Thiết kế làm mát bằng nhiệt cho các thiết bị cung cấp điện
Chúng ta đều biết rằng quản lý nhiệt là một khía cạnh quan trọng của quản lý điện năng. Nó cần phải giữ các thành phần và hệ thống trong giới hạn nhiệt độ. Các giải pháp thụ động bắt đầu với bộ tản nhiệt và ống dẫn nhiệt, đồng thời có thể sử dụng quạt để làm mát tích cực nhằm nâng cao hiệu quả làm mát.
Mô hình hóa hệ thống cấp thành phần và cấp thành phẩm cho phép các nhà thiết kế thực hiện phân tích gần đúng bậc nhất của chiến lược làm lạnh. Sử dụng động lực học chất lỏng tính toán để phân tích sâu hơn có thể hiểu đầy đủ về tình hình nhiệt tổng thể và tác động của những thay đổi trong chiến lược làm lạnh. Tất cả các giải pháp quản lý nhiệt liên quan đến sự đánh đổi về quy mô, công suất, hiệu quả, trọng lượng, độ tin cậy và chi phí, đồng thời phải đánh giá các ưu tiên và ràng buộc của dự án.
Tất cả các giải pháp quản lý nhiệt đều tuân theo các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Trong chế độ làm lạnh, có ba cách dẫn nhiệt: bức xạ, dẫn nhiệt và đối lưu.
Đối với hầu hết các hệ thống điện tử, việc làm mát cần đạt được là để nhiệt rời khỏi nguồn nhiệt trực tiếp bằng cách dẫn, và sau đó truyền nó đến những nơi khác bằng cách đối lưu. Thách thức thiết kế là kết hợp các phần cứng quản lý nhiệt khác nhau để đạt được hiệu quả dẫn truyền và đối lưu cần thiết. Có 3 yếu tố làm mát được sử dụng phổ biến nhất là bộ tản nhiệt, ống dẫn nhiệt và quạt. Bộ tản nhiệt và ống dẫn nhiệt là hệ thống làm mát thụ động không cần nguồn điện, cũng bao gồm các phương pháp đối lưu và dẫn truyền tự nhiên. Ngược lại, quạt là một hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức hoạt động.
Làm mát tản nhiệt:
Tản nhiệt là một cấu trúc bằng nhôm hoặc đồng, có thể thu nhiệt từ nguồn nhiệt thông qua quá trình dẫn và truyền nhiệt cho luồng không khí (trong một số trường hợp là nước hoặc chất lỏng khác) để tạo ra sự đối lưu. Bộ tản nhiệt có hàng nghìn kích cỡ và hình dạng, từ những cánh tản nhiệt nhỏ bằng kim loại được dập nối với một bóng bán dẫn duy nhất đến những cánh tản nhiệt lớn với nhiều cánh tản nhiệt có thể chặn và truyền nhiệt cho luồng không khí đối lưu.
Một trong những ưu điểm của bộ tản nhiệt là không có bộ phận chuyển động, không tốn chi phí vận hành và không có chế độ hỏng hóc. Khi một bộ tản nhiệt có kích thước thích hợp được kết nối với nguồn nhiệt, khi không khí ấm tăng lên, sự đối lưu sẽ tự nhiên xảy ra, bắt đầu và tiếp tục tạo thành dòng không khí. Vì vậy, những ưu điểm này là rất quan trọng khi sử dụng tản nhiệt để cung cấp luồng không khí thông suốt giữa đầu vào và đầu ra của nguồn nhiệt. Hơn nữa, đầu vào phải ở dưới bộ tản nhiệt và đầu ra phải ở trên; Nếu không, khí nóng sẽ bị ứ đọng lại trên nguồn nhiệt khiến tình hình thêm trầm trọng.
Thêm ống dẫn nhiệt:
Chức năng của ống dẫn nhiệt là hấp thụ nhiệt từ nguồn nhiệt và truyền đến vùng lạnh hơn, nhưng bản thân nó không hoạt động như một bộ tản nhiệt. Khi không có đủ không gian gần nguồn nhiệt để đặt bộ tản nhiệt hoặc luồng không khí không đủ, có thể sử dụng ống dẫn nhiệt. Ống dẫn nhiệt có hiệu suất cao và có thể truyền nhiệt từ nguồn đến nơi thuận tiện hơn cho việc quản lý.
Thêm quạt làm mát:
Rõ ràng là quạt sẽ làm tăng chi phí, tốn diện tích và tăng tiếng ồn cho hệ thống. Vì là thiết bị cơ điện nên quạt cũng rất dễ bị hỏng hóc, làm tiêu hao năng lượng và ảnh hưởng đến hiệu quả của cả hệ thống. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, đặc biệt là khi đường dẫn của luồng không khí bị cong, thẳng đứng hoặc bị chặn, chúng thường là cách duy nhất để có đủ luồng không khí. Nhiều ứng dụng sử dụng quạt điều khiển nhiệt chỉ hoạt động khi cần thiết để giảm tốc độ, do đó giảm tiêu thụ điện năng và sử dụng cánh quạt giảm thiểu tiếng ồn ở tốc độ hoạt động tối ưu.
Mô hình hóa và mô phỏng nhiệt:
Mô hình hóa và mô phỏng là điều cần thiết cho một chiến lược quản lý nhiệt hiệu quả để xác định lượng không khí làm mát cần thiết và cách làm mát đạt được. Luồng không khí đi qua các nguồn nhiệt khác nhau có thể được định cỡ để giữ nhiệt độ của nó ở dưới mức giới hạn cho phép. Sử dụng nhiệt độ không khí, lưu lượng có sẵn của luồng không khí không cưỡng bức, luồng không khí của quạt và các yếu tố khác để tính toán cơ bản, chúng ta có thể hiểu một cách đại khái về điều kiện nhiệt độ.
Bằng cách thực hiện một số điều chỉnh, các nhà thiết kế có thể xem liệu các cổng không khí lớn hơn có cần nhiều không khí hơn hay không, xác định xem các đường dẫn dòng khí khác có hiệu quả hơn hay không, xác định sự khác biệt trong việc sử dụng các bộ tản nhiệt lớn hơn hoặc khác nhau, điều tra việc sử dụng các ống dẫn nhiệt để di chuyển các điểm nóng, v.v. Các gói phần mềm mô hình CFD này có thể tạo dữ liệu dạng bảng và hình ảnh màu về tản nhiệt. Các thay đổi về kích thước quạt, luồng gió và vị trí cũng dễ dàng mô hình hóa.
Quản lý điện năng cũng quản lý nhiệt, đặc biệt là cách làm mát của các chức năng liên quan đến nguồn điện sẽ ảnh hưởng đến thiết kế nhiệt và tích tụ nhiệt như thế nào. Ngoài ra, ngay cả khi các thành phần và hệ thống tiếp tục hoạt động trong phạm vi thông số kỹ thuật, sự gia tăng nhiệt độ sẽ gây ra thay đổi hiệu suất cùng với sự thay đổi của các thông số thành phần. Quá nhiệt cũng có thể làm giảm tuổi thọ của các bộ phận và do đó rút ngắn thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc, đây cũng là một yếu tố cần được xem xét để đảm bảo độ tin cậy lâu dài.
