной системы обеспечения теплового режима ( СОТР), что приводит к увеличению объема, массы и энергопотребления.  [1]

Сравнение различных способов охлаждения.  [2]

Принудительное воздушное охлаждение является наиболее распространенным способом охлаждения. Использование для охлаждения атмосферного воздуха позволяет применять этот способ охлаждения практически в любых эксплуатационных условиях.  [3]

Принудительное воздушное охлаждение является наиболее распространенным видом охлаждения ЭВМ средней и большой производительности. Применяются два способа продувки воздуха через шкафы машины для отвода тепла: при помощи встроенных в них небольших вентиляторов либо путем непосредственной подачи в шкафы охлажденного воздуха от кондиционера.  [4]

Принудительное воздушное охлаждение позволяет повысить коэффициент теплообмена до 150 Вт / ( м2 — С) при скорости воздуха 10 м / с.  [5]

Принудительное воздушное охлаждение можно разделить на при-точно-вытяжное, приточное и — вытяжное.  [6]

Тепловое сопротивление радиатора Rthk в зависимости от мощности потерь АР для радиатора типа К200.| Пример системы принудительного охлаждения.| Тепловое сопротивление радиатора Rthk в зависимости от скорости д охлаждающего воздуха ( для радиатора К200.  [7]

Принудительное воздушное охлаждение очень часто применяется в преобразователях средней и большой мощности.  [8]

Общее принудительное воздушное охлаждение целесообразно для устройств, в которых большая часть элементов конструкции имеет примерно одинаковую тепловую нагрузку. По способу подачи воздуха системы общей вентиляции делятся на приточные и вытяжные. В приточных воздух, предварительно очищенный в фильтре, подается вентилятором в блок. При этом внутри блока создается избыточное давление, которое препятствует проникновению неочищенного воздуха внутрь блока. Приточные вентиляционные системы позволяют создать хороший воздушный напор, но избежать аэродинамических теней и застойных зон не во всех случаях удается. В вытяжных системах нагретый воздух засасывается вентилятором из блока и выбрасывается наружу. Здесь вентилятор работает в менее благоприятных условиях, так как через него проходит нагретый воздух. Вытяжная вентиляционная система дает возможность значительно улучшить равномерность обтекания воздухом всех элементов конструкции. Однако для создания необходимой производительности такой конструкции предусматривают более мощные ( на 30 — 40 %) вентиляторы для покрытия потерь от неплотностей кожуха.  [9]

Принудительное воздушное охлаждение аппаратов непрерывно поступающим воздухом можно осуществлять двумя путями: 1) обдувом внешней поверхности корпуса аппарата; 2) сквозным продувом воздуха через внутренний объем аппарата. В первом случае поток воздуха отводит тепло только от поверхности корпуса аппарата; и для того, чтобы тепло от внутренних частей аппарата лучше передавалось корпусу, нужно не только обеспечить их хорошие термические контакты с корпусом, но и вести перемешивание внутреннего объема воздуха. Следовательно, необходимы два принудительных потока воздуха, а при сквозном продуве только один принудительный поток.  [10]

Принудительного воздушного охлаждения источника питания не требуется, так как мощность рассеяния транзистора уменьшается до точки, где охлаждение с помощью конвекции достаточно при повышении температуры до 50 С. Прерыватель цепи используется для защиты от выходных перегрузок. Высокая стабильность является результатом применения пробивного диода с температурной компенсацией для цепи опорного напряжения и двух каскадов дифференциального усиления.  [11]

Возможности принудительного воздушного охлаждения ограничивает скорость обдува ( не более 15 — 20м / с) и низкая интенсивность теплоотдачи в воздух. В результате приходится увеличивать поверхность охладителей, что ведет к росту массы и габаритов, усложнению конструкции.  [12]

Эффективность принудительного воздушного охлаждения зависит от угла, под которым к ребрам радиатора подается охлаждающий воздух ( угол атаки), а также от аэродинамических свойств конструкции радиатора.  [13]

Применение принудительного воздушного охлаждения позволяет доводить число зарядов-разрядов до 50 в минуту без необратимого старения конденсаторов.  [14]

