4.5.2. Теплоотвод конвекцией.

При конвективном отводе тепла используют воздушное естественное и принудительное, водо-воздушное охлаждение. При высоких требованиях к стабильности параметров схем используется термостатирование узлов и блоков.

Естественное охлаждение применяется в бытовой аппаратуре с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см². Метод охлаждения конвекцией, являясь самым простым, требует повышенного внимания конструктора к вопросам рациональной компоновки по критерию обеспечения нормального теплового режима. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распределению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты – в нижней части, защищать тепловыми экранами.

Блестящий экран, разделяющий теплонагруженные и чувствительные к перегреву модули, снижает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры поверхности внутри аппаратуры, теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты. Для этого внутренние и наружные поверхности кожухов и каркасов окрашиваются масляными красками или лаками.

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. Перегрев аппаратуры с темной окраской кожуха, освещаемой солнцем и при незначительной циркуляции воздуха, может достигать 25-30⁰C. Превышение температуры металлических поверхностей (в градусах Цельсия) в умеренном климате при прямом падении солнечных лучей: без покрытия - 24; окрашенных в белый цвет - 13; серый - 21; черный - 27.

При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования ловушек тепла, в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха. Для выравнивания температуры в каналах, образуемых установленными рядами модулей, должны быть зазоры между модулями не менее 30 мм.

Различают конструкции с перфорированным и герметичным кожухом. В перфорированном кожухе предусматриваются вентиляционные отверстия круглой, квадратной, прямоугольной формы или жалюзи (рис. 4.19). Так, например, круглые отверстия имеют диаметр 4,6,8 или 10мм, квадратные могут иметь размеры 4х4 мм, прямоугольные 3х25, 4х50 мм.

Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) прибора должна составлять 20-30% от живого сечения, под которым подразумевается свободная для конвективных потоков воздуха площадь сечения прибора. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже и лучше, если они будут в дне, выходные отверстия предпочтительнее выполнять в крышке прибора.

Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных потоков воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор не менее 30 мм, получить который можно установкой прибора на амортизаторы опорные типа АО. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными мелкоячеечными металлическими сетками. Вместо сеток в дне стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Зазоры по горизонтали между модулями при естественном воздушном охлаждении должны быть не менее 10 мм.

Циркуляция воздуха в приборах и стойках с герметичным кожухом является следствием разности плотностей воздуха, нагретого внутри ЭА, и воздуха, более холодного у стенок кожуха. Перегрев будет уменьшаться с увеличением зазора между модулями. У дна прибора с герметичным кожухом движение воздуха практически отсутствует.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздушным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия.

Количество теплоты, удаляемой от поверхности естественной конвекцией, Q=4,18710^-4h_cSt, Вт , где - площадь поверхности, см²; t - перегрев, C; - коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из h_c=0,52C(55t/l)^0,25, где - постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С=0,56; для верхней горизонтальной плоскости, например пластины, С=0,52; для нижней горизонтальной плоскости этой же пластины С=0,26); l- длина пути теплового потока (табл. 4.8).

Таблица 4.8. Длина пути теплового потока .

Поверхность	Длина пути l
Вертикальная плоская	Наибольший размер по вертикали, но не более 50 см
Вертикальная плоская непрямоугольная	Отношение площади к наибольшему горизонтальному размеру
Горизонтальная плоская	Отношение удвоенного произведения длины на ширину к сумме длины и ширины

Пример. Вычислить теплосъем естественной конвекцией с плоской прямоугольной пластины размерами 10х20 см, имеющей перегрев в 20⁰С относительно температуры окружающей среды. Теплосъем осуществляется с двух поверхностей пластины. Теплосъемом с торцевых поверхностей пластины пренебречь.

Рассмотрим три варианта ориентации пластины в пространстве:

А. Пластина ориентирована короткой стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха.

Б. Пластина ориентирована длинной стороной вдоль свободных конвективных потоков воздуха.

В. Пластина ориентирована поперек свободных конвективных потоков воздуха.

С вертикально ориентированной пластины соответственно снимаются тепловые потоки

Q_A=4,18710^-40,520,56 (20/10)^0,25(21020)20=3,16 Вт

Q_Б=4,18710^-40,520,56 (21020)20=265 ВТ

С верхней горизонтально ориентированной поверхности снимается

Q_Вв=4,18710^-40,520,52  (102020)=1,36 Вт

с нижней поверхности

Q_Вн=4,18710^-40,520,26  (102020)=0,68 Вт,

что в сумме дает Q_B=1,36 + 0,68 = 2,04 Вт.

Таким образом, наилучшая ориентация пластины – вертикальная с направлением потоков воздуха вдоль ее короткой стороны.

Воздушное принудительное охлаждение автономными вентиляторами широко практикуется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см² и выполняется по схемам подачи охлажденного воздуха снизу вверх и сверху вниз. По первой схеме воздух забирается у пола, по второй - у потолка. Забор воздуха у пола, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение по схеме сверху вниз - к меньшей запыленности, но требует большего расхода воздуха, поскольку его температура с увеличением высоты забора растет.

Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточной схеме вентилятор засасывает охлаждающий воздух внутрь изделия. В вытяжной нагретый воздух выталкивается из изделия. В приточно-вытяжной используется два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре в более плотной окружающей среде, что обеспечивает по сравнению с вытяжной вентиляцией большую производительность. Однако в приточной схеме нагнетаемый воздух может частично уходить через щели корпуса и охлаждение аппаратуры может оказаться недостаточным. Вытяжную схему вентиляции, свободную от указанного недостатка, можно рекомендовать к использованию в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивлениями. Приточно-вытяжная схема позволяет увеличить напор охлаждающего воздуха.

