Projektowanie wydajnych rozwiązań odprowadzania ciepła z zasilaczy w systemach przemysłowych i medycznych

Wydajne i ekonomiczne odprowadzanie ciepła z zasilaczy (PSU) jest ważne podczas projektowania systemów przemysłowych i medycznych dla zapewnienia ich niezawodności. Projektowanie wydajnego systemu odprowadzania ciepła dla zasilacza PSU jest zadaniem złożonym i wiele zależy od tego, czy jest on obudowany czy otwarty.

W przypadku zamkniętego zasilacza PSU typ obudowy ma wpływ na przepływ powietrza i rozpraszanie ciepła. Chociaż wentylatory są pomocne, projektanci muszą wziąć pod uwagę ich niezawodność, a także ciśnienie wsteczne powodowane przez wentylatory systemowe, które może znacznie zmniejszyć efektywność wentylatorów zasilacza PSU, potencjalnie zwiększając jego temperaturę roboczą.

Zasilacze PSU często wykazują niższą sprawność przy niskim napięciu wejściowym. W rezultacie jednostki pracujące przez dłuższy czas w warunkach niskiego napięcia wejściowego mogą powodować większe rozpraszanie ciepła i potrzebę dodatkowego chłodzenia. Wreszcie, zasilacze PSU często wymagają obniżenia parametrów znamionowych w przypadku pracy w podwyższonych temperaturach, które mogą występować w systemach przemysłowych i medycznych.

Aby przyspieszyć wdrożenie wydajnych systemów odprowadzania ciepła, projektanci mogą skorzystać z zasilaczy zaprojektowanych specjalnie do zastosowań przemysłowych i medycznych, które oferują szereg opcji odprowadzania ciepła.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z odprowadzaniem ciepła podczas projektowania systemów przemysłowych i medycznych oraz przedstawiono wskazówki dotyczące projektowania wydajnych rozwiązań służących do odprowadzania ciepła. Następnie zaprezentowano opcje integracji zasilaczy PSU z urządzeniami przemysłowymi i medycznymi na przykładzie zasilaczy Bel Power Solutions, a na koniec podano kilka porad, które projektanci mogą wykorzystać podczas integracji zasilacza PSU z ogólnym projektem systemu odprowadzania ciepła.

Wyzwania związane z odprowadzaniem ciepła z zasilaczy

Wyzwania związane z odprowadzaniem ciepła z zasilaczy PSU dotyczą między innymi przepływu powietrza w systemie i wpływu wentylatorów systemowych na wydajność wentylatorów wbudowanych w zasilacze PSU, temperatury otoczenia, potrzeby dostarczenia mocy szczytowej oraz wpływu zakresu napięć wejściowych na rozpraszanie mocy. Są to zagadnienia pierwszego rzędu, natomiast artykuł nie porusza kwestii odprowadzania ciepła drugiego rzędu związanych z systemami montowanymi w stelażu lub specjalnymi środowiskami, takimi jak ośrodki przetwarzania danych.

Jedną z pierwszych kwestii jest kierunek przepływu powietrza w zasilaczu PSU. Jego normalny przepływ tworzy dodatnie ciśnienie na wyjściu z systemu, a przepływ odwrotny ciśnienie dodatnie na wejściu do systemu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przy normalnym przepływie powietrza dodatnie ciśnienie występuje na wylocie z systemu (po lewej). Przy odwrotnym przepływie powietrza dodatnie ciśnienie występuje na wlocie do systemu (po prawej). Ilustracja: Bel Power Solutions)

Wentylator to za mało

Wiele zasilaczy PSU zawiera wentylator chłodzący. Zamiast upraszczać konstrukcję układu odprowadzania ciepła, zasilacz PSU z wentylatorem może go skomplikować z powodu kierunku przepływu powietrza, jak również ciśnienia i impedancji przepływu powietrza w systemie lub obudowie. Komplikacje:

• Wentylatory systemowe mogą konkurować z wentylatorami zasilacza PSU i ograniczać ich wydajność, zmniejszając przepływ powietrza przez zasilacz.
• Na wlocie wentylatora zasilacza PSU może występować nieoczekiwanie wysoka impedancja, zmniejszając przepływ powietrza przez zasilacz.
• Kable lub inne przeszkody mogą blokować przepływ powietrza przez zasilacz PSU, zmniejszając wydajność wentylatorów.

