Effektív hőszabályozás ipari és orvosi rendszereknél

Ipari és orvosi rendszerek tervezésénél a tápegységek számára fontos hatékony és lehetőleg olcsó hőszabályozást biztosítani a megbízható működés érdekében. Hatékony hőszabályozási rendszert tervezni egy tápegység számára összetett feladat, és sok múlik azon, hogy nyitott vagy burkolatba zárt tápegységről van-e szó.

Zárt tápegység használata esetén a ház típusa befolyásolja a légáramlást és a hőleadást. Habár a ventilátorok használata nagy segítség, a tervezőknek figyelembe kell venniük azok megbízhatóságát, valamint a rendszerventilátorok által okozott ellennyomást, ami jelentősen csökkentheti a tápegység-ventilátor(ok) hatékonyságát, potenciálisan növelve ezzel a tápegység üzemi hőmérsékletét.

A tápegységek hatásfoka gyakran lecsökken alacsony bemeneti hálózati feszültségek esetén. Következtetésképpen a hosszabb ideig alacsony bemeneti hálózati feszültségeken üzemeltetett egységek több hőt termelhetnek és emiatt további kiegészítő hűtésükre lehet szükség. Végezetül, a tápegységeknél gyakran a csökkentett névleges értékeiket kell figyelembe venni, ha azok olyan magas hőmérsékleteken működnek, mint ami az ipari és orvosi rendszerekben tapasztalható.

Ahhoz, hogy felgyorsítsák az effektív hőszabályozási rendszerek megépítését, a tervezők a számos hőszabályozási lehetőséget kínáló, kifejezetten ipari és orvosi alkalmazásokhoz tervezett tápegységekhez fordulhatnak.

Ez a cikk az ipari és orvosi rendszerek tervezése során felmerülő hőszabályozási problémákat tekinti át, és útmutatást ad effektív hőszabályozási megoldások tervezéséhez. Ezután a Bel Power Solutions tápegységeit használva valós példaként bemutatja a tápegységek ipari és orvosi berendezésekbe történő integrálásának lehetőségeit, majd néhány olyan gyakorlati lépéssel zárul, amelyekhez a tervezők igazodni tudnak a tápegységeknek a teljes rendszer hőszabályozási kialakításába történő integrálásakor.

Hőszabályozási problémák tápegységeknél

A tápegységek hőszabályozásakor megjelenő problémák közé tartozik a levegő áramlása a rendszer egészén belül valamint az, hogy a rendszerventilátorok hogyan befolyásolják a tápegységek saját ventilátorai által kifejtett hatást, továbbá a környezet üzemi hőmérséklete, a csúcs hasznosteljesítmény-leadás szükségessége, valamint a bemeneti feszültség hatása a teljesítményveszteségre. Ezek az elsőrendű megfontolások, és ez a cikk nem terjed ki a másodrendű hőszabályozási problémák tárgyalására, amelyek figyelembe vételére a rackbe szerelt rendszereknél vagy speciális környezeteknél, például adatközpontoknál van szükség.

Az egyik első szempont a tápegységen belüli légáramlás iránya. A normál légáramlás pozitív nyomást hoz létre a rendszerből kilépve, fordított légáramlás esetén pedig a pozitív nyomás a rendszer belépő oldalán található (1. ábra).

1. ábra: A normál légáramlás pozitív nyomást hoz létre a rendszerből kilépve (balra). Fordított légáramlás esetén pozitív nyomás a rendszer belépő oldalán generálódik (jobbra) (kép: Bel Power Solutions)

Egy ventilátor nem elég

Sok tápegység rendelkezik hűtőventilátorral, de ahelyett, hogy ez egyszerűsítené a hőszabályozás tervezését, a ventilátorral ellátott tápegységen áthaladó légáramlás iránya, valamint a rendszer vagy a ház légáramlási ellenállása és nyomása bonyolíthatja a hőszabályozás megtervezést. A lehetséges bonyodalmak többek között a következők:

• A rendszerventilátorok által kifejtett hatás ellentétes lehet a tápegység-ventilátorokéval, és csökkentheti azok hatékonyságát, csökkentve ezzel a tápegységen keresztüli légáramlást.
• A tápegység-ventilátor beszívó nyílásának légáramlási ellenállása váratlanul nagy lehet, ami csökkentheti a tápegységen keresztüli légáramlást.
• A kábelek vagy egyéb akadályok akadályozhatják a levegőnek a tápegységen keresztüli áramlását, csökkentve ezzel a ventilátorok hatékonyságát.