Конструктивно автономный осевой вентилятор представляет собой электродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются непосредственно в прибор, либо в блоки вентиляции, снабжаемые элементами коммутации и фиксации на корпусе охлаждаемого блока или каркасе стойки. В блоках размещаются один или несколько вентиляторов, противопыльный фильтр, элементы сигнализации неисправного состояния, аварийного отключения. В зависимости от тепловой нагрузки аппаратуры в блок устанавливается разное число вентиляторов. Незанятые установочные места закрываются заглушками.

Удаляемый из аппаратуры теплый воздух поступает в помещение, из которого либо выбрасывается в атмосферу, либо поступает на рециркуляцию в общую систему кондиционирования. Повышенная запыленность аппаратуры, появление вибраций в результате работы вентиляторов, неравномерность распределения охлаждающего воздуха являются недостатками рассмотренного способа охлаждения. Однако охлаждение автономными вентиляторами реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой m при увеличении его температуры на величину t, будет Q=сmt, где с- удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг. C).

Расход воздуха для охлаждения V=860kP/ct, м /час, где - коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха; Р - потребляемая мощность, кВт;  - плотность воздуха (при 0 C и нормальном атмосферном давлении равна 1,293 кг/м ).

Мощность, рассеиваемая в ЭА в виде теплоты, принимается равной потребляемой аппаратурой электрической мощности. При полном переходе электрической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/час = 860 ккал.

Напор и производительность вентилятора определяются точкой пересечения его характеристики с характеристикой аэродинамического сопротивления охлаждаемого изделия (рис. 4.20).

Для выбора вентилятора необходимо иметь его характеристики и знать аэродинамическое сопротивление охлаждаемой аппаратуры. Вентилятор должен обеспечивать производительность V_B, равную или с учетом возможной утечки охлаждающего воздуха несколько большую расчетной величины расхода воздуха V_p. Если выбранный вентилятор не обеспечивает необходимый расход V_p и его производительность V_В1 оказывается меньше расчетного значения, необходимого для охлаждения аппаратуры, то она может перегреться и выйти из строя. На рис. 4.20 требуемый расход воздуха с запасом обеспечивает вентилятор 2 (V_В2  V_p). Установка более мощного и, следовательно, более громоздкого и тяжелого вентилятора, не приведет к переохлаждению аппаратуры, но вентилятор потребует для установки больших габаритов и потребляемой мощности. Если требуемые параметры не обеспечиваются ни одним из имеющихся в наличии вентиляторов, то возможна установка на совместную работу нескольких. При этом для увеличения производительности вентиляторы устанавливаются на параллельную, а для увеличения напора – на последовательную работу.

При выборе вентилятора необходимо стремиться, чтобы напор и производительность в рабочей точке соответствовали максимальному к.п.д. Иначе может наблюдаться неупорядоченное движение воздуха, когда нагретые потоки воздуха могут оказаться в холодной зоне и наоборот, а также вместо прямолинейного движения воздушных потоков - завихрения и циркуляции.

Во избежание попадания в ЭА пыли охлаждающий воздух фильтруют. Материалом фильтра является резиновая крошка, минеральная вата, стекловолокно, фильтровальная ткань или картон. К фильтрам должен обеспечиваться легкий доступ для периодической их замены или чистки.

Для больших ЭВМ со значительными тепловыделениями можно рекомендовать подачу охлаждающего воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов, размещаемых в подпольном пространстве машинного зала, в стойки. Поскольку охлаждающий воздух подается непосредственно в стойки, то его можно охладить несколько ниже воздуха, подаваемого в машинный зал для создания комфортных условий обслуживающему персоналу и охлаждения аппаратуры встроенными автономными вентиляторами. Это приведет к меньшему расходу переохлажденного воздуха, уменьшению запыленности аппаратуры. Регулировкой расхода воздуха и его параметров можно добиться быстрого ввода ЭВМ в нормальный тепловой режим. Недостатками подобного подхода являются необходимость в разработке системы кондиционирования и воздуховодов, значительные сложности при перепланировке технических средств и установке нового оборудования.

Водо-воздушную систему охлаждения можно рекомендовать для изделий с высокими плотностями компоновки элементов. Отвод теплоты от блоков 2 (рис. 4.21) осуществляется поступающим в стойку от центрального кондиционера или автономных вентиляторов воздухом или жидким хладагентом, протекающим по трубкам к охладителям 1. Охладитель может быть выполнен в виде системы горизонтально ориентированных параллельно трубок, расположенных под каждым блоком, но можно совместить охладитель и направляющие ТЭЗ блоков в единой конструкции, что позволит получить два пути передачи тепла: ТЭЗ - воздух - жидкость и ТЭЗ - охладитель - жидкость. По второму пути теплота от ТЭЗ к охладителю передается кондукцией. Водо-воздушную систему охлаждения можно применять в герметизируемых стойках. Для эффективного перемешивания воздуха и быстрой передачи теплоты охлаждающей жидкости в стойку вводится вентилятор.

Проточная система охлаждения (рис. 4.21а) конструктивно проста, но требует большого расхода жидкого хладагента. Введение в систему теплообменника 3 (рис. 4.21б), в котором происходит охлаждение жидкости, позволяет получить замкнутую систему и снизить расход хладагента. В зависимости от особенностей объекта эксплуатации используются теплообменники типа жидкость - воздух и жидкость - жидкость.

Теплообменники жидкость-жидкость применяются на объектах, позволяющих расходовать на охлаждение аппаратуры большое количество жидкости приемлемой температуры. Изменяя расход жидкости через теплообменник, можно регулировать температуру воздуха в аппаратуре.