Teplo a chlazení v elektronice …

… aneb principy platné i v modelech

Teplo je všude kolem nás a pokud se nejedná přímo o teplo užitečné a chtěné (kdo z nás by chtěl mít doma „studenou plotnu“, že …), tak jde většinou o teplo „odpadní“, ztrátové a jako takové se jej snažíme odstraňovat, snižovat a nebo eliminovat jeho škodlivé působení. I když jsou základní principy kolem tepla stejné, zde bude řeč o teple „elektrickém“, tedy teple, vznikajícím vlivem průchodu el. proudu, se zaměření na RC modely. Přesnými výpočty se zde zabývat nebudeme, kdo chce hlubší studium této problematiky, doporučím mu např. publikaci z vydavatelství BEN – Teplo a chlazení v elektronice [1], kde je vše dobře popsáno … Informace zde uváděné jsou z této literatury čerpány také, spolu s praktickými zkušenostmi.

Na začátek jedna malá definice (slibuji, že jediná …. snad :-)), přesněji Joule-Lencův zákon – Všechny el.spotřebiče, které vykazují činný odpor, produkují při průchodu el.proudu teplo. Takže, teplu se nevyhneme, jde jen o to, jak ho co nejvíce snížit a jak odstranit jeho „škodlivý vliv“ na zařízení apod. A pokud chceme odněkud teplo odejmout, musíme to ochladit – k tomu nám pomůže to, že víme, že teplo se přenáší z místa o vyšší teplotě do místa o nižší teplotě (viz druhá věta termodynamiky …) a to trojím způsobem – vedením (kondukcí) – ve všech skupenstvích, především tuhých látkách, prouděním (konvencí) – především v kapalinách a plynech a nakonec, vyzařováním (radiací, sáláním) – pomocí formy vlnění. Tak dost teorie, jdeme na praxi ….

V RC modelech nám může „topit“ několik komponentů, nejčastěji to bude motor (pro nás elektromotor), akumulátor a regulátor, případně externí BEC apod., možná trochu nové přijímače na 2,4GHz (u „klasiky“ by to spíše znamenalo poruchu …), ale to u Rx vyřešíme jen tím, že ho nebudeme těsně balit do neprodyšného obalu … Akumulátor také nebudeme asi nijak upravovat, jen mu zajistíme dostatek chladícího vzduchu a co největší ochlazovaný povrch. Topí-li nám v modelu ještě něco, řešíme to analogicky a „selským rozumem“, případně to za nás udělal výrobce …. :-). No, a základní poučka o chlazení v modelech (většinou chladíme vzduchem), - chladící vzduch se nám k ochlazovaným součástkám musí dobře dostat a musí ho být dostatek – zde vzniká častá chyba, chladící vzduch nám musí někudy vstupovat, ale zároveň i někudy odcházet a to otvorem VĚTŠÍM než vstupním – praxe říká, že výstup musí být min. 1,5 až 2 krát větší !!! Schválně, kdo to máte v modelech správně? :-) A ještě jedna drobnost – čím přímější a nekomplikovanější je cesta chladícího vzduchu modelem, tím je chlazení účinnější. Takže mnohdy stačí lépe promyslet proudění vzduchu modelem, než zvětšovat chladiče jednotlivých komponentů ….

Budeme konkrétnější – model letadla a auta …
LETADLO – většinou jímáme vzduch proudící kolem trupu letadla, případně s podporou vzduchu od vrtule – obvykle čelem trupu a po jeho stranách (provedení je spousta, záleží na konkrétním modelu …), vzduch proudí kolem motoru, regulátoru a aku a vystupuje většinou až za křídlem. Opět platí, že by v trupu mělo být jeho proudění omezováno co nejméně (přepážky, komponenty apod.) a vystupovat „dvojnásobným“ otvorem, případě i pomocí „odsávání“ proudícím vzduchem v okolí modelu. Praktické provedení se bude lišit, princip však zůstává stejný …

