Ventilador y disipador: ¿chupar o soplar?

Question

Esta pregunta lo cubrió para los recintos. Sin embargo, desde el punto de vista del ventilador acoplado a un disipador, ¿importa que el aire sea soplado a través de las aletas o aspirado a través de ellas? En otras palabras, ¿es el patrón de flujo de aire lo suficientemente diferente como para importar?

Answer 1

Este es un tema tan amplio que realmente no se puede responder con una simple respuesta de uno es mejor que el otro.

Por sí solo, el lado de soplado de un ventilador produce un "río" de aire más concentrado, de movimiento más rápido y más turbulento, en comparación con el lado de admisión, donde el aire se extrae casi por igual de todas las direcciones. Esto se puede comprobar fácilmente con cualquier ventilador. Ponga su mano delante del lado de soplado y sentirá el flujo de aire y el efecto de enfriamiento. Ponga su mano detrás y el efecto es mucho más difícil de detectar.

La turbulencia también mejora en gran medida la eficacia de la transferencia de calor. De hecho, la turbulencia es su amiga.

Así que sólo desde esos puntos de vista, el lado del soplado parece el mejor lado de la refrigeración.

Sin embargo, no se trata sólo del ventilador.

La geometría del disipador de calor elegido también afecta en gran medida al rendimiento del ventilador. Un ventilador rotativo colocado sobre el típico disipador lineal con aletas será bastante ineficiente. De hecho, la zona situada directamente bajo el centro del ventilador no recibirá prácticamente ningún movimiento de aire. Esto, por supuesto, es desafortunado, ya que normalmente es allí donde se encuentra lo que se intenta enfriar.

Además, a menos que las aletas sean bastante profundas, el flujo de aire está mal distribuido en general. Si es demasiado superficial, la contrapresión resultante puede hacer que el ventilador se detenga. En esas circunstancias, la instalación del ventilador en la dirección de "succión" puede mejorar la situación ya que el aire entrará más linealmente por los lados del disipador para llenar el vacío de presión de aire creado por el ventilador.

Podría decirse que el disipador de calor mostrado arriba podría ser más eficiente con aletas más largas y el ventilador montado en un extremo.

Los mejores diseños utilizan disipadores radiales como el de abajo. Como puedes ver, el estilo aquí es radialmente simétrico al flujo de aire en toda la circunferencia del ventilador y, en consecuencia, ofrece una transferencia de calor más uniforme alrededor del núcleo central.

Sin embargo, incluso con este estilo, el propio núcleo sigue estando mal ventilado. Por ello, suele fabricarse como un núcleo sólido de alta conductancia térmica que actúa como tubo de calor. Incluso así, mirando la imagen de abajo, el área alrededor del núcleo en la sección cuadrada que toca el chip es en realidad un vacío de aire que es bastante ineficiente. Un diseño mejor tendría esa zona rellena de metal en una estructura cónica redondeada. Sin embargo, eso sería, por supuesto, imposible de extrudir.

De hecho, los materiales y la preparación de la superficie también marcan una gran diferencia en el diseño del disipador de calor. Evidentemente, lo mejor son los materiales de alta conductividad térmica, pero la superficie también debe ser lo suficientemente lisa como para que no se formen bolsas de aire o se agarren partículas de polvo, pero tampoco tan lisa como para que el aire pase con demasiada facilidad por encima.

Uno podría, por supuesto, pasar años consiguiendo que esa pequeña fórmula sea perfecta, pero en general uno no quiere un disipador de calor de cromo muy pulido. El aluminio con chorro de arena, o el cobre con chorro de arena recubierto de oro, si te lo puedes permitir, funcionaría mucho mejor.

Otro problema grave es la contaminación.

El polvo y la suciedad van a entrar en el ventilador y en el disipador de calor. Con el tiempo, esto se acumula y degrada gravemente el rendimiento de la unidad. Por lo tanto, es prudente diseñar el ventilador y el disipador de calor para que sean lo más autolimpiables posible.

Aquí es donde un ventilador suele salir ganando. Con un flujo de aire controlado y si el aire que entra puede mantenerse limpio, tiende a expulsar el polvo del disipador de calor. Lo que me lleva al siguiente punto.

Abastecimiento y extracción de aire

Puedes gastar miles de dólares en desarrollar la disposición perfecta del ventilador y el disipador de calor y todo será en vano si no te ocupas del resto del aire que rodea a tu sistema de refrigeración, especialmente en un recinto cerrado.

El calor no sólo tiene que ser eliminado de su dispositivo al aire, pero que el aire caliente a continuación, tiene que ser eliminado de las inmediaciones. Si no lo hace, el aire caliente se recirculará y el dispositivo que intenta proteger seguirá sufriendo un fallo térmico.

Por lo tanto, su armario debe estar ventilado y también debe incluir ventiladores para extraer el aire frío del exterior del recinto. Estos ventiladores deben incluir siempre filtros de malla o de espuma extraíbles para controlar la cantidad de polvo ambiental que se aspira en la unidad. Los paneles de escape de tipo rejilla abierta son aceptables, sin embargo, para un mejor funcionamiento se debe mantener una presión positiva dentro del armario para que el flujo de aire se mantenga en la dirección de salida para limitar de nuevo la entrada de contaminación.