Аппаратура принудительного воздушного охлаждения передатчика предназначается для обеспечения нормального теплового режима работы генераторных ламп ГУ-53Б, ГУ-39Б, ГУ-46Б и ГУ-42, а также других элементов схемы, размещенных внутри шкафа. Отфильтрованный охлаждающий воздух поступает к передатчику через централизованную магистраль. Основная часть охлаждающего воздуха, поступающего в шкаф третьего каскада, используется для охлаждения анодов ламп ГУ-53Б, а оставшаяся поступает в шкаф предварительных каскадов через отверстие в боковой обшивке со стороны третьего каскада. Блоки с лампами ГУ-42 и ГУ-46Б охлаждаются индивидуальным вентилятором типа ЭВ-160, обеспечивающим охлаждение этих блоков.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Как работает принудительное воздушное охлаждение?

Если вы хотите модернизировать отопление и охлаждение своего дома, вы можете подумать о системе центрального отопления и вентиляции. Эти системы могут помочь эффективно обогреть и охладить ваш дом, что поможет сэкономить ваши деньги. Добавление новой системы HVAC также может повысить ценность вашей собственности. Если вы решите перепродать свою собственность, но у вас есть старая система ОВКВ, потенциальные покупатели могут счесть это потенциальной проблемой. Заменив старый блок, вы показываете потенциальному покупателю, что дом является энергоэффективным и экологически чистым. Они с большей вероятностью купят ваш дом, если вы сделаете это обновление. Продолжайте читать для получения дополнительной информации об этом типе нагрева и охлаждения.

Как работает принудительное воздушное охлаждение?

Система принудительной вентиляции использует охлажденный или нагретый воздух для поддержания температуры в вашем доме, где вы хотите. Воздух нагнетается воздуходувкой по всему воздуховоду. Это выходит в ваш дом через регистры. Вы увидите эти регистры на полу, потолке или на стене. Воздух в вашем доме будет циркулировать не менее 3-5 раз в час. Компоненты, которые будут находиться в вашей системе отопления и вентиляции, включают теплообменник, комплект вспомогательного обогрева, воздушный фильтр, змеевик испарителя, вентилятор, термостат и различные другие элементы управления. Если в вашем доме нет воздуховодов, вам необходимо установить воздуховод, прежде чем вы сможете использовать этот тип системы. Этот тип системы HVAC очень популярен в большинстве новых домов, где установлены такие системы.

Преимущества этого типа ОВКВ

Выбор этого типа воздушной системы дает множество преимуществ. Вы сможете фильтровать и очищать воздух в вашем доме. Это поможет уменьшить количество аллергенов, а также микробов, которые могут вызывать простуду и грипп. Еще одним большим преимуществом этого типа системы является то, что весь ваш дом будет иметь комфортную температуру. Эти системы управляются термостатом. Вы просто устанавливаете их на желаемую температуру, и эта температура останется в этой комнате. Ваш счет за коммунальные услуги также будет ниже с этим типом системы. Это более эффективно, что приводит к меньшему количеству проблем с потреблением энергии. Это может быть огромным подспорьем в тех ежемесячных счетах за электроэнергию.

Выбор для установки этой системы

Если вы хотите перейти на этот тип системы, вам необходимо позвонить местным специалистам по HVAC. Они могут помочь вам определить такие вещи, как необходимость воздуховодов и место установки устройства. Большинство компаний предлагают бесплатную оценку, поэтому они смогут выйти и назвать вам цену за установку. Имейте в виду, что цены будут варьироваться в зависимости от того, нужны ли вам воздуховоды, а также другие вопросы. Убедитесь, что ваш специалист по HVAC проведет процесс вместе с вами. Таким образом, вы будете знать, чего ожидать. Обязательно поинтересуйтесь, сколько времени займет этот процесс. Ваш техник должен быть в состоянии дать вам точные сроки завершения вместе с предварительной ценой. Кроме того, спросите своего техника о любых дополнительных функциях, которые вы можете добавить. Такие вещи, как ультрафиолетовое излучение для дополнительной защиты от микробов, всегда хороши. Во многих случаях они могут быть добавлены по очень доступной цене.

