Способы охлаждения компонентов типовых источников питания
При работе источника питания его компоненты нагреваются. Нагрев мощных компонентов может быть столь велик, что без дополнительного отведения тепла от их кристаллов использовать устройство невозможно. Для отвода тепла от компонентов используют теплоотводы, а для уменьшения температуры нагрева применяют охладители, называемые также радиаторами. Охлаждение компонентов источников питания может быть естественным и принудительным. Принудительное охлаждение осуществляют вспомогательными техническими средствами, например: вентиляторами для ускорения циркуляции воздуха, насосами систем жидкостного охлаждения, в которых тепло переносят вода или масло. При естественном охлаждении технические средства, увеличивающие интенсивность теплообмена, не используют.
Тепло может быть отведено от разогретых компонентов конвекцией, кондукцией, излучением или комбинацией этих способов. Теплообмен, при котором корпус компонента или охладитель нагревает более холодный окружающий воздух, и его нагретые массы поднимаются вверх, называют конвекцией. Конвекция тем интенсивнее, чем больше разность температур нагретого тела и воздуха, чем выше скорость циркуляции вещества, переносящего тепло, и чем эффективнее охладитель. Также она зависит от ориентации в пространстве.
Передача тепла через конструктивные элементы устройства — это кондукция. Теплообмен кондукцией может осуществляться через боковины, пластины, стенки.
Передачу энергии в окружающее пространство путем распространения волн от предмета называют излучением. Интенсивность излучения зависит от степени черноты охладителя. Так, например, темные матовые и черненые поверхности имеют наибольшую степень черноты 0,92..0,98 и лучше всего излучают энергию. Светлые и полированные поверхности обладают степенью черноты 0,04..0,08 и хуже всех годятся для теплообмена путем излучения.
Охладители могут иметь различную форму и конструкцию. Широко распространены игольчатые, пластинчатые, ребристые, жалюзийные радиаторы, охладители типа «краб». Эффективность охладителя не прямо пропорциональна его габаритам. Иногда небольшой охладитель эффективнее несколько более крупного радиатора, а бывает и наоборот.
Для максимальной эффективности системы охлаждения должны быть соблюдены следующие правила:
- плита, к которой крепится корпус компонента, должна быть достаточно толстой, чтобы тепло распространилось к самым дальним участкам теплоотвода;
- под корпусом компонента в теплоотводе не должно быть лишних отверстий, а тепловое сопротивление между корпусом компонента и теплоотводом должно быть минимальным, для чего используют теплопроводящие пасты, такие как КПТ-8;
- компонент должен быть прикреплен в том месте теплоотвода, при нахождении в котором все наиболее отдаленные части охладителя прогреты равномерно;
- ребра радиаторов должны быть параллельны направлению перемещения воздушных масс;
- для наилучшего излучения охладитель должен быть черным или темным матовым, для чего металл красят или покрывают лаком соответствующего цвета.
Теплообмен посредством одного вида передачи энергии встречается редко. Чаще всего используют сложный теплообмен, т.е. образованный всеми тремя видами передачи энергии. При этом общий поток отвода тепла равен сумме потоков от конвекции, кондукции и излучения.
Способы охлаждения компонентов специальных источников питания
Случается, что закреплять компонент непосредственно на охладителе неудобно (например, в случае отсутствия места для радиатора при плотной компоновке источника питания или если тепловыделяющий компонент — в бескорпусном исполнении).
Тогда между компонентом и охладителем размещают теплопровод, по которому передается тепло. В качестве теплопровода обычно используют тепловые трубы, что позволяет внести существенный вклад в микроминиатюризацию силовых устройств.
Тепловая труба — это замкнутый сосуд, стенки которого изнутри покрыты наполнителем с капиллярной структурой. Он заполнен жидким переносчиком тепла, имеющим зону испарения и зону конденсации. Тепловые трубы обладают в сотни раз большей теплопроводностью, чем металлы. В качестве капиллярной структуры могут выступать волокнистые вещества, порошки, металлические сетки и пр., а тепло может переноситься спиртом, эфиром, водой и некоторыми другими веществами.
В зоне нагрева происходит испарение переносчика тепла, по паровому каналу вещество переносится в зону охлаждения, в которой конденсируется в жидкость, а она, в свою очередь, по капиллярной структуре возвращается в зону нагрева. Зона переноса может быть теплоизолирована от окружающей среды. К металлизированному участку тепловой трубы в зоне испарения приклеивают или прижимают нагретый компонент, а к металлизированному участку трубы в зоне конденсации присоединяют охладитель.
В настоящее время тепловые трубы используют на материнских платах компьютеров для отвода тепла, а также в специальных импульсных источниках питания мощностью от сотен ватт до десятков киловатт. Примеры расчетов тепловых труб приведены в справочнике.
Многие современные ракеты оснащены бортовым компьютером, прокладывающим оптимальный курс полета. Вычислительная система получает энергию от источника питания. Важнейшие требования к источнику питания такого летательного аппарата — это малые вес и габариты, высокая надежность в течение полета и обеспечение всех заданных параметров бортовой сети. При этом источник питания работает кратковременно, обычно — от нескольких минут до нескольких часов. После попадания ракеты в цель повторное использование источника питания не требуется — он уже выполнил поставленную перед ним задачу.
Поскольку металлические охладители обладают крупными недостатками в виде большой массы и габаритов, то вместо них или совместно с миниатюрными радиаторами используют испаряющиеся вещества, поглощающие энергию при протекании химических реакций или физических преобразований. Капсула с веществом откупоривается при старте ракеты. Источник питания и летательный аппарат в целом будет нормально функционировать до тех пор, пока испаряющееся вещество полностью не исчерпает свои охлаждающие возможности, поэтому масса вещества должна быть достаточна и рассчитана на все время перелета.
Охлаждение иных специальных источников питания может быть организовано плавящимися веществами, которые после остывания восстанавливают свое исходное состояние, т.е. служат аккумуляторами тепла. В качестве плавящихся веществ обычно используют кристаллический азотнокислый никель, кристаллический углекислый натрий, кристаллический сернокислый натрий, гидрат окиси бария, пальмитиновую кислоту и пр. Пример расчета системы охлаждения плавящимся веществом дан в справочнике.