Istnieje kilka sposobów interakcji pomiędzy wentylatorami systemu a wentylatorami zasilaczy PSU. Ich przykłady pokazano na ilustracji 2 poniżej:

1. Wentylatory zasilacza PSU wytwarzają normalny przepływ powietrza, ale wyższe parametry wentylatorów systemowych powodują niższe (ujemne) ciśnienie wewnątrz obudowy, zmniejszając tym samym wydajność wentylatora zasilacza PSU.
2. Wentylatory zasilacza PSU wytwarzają odwrotny przepływ powietrza, a wentylatory systemowe wspomagają chłodzenie zasilacza PSU, nie kolidując z nim. Jednak jeśli powietrze dostające się do zasilacza PSU pochodzi z wylotowej komory rozprężnej systemu, może to powodować zmniejszenie przepływu powietrza netto oraz problemy z recyrkulacją skutkujące akumulacją ciepła w zasilaczu PSU.
3. Wlot powietrza do zasilacza PSU jest odizolowany od głównego przepływu powietrza w obudowie, co chroni wentylatory zasilacza PSU przed zakłóceniami pracy powodowanymi przez wentylatory systemowe. Aby osiągnąć maksymalne korzyści, kanał przepływu powietrza dla zasilacza PSU powinien charakteryzować się niskim oporem.

Ilustracja 2: projekt odprowadzania ciepła musi uwzględniać kierunek przepływu powietrza w zasilaczu PSU oraz względne siły wentylatorów zasilacza PSU i systemu. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Znamionowa moc szczytowa a nominalna oraz obniżanie parametrów znamionowych

Obniżanie parametrów znamionowych często różni się dla mocy szczytowej i mocy nominalnej. Zapotrzebowanie na moc szczytową jest bardzo zróżnicowane - od kilku milisekund (ms) do ponad 10 sekund - co stanowi ważny czynnik w wielu systemach przemysłowych i medycznych. Porównajmy dwie serie 600-watowych zasilaczy PSU zoptymalizowanych dla różnych wartości mocy szczytowej: serię ABC601 przemysłowych i medycznych zasilaczy prądu zmiennego-stałego firmy Bel Power Solutions o znamionowym czasie dostarczania mocy szczytowej 10s oraz serię VPS600 o znamionowym czasie dostarczania mocy szczytowej 1ms.

Seria ABC601 zapewnia maksymalnie 600W regulowanej mocy wyjściowej w zakresie napięcia wejściowego od 85 do 305V_~ na pojedynczych wyjściach prądu stałego 24, 28, 36 lub 48V₌. Na przykład model ABC601-1T48 posiada wyjście 48V₌. Omawiane zasilacze posiadają znamionową moc ciągłą 600W i moc szczytową do 800W przez maks. 10s w temperaturze do 60°C w przypadku modeli z wentylatorem zamontowanym z przodu (ilustracja 3). Posiadają wyjście zasilania w trybie pogotowia 5V₌ o natężeniu znamionowym 1,2A dla modeli w obudowie U oraz 1,5A dla modeli z wentylatorem montowanym z przodu, a także wyjście wentylatora 12V, 1A.

Ilustracja 3: modele zamknięte z wentylatorami montowanymi z przodu z serii ABC601 dostarczają 600W mocy ciągłej (czerwona linia na górnym wykresie) lub maksymalnie 800W mocy przez 10s (czerwona linia na dolnym wykresie) w temperaturze do 60°C. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Seria ABC601 jest dostępna w dwóch obudowach: na ramie typu U lub w zamkniętej z wentylatorem montowanym z przodu (ilustracja 4). Seria ABC601 posiada wewnętrzny obwód współdzielenia prądu do równoległej pracy jednostek w celu zwiększenia mocy całkowitej.

