Hűtőventilátorok az Endrich kínálatában (2.) – A hűtés korunk elektronikájának egyik legfontosabb kérdése, mert felhasznált aktív és passzív komponenseink élettartama nagyban függ attól, hogy az átfolyó áram keltette hőt milyen hatékonyan vezetjük el a külvilág felé. A helyesen megválasztott hűtőbordák és maga a nyomtatott áramköri lemez kialakítása is nagyban hozzájárul a kielégítő hőelvezetéshez, azonban bizonyos esetekben aktív hűtésre, például kényszerített légmozgatásra van szükség. Ennek pontos méretezésével a tervezőmérnökök sok esetben nem bajlódnak, mert csak a funkcionalitásra fókuszálnak, és egy találomra kiválasztott ventilátorral megoldják a kérdést, ami a mechanikai méretek szükségtelen növelését, vagy rosszabb esetben a hűtés alulméretezését vonja maga után. A mai miniatürizálási trendek nem engedik meg a felesleges térfogatot, a verseny pedig kikényszeríti a megbízhatóságot. Így a hűtés tervezésére már a tervezés korai fázisában sort kell keríteni. Szem előtt kell tartani, hogy nemcsak az elsődleges funkció a fontos, hanem a teljes rendszer, hiszen csakúgy, mint áramkörvédelem nélkül, hűtés nélkül ez a funkció sem biztosítható hosszú távon, megbízhatóan és takarékosan. Cikkünk a kielégítő hűtési megoldás néhány fontos szempontját tárgyalja

Amikor egy eszköz hűtéséről kell gondoskodni, a keletkezett hő háromféleképp távozhat:

1. Hővezetés útján, amikor a hőforrás érintkezik a hővezető anyaggal, például a nyomtatott áramköri lemezzel vagy a direkt csatolt hűtőbordával.
2. Hősugárzás útján, amikor a hőenergia elektromágneses hullám formájában távozik.
3. Hőáramlás (konvekció) útján, mely során a hőelvezetés egy, az elektronikai komponenst körülvevő közeg felmelegedő részecskéinek tovaáramlásával biztosított.

Ez utóbbi mód játssza a legfontosabb szerepet az elektronikai rendszerek aktív hűtésében. A konvekció lehet természetes, amikor a légáramlást a hőmérséklet-különbségek hozzák létre, és kényszerített, amikor az áramlást külső erő, például egy impellerlapát forgása kelti. Ez utóbbi mód rendkívül hatásos lehet elektronikai alkatrészek hűtésekor, akár a nagy mennyiségű levegőt szállítani képes axiális, akár a sűrűn beépített áramköri lap nagy légellenállását legyőzni képes, nagy statikus nyomást biztosító radiális hűtőventilátort alkalmazunk.
A legfontosabb tervezési szempont, hogy hagyjunk elegendő helyet a légáramlás számára a hőkeltés szempontjából kritikus komponensek körül, kiemelt figyelmet fordítva legalább a légbeömlés és a légkieresztés megoldására, és természetesen álljon rendelkezésre elegendő hely és tápellátás a ventilátor számára is. Ha ezekre a szempontokra a tervezés korai fázisában odafigyelünk, már nagy lépést tettünk a rendszer ideális működtetéséhez, és nem kell majd később kompromisszumokat kötni a funkcionalitás és a hűtés egymás ellen ható igényei terén.
Amikor kényszerített légáramlásos hűtést alkalmazunk, a komponenseken keletkező hő nagy része a következő úton távozik a készülékházból:

1. Komponens melegedése.
2. Hőátadás a komponensről a környező levegőrészecskék felé.
3. A hő kiáramlása a távozó levegővel.

A második tényezőt kedvezően befolyásolhatjuk, ha nagy hőleadási felületet biztosítunk a komponens számára, vagy ha növeljük a légáramlatot. Előbbi esetben nagyobb méretű alkatrészt választunk, vagy hűtőbordát illesztünk hozzá, utóbbi pedig vagy jobb alkatrész-elrendezéssel, vagy nagyobb légbeömlő nyílás, esetleg további ventilátor vagy nagyobb forgási sebesség alkalmazásával lehetséges.