Casos especiales

Siempre que la unidad vaya a instalarse en un entorno extremo, deberán tomarse medidas especiales. Los entornos con mucho polvo, como las fábricas de pisos, etc., o los entornos con alta temperatura ambiente requerirán aire canalizado directamente al chasis, o una unidad sellada y un sistema de refrigeración de dos etapas, posiblemente líquido.

Casos críticos

Si su sistema controla algo crítico, es prudente incluir la detección térmica y posiblemente el control activo del ventilador como parte de su sistema de disipación de calor. Estos sistemas deberían incluir la función de pasar a un estado seguro y avisar al usuario para que limpie los filtros o reduzca de otro modo el calor ambiental alrededor del sistema cuando sea necesario para evitar fallos críticos.

Un punto más

Puedes gastar el dinero de medio año de desarrollo consiguiendo el mejor diseño de disipador de calor del mundo, con costosos ventiladores y un perfecto sistema de distribución de aire, y luego quemar los dispositivos por la falta de 2 centavos de compuesto térmico.

Conseguir que el calor del dispositivo que se intenta proteger llegue al disipador de calor puede ser a menudo el punto más débil del sistema. Los componentes que no se montan correctamente en el disipador de calor con un material de unión térmica adecuado matan más unidades que el resto de los problemas combinados.

Su proceso y procedimientos de fabricación deben desarrollarse para dar prioridad a estos aspectos.

Por ejemplo, si se utilizan tres o cuatro transistores de tipo TO220 montados en un único disipador de calor, es prudente montarlos mecánicamente a ese disipador y, si procede, el disipador a la placa, ANTES pasando por el proceso de soldadura. Esto asegura que la conexión térmica tenga prioridad.

Entre el dispositivo y el disipador de calor deben incluirse siempre pastas, cremas, geles o almohadillas térmicas aisladas eléctricamente para rellenar los huecos de aire causados por la falta de planicidad o las protuberancias en la superficie del dispositivo o del disipador de calor.

Y mantenerlo limpio. Un contaminante del tamaño de un grano de sal, o incluso un pelo suelto, puede provocar un fallo térmico.

Answer 2

El patrón de presión será diferente.

Al soplar hacia dentro, la presión en la superficie del disipador (paralela a las aspas) será mayor, lo que significa una mayor conductividad térmica en la superficie.

Cuando se aspira a través de las aletas, la presión en la superficie de las aletas ortogonal al flujo de aire será mayor.

Así que creo que la dirección correcta del flujo de aire depende de los ratios de dimensión del disipador y de su ponderación con el patrón de dispersión térmica. Empíricamente se podría decir que cuando su amplitud es mucho mayor que su profundidad, definitivamente el soplado es mejor.

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Adición después del comentario de andresgongora...

Piensa en la presión del aire como voltaje y la velocidad del aire como corriente, los obstáculos ortogonales al flujo como resistencia, la convección de calor resultante como potencia. O piense en la presión con la que la masa interactúa con el calor por unidad de tiempo, que está siendo refrescada por la velocidad del flujo de aire.

Así que el patrón de presión no dará una imagen exacta de lo que está sucediendo allí, el patrón de convección completo será complicado pero da una buena idea sobre la mejor dirección del flujo de aire.

Answer 3

El calor se transfiere por conducción, radiación y convección. Para enfriar un circuito integrado, se utilizan los tres modos: conducción desde la matriz al disipador, radiación desde el disipador al entorno, y convección mediante el movimiento del aire. Las leyes de Boyle y Charles nos dan \$PV = kT\$ , donde \$P\$ = presión, \$V\$ = volumen, \$k\$ es una constante y \$T\$ es la temperatura absoluta. Ahora, si queremos seguir el cambio de temperatura en el tiempo, podemos diferenciar esta ecuación. Esto da:

$$V \frac{dP}{dt} + P \frac{dV}{dt} = k \frac{dT}{dt} + T \frac{dk}{dt}$$

Si quieres mover el aire a través de un volumen fijo, \$V\$ por ejemplo, una caja de ordenador o su fuente de alimentación, entonces \$\frac{dV}{dt} = 0\$ y por supuesto \$\frac{dk}{dt} = 0\$ . Así, la ecuación se simplifica a:

$$V \frac{dP}{dt} = k \frac{dT}{dt}$$

En otras palabras, si se aumenta la presión con el tiempo, la temperatura aumentará, y viceversa. Para ayudarte a entender este principio, considera estos dos ejemplos:

1. Cuando se inflan los neumáticos de la bicicleta con una bomba manual, el extremo de la bomba más cercano a la salida se calienta bastante. Este efecto de calentamiento se ve alterado por el término P.dV/dt, que no es cero.