A rendszer és a tápegységek ventilátorainak egymásra gyakorolt kölcsönhatása többféle is lehet, példák erre az alábbi 2. ábrán láthatók:

1. A tápegység ventilátorai normál irányú légáramlást generálnak, de a nagyobb teljesítményű rendszerventilátorok alacsonyabb (negatív) nyomást hoznak létre a házon belül, ezáltal csökkentve a tápegység-ventilátorok hatékonyságát.
2. A tápegység-ventilátorok által generált légáramlás fordított irányú, és a rendszerventilátorok segítenek a tápegység hűtésében, nem akadályozzák azt. Ha azonban a tápegységbe belépő levegő a rendszer kivezető plénumából érkezik, akkor ez problémákat okozhat, mint például az összesített légáram csökkenését, valamint a keringetési problémákat, amelyek miatt hő halmozódhat fel a tápegységen belül.
3. A tápegység légbevezető nyílása el van választva a ház fő légáramlási útvonalától, így védve a tápegység ventilátorait a rendszer ventilátorainak zavaró hatásaitól. Ahhoz, hogy ez minél előnyösebben kihasználható legyen a tápegység légáramlási csatornájának alacsony ellenállásúnak kell lennie.

2. ábra: A hőszabályozás tervezésekor figyelembe kell venni a tápegységen keresztüli légáramlás irányát, valamint a tápegység és a rendszerventilátorok egymáshoz viszonyított teljesítményét (kép: Bel Power Solutions)

Csúcsteljesítmény kontra névleges teljesítmény és a névleges értékek csökkenése

A névleges értékek csökkenésének mértéke gyakran különbözik csúcsteljesítmény és névleges teljesítmény esetén. A csúcsteljesítményigény széles skálán mozog, néhány milliszekundumtól az akár 10 másodperces vagy ettől is hosszabb igényig, és ez számos ipari és orvosi rendszerben fontos szempont. Vegyünk példaként két 600 wattos tápegység-sorozatot, amelyeket különböző csúcsteljesítmény-leadásra optimalizáltak: a Bel Power Solutions ipari és orvosi AC-DC tápegységek ABC601 sorozatát, amelyeknél a névleges csúcsteljesítmény-leadási idő 10 másodperc, és a VPS600 sorozatot, amelynél ez 1 ms.

Az ABC601 sorozat akár 600 watt szabályozott kimeneti teljesítményt biztosít a 85–305 V_AC közötti bemeneti feszültségtartományban, 24, 28, 36 vagy 48 V_DC kimeneti feszültséggel. Például az ABC601-1T48 kimeneti feszültsége 48 V_DC. Ezek a tápegységek névleges folyamatos teljesítménye 600 watt, névleges csúcsteljesítményük pedig 800 watt, legfeljebb 10 másodpercig, 60 °C-ig a zárt, elülső ventilátoros modellek esetében (3. ábra). 5 V_DC készenléti kimenettel rendelkeznek, az U-házas modellek esetében 1,2 A, az elülső ventilátoros modellek esetében pedig 1,5 A névleges áramerősséggel, valamint egy 12 voltos, 1 A áramerősségű, ventilátoros kimenettel.

3. ábra: Az ABC601 sorozat zárt, elülső ventilátoros típusainak névleges folyamatos teljesítménye 600 watt (piros vonal a felső grafikonon) vagy akár 800 watt csúcsteljesítményt is leadhatnak max. 10 másodpercig (piros vonal az alsó grafikonon) 60 °C-ig (kép: Bel Power Solutions)

Az ABC601 sorozat kétféle burkolati változatban kapható, U-házas vagy zárt, elülső ventilátoros változatban (4. ábra). Az ABC601 sorozat továbbá rendelkezik egy belső áramösszegző áramkörrel, mely lehetővé teszi az egységek párhuzamos kapcsolását az összteljesítmény növeléséhez.