Aktív léghűtés esetén választhatunk olyan módszert, amikor a hűtőventilátor a meleg levegőt kiszívja a készülékházból, vagy olyan megoldást is, amikor hideg levegőt fújunk a melegedő alkatrészekre, és bár mindkét esetben közel azonos légmennyiség használható hűtésre, mégis mindkét elrendezésnek vannak előnyös és hátrányos tulajdonságai. A ventilátorba lépő levegő laminárisan áramlik, azaz a légáram keresztmetszetén rétegesen eltérő sebességgel, de azonos irányba mozognak a levegőrészecskék. Emiatt meleglevegő-kiszívás esetén viszonylag egyenletes hűtés valósul meg, nem jellemző a megrekedt levegő miatt kialakult hot-spot. Az impeller kilépőoldalán turbulens áramlás alakul ki, mely ugyanolyan légmennyiség mozgatása esetén akár kétszer jobban hűt, mint a lamináris légáramlat, azonban ez a nagyon aktív zóna a recirkuláló levegő miatt közvetlen a ventilátor kiömlőnyílása elé koncentrálódik, és távolabb nagy légmennyiség-veszteség léphet fel, ami befúvásos hűtés esetén gyenge disszipációt jelent a készülék belsejében. Emiatt nagyon kell ügyelni arra, hogy a teljes készülékházhosszon megfelelő legyen a légáramlat. A tervezéskor a lehető legjobban ki kell használni a természetes konvekciót is, ügyelve arra, hogy a jobban melegedő komponenst egy kevésbé kritikus ne akadályozza a hőleadásban, a nagy alkatrészek ne fogják fel a légáramot a melegedő kis komponensek elől.
A meleg levegőt kiszívó ventilátor csökkenti a készülékházban lévő légnyomást, ami azt eredményezi, hogy poros környezetben a levegőben lévő részecskék a beömlőnyílásokon és a készülékház repedésein keresztül bejutnak és lerakódnak a komponenseken. Ebből a szempontból előnyösebb a befúvásos hűtés alkalmazása, ahol a ventilátor elé szűrőt helyezve megakadályozható a por behatolása, és mivel a készülék belsejében enyhe túlnyomás uralkodik, a por a repedéseken, szűretlen beömlőnyílásokon sem fog bejutni. Természetesen a szűrőket időnként cserélni kell, mert eldugulás esetén nem fog a disszipációhoz elegendő levegő áramolni a készülékbe. A befúvásos hűtés másik előnye, hogy a szobahőmérsékletű levegő sokkal kisebb mértékben terheli a csapágyzatot, mint a szívóventilátoron átáramló meleg levegő, ez pedig akár kétszer-háromszor hosszabb élettartamot is jelenthet.

A cikksorozat előző részében bemutattuk a radiális (blower) és az axiális ventilátorok közti különbségeket, természetesen a hűtési megoldás választásánál elsődleges a geometria megválasztása. Nagyobb légáram eléréséhez axiális ventilátort, nagyobb légnyomás esetére pedig radiális blowert célszerű választani. Mivel jelen írásunkban axiális DC ventilátorokkal foglalkozunk utóbbiak méretezési kérdéseitől eltekintünk, és nagyobb nyomás eléréséhez – ha szükséges – több soros elrendezésű, axiális ventilátort használunk.
A helyes ventilátorválasztás egy sor tényezőtől függ, de elsősorban a rendszer teljes hőtermelése, termikus egyensúlya, a maximálisan megengedhető hőmérséklet-emelkedés befolyásolja.
A szükséges légmennyiség Q [m³/min] számításához a következő értékeket kell meghatároznunk:

• • Az alkatrészeken disszipáció formájában elvesztett összteljesítmény: P_loss [W].
• • A légáramlatnak ellenálló alkatrészek sűrűségét jellemző k konstans (k=80–95 ritka elhelyezéskor, k = 60 sűrűn elhelyezett alkatrészek esetén).
• • A maximálisan megengedhető hőmérséklet-emelkedés, amit a komponensek üzemi hőmérséklet-tartománya határoz meg ΔT

Ahol:
Q: a szükséges légmennyiség [m³/min],
cp: a levegő hőkapacitása állandó nyomáson, értéke 1007 J/(kgK),
ρ: a levegő sűrűsége 1,2 kg/m³ @ 25 ºC

A konstansok szokásos gyakorlati értékét figyelembe véve, a szükséges légmennyiség az alábbi egyszerűsített formában is megadható:

Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy 200 W hőveszteséget termelő rendszer számára 20 ºC-ot meg nem haladó hőmérséklet-emelkedést 0,5 m³ percenkénti légárammal biztosíthatunk. Sajnos, ez az elméleti számítás annak ellenére, hogy pontos képet ad a hűtésigényről, önmagában semmire sem használható, mert nem veszi figyelembe sem a ventilátor, sem a hűteni kívánt rendszer geometriai sajátosságait, így sokkal bonyolultabb annak kiszámítása, hogy egy valós rendszerben egy adott hűtőventilátor által biztosított légáram mennyire közelíti meg ezt az értéket. Ehhez szükséges ismernünk a ventilátorra jellemző nonlineáris összefüggést annak légárama és statikus nyomása között, melyet a 3. ábrán bemutatott jelleggörbék reprezentálnak. Maximális statikus nyomás lép fel, ha a ventilátorból kilépő levegő útja teljesen el van zárva, azaz a szállított légmennyiség nulla (Y tengely). A ventilátor által maximálisan szállított levegőmennyiség a jelleggörbe X tengellyel való metszéspontjából olvasható le, ekkor a statikus légellenállás 0, a levegő szabadon áramlik.

A hűtendő elektronika valós viszonyok közti, a légárammal szembeni ellenállóságát leíró jelleggörbe a rendszerimpedancigörbe (system impedace curve – SIC). Kiolvasható belőle a hűtött készülékház légárammal szembeni ellenállása (statikus nyomásérték) a rákényszerített levegő térfogatiáram-függvényében, ami egy közel másodfokú egyenlettel írható le: P_s ~ Q^{1.75… 2}. Maga a görbe gyakorlati úton vehető fel, különböző térfogati légmennyiségek áramoltatásakor fellépő nyomás mérésével.