Ilustracja 4: zasilacze PSU ABC601 są dostępne z chłodzeniem wentylatorowym (u góry) lub konwekcyjnym (u dołu). (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Seria EOS Power VPS600 zasilaczy otwartych firmy Bel Power Solutions charakteryzuje się węższym zakresem wejściowym od 85 do 264V_~ i dostarcza maksymalnie 600W ciągłej mocy wyjściowej oraz moc szczytową 720W przez 1ms (ilustracja 5). Omawiane zasilacze PSU są dostępne z napięciami wyjściowymi 12, 15, 24, 30, 48 i 58V₌. Na przykład model VPS600-1048 posiada wyjście 48V₌. Urządzenia te są wyposażone w wyjście zasilania w trybie pogotowia 5V₌, 500mA oraz wyjście wentylatora 12V, 500mA. Seria ABC601 jest dostępna w dwóch, a seria VPS600 w trzech wersjach o różnej mocy: chłodzony konwekcyjnie kanał U o mocy znamionowej 600W, urządzenia z pokrywą szczelinową o mocy znamionowej 420W oraz urządzenia z pokrywą gładką o mocy znamionowej 360W.

Ilustracja 5: seria VSP600 jest dostępna w trzech konfiguracjach obudów o różnych mocach znamionowych: moduły kanałowe U 600W chłodzone konwekcyjnie, moduły 420W z pokrywą szczelinową i moduły 360W z pokrywą gładką. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Różne opcje napięcia wyjściowego i rodzaje obudów charakteryzują się różnymi krzywymi obniżania parametrów znamionowych. Na przykład obniżenie parametrów znamionowych dla jednostek wyjściowych 24V₌ wynosi:

• Jednostka otwarta
  • Obciążenie konwekcyjne, 600W w trybie ciągłym do 30°C
• Pokrywa szczelinowa
  • Obciążenie konwekcyjne, 420W w trybie ciągłym do 30°C
• Pokrywa gładka
  • Obciążenie konwekcyjne, 360W w trybie ciągłym do 30°C
• Dla wszystkich rodzajów pokryw
  • Obniżenie temperatury w zakresie od 30 do 50°C o 0,833% na jeden °C
  • Powyżej 50°C obniżenie o 2,5% na jeden °C do maksymalnie 70°C

Wpływ napięcia wejściowego

Sprawność zasilacza PSU może spadać przy niższych napięciach wejściowych, co powoduje obniżenie nominalnej mocy wyjściowej. Na przykład seria ABE1200/MBE1200 zasilaczy prądu zmiennego-stałego dostarcza moc 1200W przy napięciu wejściowym od 180 do 305V_~ oraz moc 1000W przy napięciu wejściowym od 85 do 180V_~ (ilustracja 6). Te nominalne wartości znamionowe obowiązują w zakresie od 0 do 60°C. W temperaturze 70°C obniżają się liniowo z 1200 do 1100W oraz z 1000 do 900W.

Ilustracja 6: zasilacze PSU ABE1200/MBE1200 dostarczają 1200W przy napięciu wejściowym w przedziale od 180 do 305V_~ oraz 1000W przy napięciu wejściowym w przedziale od 85 do 180V_~. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Omawiane zasilacze posiadają regulację prędkości wentylatora służącą do minimalizacji natężenia hałasu, gdy nie jest wymagany maksymalny przepływ powietrza. Są one dostępne w trzech obudowach o wysokości kompatybilnej z rozmiarem 1U, w tym w obudowie zamkniętej z dwoma wentylatorami (tylko modele 24V₌) oraz w obudowie w kształcie litery U z dwiema opcjami pokryw ochronnych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zasilacze PSU ABE1200 dostępne są z dwoma wentylatorami (tylko modele 24V₌) oraz dwoma wariantami osłon. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Wersja DIN jest inna

Zasilacze serii LEN120 mają moc znamionową 120W i są przeznaczone do standardowego montażu na szynie DIN. Na przykład zasilacz LEN120-12 zapewnia napięcie wyjściowe 12V₌ przy znamionowych zakresach napięcia wejściowego od 90 do 264V_~ (uniwersalne) lub od 127 do 370V₌ (ilustracja 9). Podczas obniżania parametrów znamionowych zasilaczy PSU przeznaczonych do montażu na szynie DIN, w arkuszach danych często oprócz temperatury pracy uwzględnia się jednocześnie napięcie wejściowe i wyjściowe. Dla serii LEN120:

• Wszystkie modele
  • W przedziale od -20°C do -10°C przy nominalnym napięciu wejściowym 115V_~, moc wyjściowa ulega obniżeniu o 2%/°C
  • W przedziale od -20°C do -10°C przy nominalnym napięciu wejściowym 230V_~, obniżenie parametrów znamionowych nie jest wymagane
  • W przedziale od +40°C do +60°C przy nominalnym napięciu wejściowym 115V_~ moc wyjściowa ulega obniżeniu o 2,5%/°C
  • W przypadku napięć wejściowych z zakresu od 115 do 264V_~ i od 162 do 370V₌ obniżanie parametrów znamionowych nie jest wymagane
  • W przypadku napięć wejściowych od 115 do 90V_~ i od 162 do 127V₌ (warunki niskiego napięcia w sieci) moc wyjściowa ulega obniżeniu o 1%/V
• Model LEN120-12 (wyjście 12V₌)
  • W przedziale od +45°C do +60°C przy nominalnym napięciu wejściowym 230V_~ moc wyjściowa ulega obniżeniu o 3,33%/°C
• Modele LEN120-24 i LEN120-48 (odpowiednio wyjścia 24 i 48V₌)
  • W przedziale od +50°C do +60°C przy nominalnym napięciu wejściowym 230V_~ moc wyjściowa ulega obniżeniu o 5%/°C

Ilustracja 8: zasilacze PSU z serii LEN120 montowane na szynie DIN mają moc 120W i są chłodzone konwekcyjnie. (Źródło ilustracji: Bel Power Solutions)

Praktyczne porady dotyczące opracowywania lepszych projektów układów odprowadzania ciepła

Integracja zasilacza PSU z systemem wiąże się ze złożonymi zagadnieniami projektowania układów odprowadzania ciepła. Istnieje kilka praktycznych porad, które mogą pomóc projektantom w uniknięciu nieprzyjemnych niespodzianek:

• Producent zasilacza PSU może dostarczyć szczegółowe informacje na temat zależności pomiędzy przepływem powietrza w wentylatorze a ciśnieniem statycznym (krzywa P-Q), dzięki czemu projektanci wiedzą, jakiego przepływu powietrza należy się spodziewać, jeśli wentylator zasilacza PSU pracuje zgodnie lub przeciwnie do wewnętrznego przeciwciśnienia w systemie.
• Niektórzy producenci zasilaczy PSU mogą dostarczyć modele termiczne FlowTHERM zasilacza do wykorzystania w ogólnym modelu systemu w celu oceny parametrów termicznych zasilacza i identyfikacji potencjalnych problemów.
• Można zwrócić się do producenta zasilacza PSU o sprawdzenie projektu odprowadzania ciepła z systemu i przedstawienie zaleceń dotyczących dalszej analizy lub potwierdzenie poprawności projektu.

Podsumowanie

Istnieje szereg kwestii, które należy rozważyć podczas projektowania systemu odprowadzania ciepła z zasilacza PSU do zastosowań medycznych lub przemysłowych. Należą do nich przepływ powietrza w systemie, wpływ wentylatorów systemowych na wydajność wentylatorów wbudowanych zasilacza, określony specyfikacjami zakres temperatur roboczych, potrzeba obsługi szczytowego poboru mocy oraz wpływ zakresu napięć wejściowych na moc rozpraszaną.

Aby rozwiązać te problemy, projektanci mogą skorzystać z konstrukcji zasilaczy firmy Bel Industrial Power zoptymalizowanych pod kątem różnych środowisk termicznych i zastosowań. Ponadto producenci zasilaczy PSU udostępniają narzędzia, które mogą przyspieszyć proces projektowania układów odprowadzania ciepła.

Rekomendowane artykuły

1. Dobór wentylatora