Příklad řešení vstupu a výstupu chladícího vzduchu u cvičného modelu Pluto – tudy se chladí regulátor a aku (motor je chlazen přímo), část chladícího vzduchu prochází ven celým trupem pod výškovku …









AUTO – zde je situace trochu komplikovanější, nemáme „proudící vzduch“, musíme si pomoci jinak. Pokud máme vývin tepla v modelu malý, necháme to na přirozeném „stavu věci“, jen se snažíme to chladícímu vzduchu nekomplikovat – stále platí, čím více vzduchu se dostane k příslušným komponentům, tím lépe … No, a máme-li model „topící“, případně komplikováno „bordelkrytem“ v modelu, máme tu „tepelné starosti“ hned – nějak ten chladící vzduch tam musíme dostat. Použijeme ventilátor, který nám vzduch „rozhýbe“ – jen připomínka – není až tolik důležité, jak rychle, ale kolik vzduchu nám dodá, tedy množství proudícího vzduchu. Takže, ventilátor nemusí být velký, ani s vysokými otáčkami, ale hlavně účinný – záleží tedy i na provedení lopatek ventilátoru ! A opět platí, že vzduch nám musí někudy odcházet a to dostatečně velkým otvorem ! No, porovnejte si to u svých modelů !!! :-)

Příklad řešení odsávání chladícího vzduchu u „bordelkrytu“ TTčka – odsávání je nad regulátorem a motorem, vzduch je nasáván „pracovními otvory“ v „bordelkrytu“ …




Tak, vzduch jsme do modelu dostali, správně a bez omezení nám proudí (diskuzi o směru proudění si necháme na konec) a teď budeme chladit, případně upravovat (tj. přidávat chladiče apod.) jednotlivé komponenty …

A opět trochu teorie v praxi … :-) Základní poučka pro přestup tepla ze zařízení (chladiče apod.) do vzduchu říká, že výkon chladiče je závislý na velikosti chladící plochy (příslušné vzorce najdete také v [1]) – proto mají chladiče co nejvíce chladících žeber a komplikovaný tvar. Záleží i na barvě chladiče, černý chladič lépe vyzařuje teplo ... Pokud už je další zvětšování plochy neúnosné, použije se pomocný ventilátor ke zvětšení proudění vzduchu kolem chladících žeber. Takže praxe –použijeme černý Al chladič (jo, záleží také na materiálu chladiče, viz také [1]), s co nejvíce žebry, tedy největší plochou (záleží i na tvaru a orientaci žeber). Nestačí-li samotný chladič, přidáme pomocný ventilátor – platí to samé, jako u ventilátoru na “bordelkrytu” ...

Příklad „počítačových“ chladičů a jejich použiti v elektronice c*f




Velký pasivní chladič nabíječe Robbe PPI3 (aktivní chlazení je uvnitř …)









A aby to už vůbec nebylo jednoduché, musíme ještě zajistit co nejlepší “tepelný” přechod mezi chladičem a chlazenou částí zařízení – co je nám platný super chladič, když se nám teplo ze zařízení na chladič nedostane, protože je mezi nimi příliš velký “přechoďák” – analogie jako u el.kontaktů. Takže musíme zajistit, aby se chladič a zařízení dotýkali co největší plochou, aby tyto plochy byly co nejrovnější a také co nejčistší – tedy aby mezi nimi nebyla nějaká “tepelně nevodivá” vrstva. Pro pevnou montáž chladičů (např. na elektronické součástky) se používá tzv. teplovodivá pasta (na bázi silikonové vazelíny), která vyplní drobné nerovnosti mezi chladičem a součástkou a tím mj. sníží “tepelný” přechodový odpor. My toto můžeme využít např. u chladičů regulátorů ap. (kde se nepředpokládá taková možnosti znečištění provozem), u přídavných chladičů el.motorů je to obtížnější, tam by mohl prach v kombinaci s pastou “přechoďák” naopak ještě zhoršit – musíme si vystačit pouze s velkou, rovnou a čistou plochou – záleží spíše na konkrétní situaci ...