Техническое обслуживание системы центрального отопления и кондиционирования

Техническое обслуживание этого типа системы отопления и кондиционирования довольно просто. Эта система поставляется с воздушным фильтром. Этот фильтр необходимо чистить несколько раз в год, в зависимости от того, какой у вас тип фильтра. Некоторые фильтры могут потребовать ежемесячной замены. Убедитесь, что вы спросили своего техника, какой тип фильтра у вас есть. У компании HVAC, которая должна установить вашу систему, будет годовой план технического обслуживания. Этот план, как правило, один раз весной и один раз осенью. Это позволяет компании убедиться, что ваша система работает эффективно. Они проверят такие вещи, как ваш термостат, проводку и наружный блок. Если что-то нужно отремонтировать, они сделают это за вас. Это поможет избежать дорогостоящего ремонта в будущем. Обязательно рассмотрите возможность подписки на эту услугу, если у вас есть система HVAC такого типа.

Если вы хотите модернизировать вашу систему HVAC, сделав ее более чистой и эффективной, рассмотрите возможность использования вышеуказанной системы. Эта система сэкономит вам деньги, лучше обогреет и охладит ваш дом, а воздух станет чище. Позвоните в свою компанию HVAC сегодня.

Принудительная вентиляция и центральная вентиляция: в чем разница?

В отрасли HVAC вы, вероятно, столкнетесь с множеством технических терминов. Вы услышите их от вашего техника, от специалиста, выполняющего вашу установку, в каталоге — вы услышите их везде!

Если вы не знакомы с терминами, это может сбить вас с толку. Одна из самых распространенных путаниц, с которой мы сталкиваемся здесь, в Ernst Heating & Cooling, связана с системами принудительной вентиляции и центральным кондиционированием воздуха.

Хотите узнать разницу? Читай дальше что бы узнать!

Что такое система принудительной вентиляции?

Чаще всего люди называют принудительную вентиляцию системой отопления, например, печью. Но эта информация, хотя и правдивая, на самом деле очень сбивает с толку обычного домовладельца.

Это связано с тем, что система принудительной вентиляции по существу представляет собой любую систему HVAC, которая подает в ваш дом воздух с регулируемой температурой через воздуховоды и вентиляционные отверстия.

Ваша печь, безусловно, является системой принудительной вентиляции. Как и ваш тепловой насос, если это электрический тепловой насос, использующий воздуховоды (хотя мини-сплит-системы без воздуховодов немного отличаются). А так, собственно, ваш центральный кондиционер!

Есть вопросы о системе принудительной вентиляции? Свяжитесь с нашими специалистами сегодня!

Что такое центральное кондиционирование?

Центральный кондиционер использует замкнутый контур охлажденного и циркулирующего воздуха, чтобы обеспечить свежую прохладу, которую вы хотите, когда наступает летний сезон.

Для охлаждения вашего дома используются три компонента:

• Конденсатор
• Компрессор
• Змеевики испарителя

Конденсатор и компрессор расположены на наружном блоке. Они, наряду со змеевиками испарителя, работают в цикле, в котором циркулирует хладагент и втягивает горячий домашний воздух, отводит тепло, а затем вытягивает охлажденный воздух обратно через вентиляционные отверстия.

На самом деле, это те самые, которые являются частью вашего воздушного отопления!

В чем разница между принудительной подачей воздуха и системой кондиционирования воздуха?

Основное различие между системами принудительной вентиляции и центральной вентиляции заключается в том, что центральная система кондиционирования конкретно относится к системе охлаждения. Центральная система кондиционирования воздуха использует систему принудительной вентиляции в вашем доме для подачи охлажденного воздуха, используя вентиляционные отверстия, камеры и воздуховоды для подачи кондиционированного воздуха.

Центральная система кондиционирования не зависит от вашей печи и использует наружный блок, который вообще не подключен к печи. Но, по сути, он заимствует систему доставки, чтобы обеспечить прохладный воздух по всему дому.