A hőáramoltatással hűtött rendszerben a fenti két jelleggörbe, a ventilátorra jellemző P-Q légszállítási görbe és a hűtött rendszerre jellemző impedanciagörbe metszéspontja adja a ventilátor adott applikációban való működésére jellemző munkapontot.

A fenti ábrán látszanak a ventilátor jelleggörbéjének nevezetes pontjai. A „nyomás” (Y) tengellyel való metszéspont a maximális légnyomásértéket mutatja meg, feltételezve, hogy a légáramlat akadályba ütközik, a szállított légmennyiség nulla. Az X tengellyel való metszéspont a szabad, akadálymentes, maximális térfogatú légáramlatot határozza meg. A két példaként bemutatott munkapont közül az egyik a nagy alkatrészsűrűségű, míg a másik a szellősebb elrendezést jellemzi. Előbbi esetben a rendszer nagyobb légellenállását csak nagyobb nyomással tudja a ventilátor legyőzni és kevesebb levegőt képes átpréselni a rendszeren, míg utóbbi esetben a szabadabb áramlás miatt kisebb nyomás is elegendő nagyobb légmennyiség átáramoltatásához. Mindkét esetben ugyanaz a hűtőventillátor került alkalmazásra, de a hűtendő készüléket leíró rendszerimpedancia-görbék eltérőek.
A fentiek ismeretében már elkezdhetjük a megfelelő hűtőventilátor kiválasztását.
Ma többnyire DC ventilátorokat használunk, mert sokkal kisebb az energiafogyasztásuk, hosszabb az élettartamuk és fordulatszámuk arányos a kapocsfeszültséggel, ami fordulatszám-szabályzásukat könnyíti meg. Minél kisebb a fordulatszám, annál halkabb a ventilátor, annál kisebb a fogyasztás, és a gyengébb csapágykopás miatt az élettartam is nő. Ráadásul kevesebb elektromágneses interferenciát keltenek az AC változatoknál, és nem kell számolni a földrészenként eltérő hálózatifeszültség- és frekvenciaértékekkel. Ezért írásunkban a DC ventilátorok kiválasztásával és jellemzésével foglalkoztunk.
A szükséges légáram meghatározása után a készülék statikus nyomás–légáram (rendszer impedancia)-görbéjének ismeretében kijelöljük azt a statikus nyomástartományt, amit a hűtéshez minimálisan szükséges légáram biztosításához a ventilátornak le kell győzni. Ezután a ventilátorgyártó katalógusából olyan eszközt választunk, ami az adott légmennyiséget ezen nyomás feletti értéken képes szállítani. Érdemes a munkapontot úgy megválasztani (szükség esetén a térfogati légáram felülméretezésével), hogy a ventilátor jelleggörbéjén megfigyelhető, az alábbi ábrán pirossal jelölt területet kerüljük el!

Ez a terület az ún. „stall”-zóna, amikor is a légáramlat „megakad” az impeller kilépőéle mögött: ez turbulenciához, vibrációhoz vezet, ami jelentős negatív hatással lesz a működésre. Az első legjellemzőbb ilyen negatívum a zaj azonnali megjelenése, de hosszabb ideig ezen a területen lévő munkapont anyagfáradáshoz és élettartam-csökkenéshez vezet. Érdemes a munkapontot az optimális zónában tartani.
A kiválasztás további szempontja lehet a halk működés az optimális területen lévő munkapontban, ehhez érdemes a lehető legnagyobb geometriai méretű ventilátort választani. A nagy méret alacsonyabb fordulatszámmal párosul, a zaj tehát kicsi marad. Ez azonban ellene hat a mai kor miniatürizálási igényeinek: ma kis méretű, vékony hűtőventilátorral szeretnénk megvalósítani a feladatot, ez pedig magasabb fordulatszámigényt jelent, ami növeli a zajt. Ha egy ilyen kis ventilátor nem elegendő, de nincs hely nagyobb átmérőjű változat számára, akkor több, egymás mellé vagy mögé helyezett ventilátor megoldást jelenthet, de ez is a zaj, valamint a meghibásodások valószínűségének növekedésével jár, igaz, a redundancia akár növelheti a megbízhatóságot is.
Ezért fontos, hogy a méret kérdését jól vizsgáljuk meg, mert ez nemcsak dizájn és technológiai trend kérdése, de hosszú távon befolyásolni fogja a termék árát is.
Sorozatunk következő részében áttekintjük, hogy miként lehet befolyásolni a hűtést több ventilátor egyidejű alkalmazásával, hogyan módosul ilyenkor a P-Q jelleggörbe, miként lehet nagyobb nyomást vagy nagyobb térfogati légáramot elérni. Áttekintjük az axiális DC hűtőventilátorok fordulatszám-szabályzásának lehetőségeit is.

(folytatjuk)

Az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH honlapja

Felhasznált irodalom:

[1] Claudius Klose – elektromechanikus komponensek termékmenedzsere – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH. – „ Proper fan selection”
[2] NMB-MAT fan catalogue – „Fan engineering”