Příklad chlazení RC komponentů v autě



Příklad chlazení regulátorů (upravené TEUčko a upravený Ezrun)



Příklad chlazení motorů („aktivní“ Mig a „pasivní“ Ezrun)



Příklad pasivního chladiče externího BECu









Lehké shrnutí, jak co nejlépe chladit:
- co nejlepší přechod mezi zařízením a chladičem (plochy rovné, čisté, co největší; teplovodivá pasta)
- co největší přechod mezi chladičem a vzduchem (plocha, barva, materiál chladiče, množství vzduchu)
- co největší množství chladícího vzduchu (vstupní a výstupní otvor, překážky proudění apod.)
- co největší rozdíl teplot mezi chladičem a chladícím vzduchem (jo, v zimě to prostě bude chladit lépe :-) )

No, a nakonec jsem si nechal takový malý „špek“ – je to mj. poměrně častý dotaz na modelářských fórech, především o RC autech. A dotaz zní – mám ventilátorem na chladič foukat a nebo z něj odsávat ? Já za sebe říkám – a i praktikuji – ODSÁVAT! Ale není to dogma, někdy to není nejvýhodnější, někdy je praktičtější FOUKAT. Proč, jak a kdy sát a kdy fučet, to záleží na situaci a zařízení.

Příklad odsávání chladícího vzduchu – měnič 12/24V









Nejprve, proč radím odsávat. Stačí si uvědomit, že ohříváme-li vzduch, tak nám teplý vzduch stoupá nahoru a studený klesá dolů – viz např. radiátory topení doma. No, a chladič je v podstatě také radiátor a vzduch se u něj chová stejně. Vezmeme-li tedy např. chladič regulátoru, položený na horní straně, bude ohřátý vzduch na horní straně chladiče a studený bude vstupovat z boku chladičů (nemáme-li chladič dole průchozí …). Bude-li nám stačit plocha chladiče k uchlazení regulátoru, stačí nám chladič pasivní, kdy bude proudění vzduchu přirozené, zdola nahoru …. Potřebujeme-li zvýšit výkon chlazení, změníme jej přidáním ventilátoru na chladič - máme přirozené chlazení s podporou ventilátorem - prakticky aktivní chlazení - ventilátor ve směru odtahu ven nám prostě jen podpoří přirozené proudění chladícího vzduchu. Jak prosté, že …. A když se nám ventilátorek pokazí (typicky přidřená ložiska, ulomená lopatka apod.), jen se sníží chladící výkon, ale fungujeme dál. Tato logika a „odsávané větrání“ se používá u „velkých“ zařízení, např. UPS, střídače apod. Přál bych vám vidět „drobečka“ střídač 170kVA, který má vzadu (pod krytem) velké chladiče, dole čistý vstup vzduchu a nahoře šest slušných ventilátorů, které sají „jako divé“. Dojde-li k poruše některého ventilátoru, hlídá si řídící elektronika teplotu chladičů (ale střídač funguje stále) a střídač vypne až při jejím překročení.

No, a pak tu je druhá filozofie - čistě aktivní chladiče, tedy chladič přímo s ventilátorem, který na chladič fouká - typickým příkladem jsou chladiče počítačových čipů nebo originální chlazení RC regulátorů. Když je to správně navržené a udělané, funguje to dobře. Nastane-li však porucha ventilátoru, máme tady problém - typickým příkladem jsou ventilátorky RC regulátorů - jejich ložiska toho moc nevydrží (zvláště při provozu modelu v prachu) a buď se točí málo a nebo vůbec. U většiny mých origo aktivních chladičů v modelech (regl Ezrun, aktivní chladič pro Miga apod.) velmi brzy přestaly ventilátory správně fungovat a buď pomohlo promazání ložisek (regl Ezrun) a nebo výměna za koupený jiný, z „elektronického“ prodeje. Fouká-li ventilátor zboku nebo zdola, není „poruchová“ situace tak hrozná, jen se nám sníží chladící výkon. Ale, pokud ventilátor fouká shora a dojde např. k přidření ložisek (sice se točí, ale málo) - typická závada u ventilátorů RC komponentů - máme tady problém. Výkon ventilátoru už na aktivní chlazení nestačí a oba směry proudění se „přetlačují“ - nevyhrává ani jeden, jen prohrává chlazení a situace je horší, než kdyby byl chladič pouze pasivní. to už je pak lepší, pokud se ventilátor netočí vůbec ! A pokud není teplota zařízení hlídána - typický případ je chlazení motoru, např. Miga - prostě to nechladí a komponent „upečeme“ …. Rada tedy zní - zvážit, co je přínosnější a vyplatí se pravidelná kontrola (což modelář dělá, že … :-) ).