4. ábra: Az ABC601 típusú tápegységek ventilátoros (fent) vagy konvekciós hűtésű (lent) változatokban kaphatók (kép: Bel Power Solutions)

A Bel Power Solutions EOS Power VPS600 sorozatú, nyitott tápegységei szűkebb, 85–264 V_AC közötti bemeneti tartományban működnek, akár 600 watt folyamatos kimeneti teljesítménnyel és 720 watt csúcsteljesítménnyel 1 ms-ig (5. ábra). Ezek a tápegységek 12, 15, 24, 30, 48 és 58 V_DC kimeneti feszültségű változatokban kaphatók. Például a VPS600-1048 kimeneti feszültsége 48 V_DC. Ezek az egységek egy 5 V_DC, 500 mA-es készenléti kimenettel rendelkeznek, és egy 12 voltos, 500 mA-es ventilátoros kimenettel. Míg az ABC601 sorozatot kétféle burkolati kialakításban kínálják, a VPS600 sorozat tagjai három különböző típusú tokozásban, különböző teljesítményű változatokban kaphatók: 600 wattos konvekciós hűtésű U-házas, 420 wattos lyukacsos fedelű, illetve 360 wattos zárt fedelű egységek.

5. ábra: A VSP600 sorozat három különböző névleges teljesítményű tokozási változatban kapható: 600 wattos konvekciós hűtésű U-házas, 420 wattos lyukacsos fedelű és 360 wattos sima fedelű egységek (kép: Bel Power Solutions)

A különböző kimeneti feszültségek és tokozások esetében a névleges értékek csökkenésének mértéke is különbözik. Például a 24 V_DC kimenetű egységeknél a névleges értékek a következőknek megfelelően csökkennek:

• Nyitott
  • Konvekciós terhelés, 600 watt folyamatos teljesítmény 30°C-ig
• Lyukacsos fedél
  • Konvekciós terhelés, 420 watt folyamatos teljesítmény 30°C-ig
• Sima fedél
  • Konvekciós terhelés, 360 watt folyamatos teljesítmény 30°C-ig
• A különböző háztípusok mindegyike esetében
  • 30 és 50°C között 0,833%-kal való csökkenés °C fokonként
  • 50°C felett 2,5%-kal való csökkenés °C fokonként, legfeljebb 70°C-ig

A bemeneti feszültség hatása

A tápegység hatásfoka alacsonyabb bemeneti feszültségek esetén csökkenhet, aminek következményeként a névleges kimeneti teljesítmény is csökken. Például az ABE1200/MBE1200 sorozatú AC-DC tápegységek 1200 wattot adnak le 180–305 V_AC közötti bemeneti feszültségtartomány esetén, de csak 1000 wattot a 85–180 V_AC közötti bemeneti feszültségtartományban (6. ábra). Ezek a névleges értékek 0–60°C között érvényesek. 70°C-tól kezdve 1200-ról 1100 wattra, illetve 1000-ről 900 wattra csökkennek lineárisan.

6. ábra: Az ABE1200/MBE1200 tápegységek 1200 wattot adnak le 180–305 V_AC közötti bemeneti feszültség és 1000 wattot 85–180 V_AC közötti bemeneti feszültség esetén (kép: Bel Power Solutions)

Ezek a tápegységek tartalmaznak egy ventilátorfordulatszám-szabályozót, amely minimalizálja a hallható zajt, amikor nincs szükség maximális légáramlásra. Három, 1U mérettel kompatibilis tokozásban kaphatók, köztük egy zárt típus két ventilátorral (csak a 24 V_DC modellek), valamint egy U-házas típus két védőburkolati lehetőséggel (7. ábra).