Příklad originálního chlazení regulátor Ezrun









Tak, a co je tedy lepší ? Moje rada zní – pokud to jenom trochu jde, tak odsávejte, pokud to nejde, tak foukejte, ale funkčnost foukání kontrolujte ….

A nakonec malý praktický příklad, kdy se nám teorie pere s praxí – vezměme RC auto na rally, opatřené „bordelkrytem“. Máme uvnitř vše udělané podle předchozích zásad a potřebujeme ještě proudění vzduchu celým krytem. Nejjednodušší je vzít ventilátor, dát ho nahoru na kryt a odsávat vzduch zevnitř – samozřejmě, že musímě pod ním udělat díru, že … Ideální je, když máme motor a regulátor u sebe a můžeme náš „krytový ventilátor“ umístit nad ně. Přívod vzduchu pod kryt obstarávají „provozní otvory“ v krytu, např. kolem řízení apod. (vzorem jest kryt pro TTčko …) Paráda, krásně nám to funguje, hlavní zásady jsme dodrželi, chladí to jak má a my jsme spokojeni – ale jen do chvíle, kdy s modelem vyjedeme do terénu, přesněji do prašného terénu. Tady najednou zjistíme, že to sice krásně odsává a saje, ale saje to dovnitř i spoustu prachu a špíny ! Tak, a co teď, „babo raď“.
A baba radí - máme několik možností:
- nechat to takto, častěji kontrolovat čistotu a stav chladičů (a vůbec „vnitřností“) a čistit a čistit … Tímto způsobem provozuji min. dvě naše klubová auta pár sezón a při troše pečlivosti to jde …
- vše změnit na „tlačení“ vzduchu dovnitř, shora dolů (a podobně) – jde to, ale pravidelná kontrola je ještě důležitější, hlavně funkce ventilátorů …
- upravit cestu chladícího vzduchu z „čistého sání“; ideální stav je druhý ventilátor, který fouká vzduch dovnitř někde z čistého prostředí. Výborně, ale má to opět háček – nezapomeňte, že vzduch (jako voda, elektřina atd.) si hledá cestu „nejmenšího odporu“ a tak by se nám mohlo stát, že nám naše chladiče v podstatě mine a bude proudit přímo mezi oběma ventilátory – to jsme si moc nepomohli, že … Ještě můžeme pod krytem udělat jakýsi „větrolam“ a snažit se proud vzduchu směřovat, ale opět to můžeme ještě více komplikovat …

Samozřejmě, že na ventilátor (-y) dáme nějaký filtr (např. sebereme manželce či přítelkyni punčochy … :-) ), ale opět platí - hustší lépe filtruje, ale klade vzduchu větší odpor a naopak - zase musíme řešit kompromisy. Jo, není to tak jednoduché, kdo by to do „obyčejné chlazení“ řekl, že … Ale při troše přemýšlení a hlavně, použití „selského rozumu“ to jde, jen je třeba zvážit pro a proti a pak se rozhodnout, případně po praktických zkušenostech vše upravit …

Ukázka toho, že ani ventilátor, pracující ve zdánlivě bezprašném prostředí, není čistý :-)









Literatura:
[1] J.Fukátko, T.Fukátko, J.Šindelka - Teplo a chlazení v elektronice, nakladatelství BEN - Technická literatura, Praha 1997