7. ábra: Az ABE1200 tápegységek kétventilátoros változatban (csak a 24 V_DC modellek) és kétféle védőburkolattal kaphatók (kép: Bel Power Solutions)

DIN esetén más a szabály

A LEN120 sorozatú tápegységek névleges teljesítménye 120 watt, és szabványos DIN-sínre szerelhetők. A LEN120-12 például 12 V_DC kimeneti feszültséget biztosít a 90–264 V_AC (univerzális) vagy 127–370 V_DC névleges bemeneti feszültségtartományokban (9. ábra). A DIN-sínes tápegységek teljesítménycsökkenésének megadásakor az adatlapokon gyakran az üzemi hőmérséklet mellett a bemeneti és a kimeneti feszültséget is figyelembe veszik. A LEN120 sorozatnál:

• Mindegyik típus
  • -20°C és -10°C között, 115 V_AC névleges bemeneti feszültség esetén a kimeneti teljesítmény 2%-kal csökken °C fokonként
  • -20°C és -10°C között, 230 V_AC névleges bemeneti feszültség esetén nincs teljesítménycsökkenés
  • +40°C és +60°C között, 115 V_AC névleges bemeneti feszültség esetén a kimeneti teljesítmény 2,5%-kal csökken °C fokonként
  • 115–264 V_AC és 162–370 V_DC közötti bemeneti feszültségek esetén nincs teljesítménycsökkenés
  • 115–90 V_AC és 162–127 V_DC közötti bemeneti feszültségek esetén (alacsonyabb hálózati feszültségek) a leadott teljesítmény 1%-kal csökken voltonként
• LEN120-12 típus (12 V_DC kimenet)
  • +45°C és +60°C között, 230 V_AC névleges bemeneti feszültség esetén a kimeneti teljesítmény 3,33%-kal csökken °C fokonként
• LEN120-24 és LEN120-48 típusok (24 és 48 V_DC kimenet)
  • +50°C és +60°C között, 230 V_AC névleges bemeneti feszültség esetén a kimeneti teljesítmény 5%-kal csökken °C fokonként

8. ábra: A LEN120 sorozatú DIN-sínes tápegységek névleges teljesítménye 120 watt és konvekciós hűtésűek (kép: Bel Power Solutions)

Gyakorlati lépések előnyös hőszabályozási tervek készítéséhez

Amint azt bemutattuk, a tápegységek rendszerekbe történő beépítése összetett hőszabályozási kérdéseket vet fel. A tervezők számos olyan gyakorlati lépést követhetnek, melyekkel a kellemetlen meglepetések elkerülhetők:

• A tápegység gyártója részletes információt tud nyújtani a ventilátor légáramlása és a statikus nyomás közötti viszonyról (P-Q görbe), így a tervezők tudhatják, hogy milyen légáramlásra számíthatnak, ha a tápegység ventilátora a rendszer belső ellennyomásával együtt vagy ellenében dolgozik.
• Egyes tápegységgyártók rendelkezésre bocsátják a tápegység FlowTHERM hőtani modelljeit, amelyek a teljes rendszermodellben felhasználhatók a tápegység hőtani viselkedésének kiértékelésére és a lehetséges problémák azonosítására.
• A tápegység gyártója vizsgálja felül a rendszer megtervezett hőszabályozását, és tegyen javaslatokat további elemzésre, vagy erősítse meg a terv megfelelőségét.

Összegzés

Az ipari és orvosi rendszerekben lévő tápegységek hőszabályozásának tervezésekor számos fontos tényezőt kell figyelembe venni. Ide tartozik a levegő áramlása a teljes rendszeren belül valamint az, hogy a rendszerventilátorok hogyan befolyásolják a tápegységek saját ventilátorai által kifejtett hatást, továbbá a környezet üzemi hőmérséklete, a csúcs hasznosteljesítmény-leadás szükségessége, valamint a bemeneti feszültség hatása a teljesítményveszteségre.

E problémák megoldhatók a Bel Industrial Power tápegységeivel, amelyeket különböző termikus környezetekre és alkalmazási forgatókönyvekre optimalizáltak. Emellett a tápegységgyártók olyan hőszabályozási eszközöket is kínálnak, amelyek segíthetnek felgyorsítani a tervezési folyamatot.

Ajánlott olvasnivaló

1. Hogyan válasszunk ventilátort