2. si tienes una habitación cúbica en tu casa con ventanas y puertas en las cuatro paredes verticales, y tienes un viento caliente que viene del Norte, puedes enfriar la habitación abriendo la ventana / puerta en la pared del Norte por ejemplo 50 a 100 mm, y abriendo las ventanas / puertas en las otras paredes por ejemplo 200 a 500 mm. De este modo, se reducirá la presión en el interior de la habitación y bajará la temperatura.

Ahora, el asunto de las turbulencias.

La mayor cantidad de transferencia de calor desde el disipador (u otros componentes calientes) se produce bajo un flujo de fluido laminar. Cuando el flujo de aire aumenta, puede llegar a un punto en el que el flujo de aire se vuelve turbulento. Los efectos de la turbulencia son:

• el área efectiva del ventilador disminuye - pregunte a cualquier piloto de avión de hélice sobre el efecto en la propulsión cuando se aumenta la velocidad de la hélice más allá de la línea roja de RPM
• el ruido aumenta = la energía se pierde
• Se forman vórtices que depositan los residuos transportados por el aire en las zonas de menor velocidad
• la eficacia del ventilador disminuye y su temperatura puede aumentar
• La cavitación se produce dando lugar a zonas de flujo de aire nulo, y por lo tanto
  aumento de la temperatura.

Por lo tanto, la turbulencia es definitivamente NO es tu amigo .

Puedes intentar reducir la velocidad del ventilador para reducir las turbulencias; si el ventilador estaba bien diseñado, los ángulos de las aspas del ventilador serán curvas continuas para tener en cuenta el aumento de la velocidad del aire cuando éste pasa por encima de las aspas. Por lo tanto, si el ventilador se ralentiza, la curvatura de las palas ya no es correcta para el flujo laminar. Este efecto se supera en las hélices de aviones y barcos grandes variando el "paso" de las palas, incluso invirtiendo el paso. Esto no suele ser posible con el tamaño de los ventiladores de refrigeración utilizados en los equipos eléctricos.

Envoltura de los ventiladores

Si hay una trayectoria de aire continua y sin obstáculos desde el lado de abajo (alta presión, o salida) hasta el lado de arriba (baja presión, o entrada), el aire de mayor presión simplemente se desplaza por el camino más corto de vuelta a la entrada y el flujo descendente se reduce. Es algo que se ve constantemente: los propulsores de los aviones, los propulsores marinos (véase el último diseño de propulsión de los buques de guerra españoles suministrados a Australia), los ventiladores de refrigeración domésticos baratos. Para superar esta pérdida y aumentar así la eficacia del ventilador, los mejores diseños tienen cubiertas ajustadas alrededor de las puntas de las aspas del ventilador. El doctorado de Frank Whittle incluía el uso de ventiladores con carcasa en su motor a reacción, mucho más eficaces que los propulsores abiertos y buenos para el aumento rápido de la temperatura para incrementar la velocidad de los gases de escape.

Utilizar una mano para detectar el enfriamiento

El enfriamiento que se siente cuando se baja de un ventilador es principalmente el efecto de la vaporización del agua fluida residente en la piel - la pérdida de 540 cal / gramo a través de la vaporización ciertamente se "siente" fresca. Pero el efecto en los componentes electrónicos/eléctricos que no tienen agua en su piel es nulo. Por lo tanto, utilizar la mano para detectar el descenso de la temperatura es un modelo erróneo.

EN RESUMEN:

Chupar es mejor que soplar para bajar la temperatura. El flujo laminar es el medio más eficaz de convección y conducción del calor. El recubrimiento de las aspas del ventilador aumenta su eficacia y eficiencia.

Answer 4

Creo que depende del diseño. Los principales factores son:

• para que el aire más frío salga y el aire más caliente se dirija a la dirección deseada. Si se aspira fuera del disipador de calor, la entrada de aire del disipador de calor puede estar situada cerca de otros elementos de calefacción, y por lo tanto el aire suministrado puede no ser de baja temperatura necesaria, o, la temperatura de entrada puede cambiar con el funcionamiento, cambiando negativamente la eficiencia del sistema de refrigeración;
• el polvo se introduce en los pequeños orificios del disipador de calor. Si sopla hacia dentro, como han dicho muchos comentaristas, tiene un solo punto de entrada de aire y puede estar cubierto con un filtro, o simplemente el aire puede provenir de un lugar más limpio por diseño. Si se aspira, lo más probable es que la fuente de aire esté situada muy cerca de la superficie de la placa de circuito impreso y de otros componentes, aspirando la suciedad acumulada en ellos.
• Hay otra forma de diseñar el sistema de refrigeración. Si abre un portátil contemporáneo o un PC de gama alta, puede encontrar que tiene agua u otro tipo de refrigeración líquida, y el ventilador puede no tener que estar situado cerca del chip; se puede poner en cualquier lugar que el diseñador piense que es convenientemente servible y más limpio.

Por lo tanto, voto por el flujo de entrada, pero de nuevo, todo depende del diseño del dispositivo.

Answer 5

Si el ventilador y el disipador están encerrados en un conducto de aire, obtendrás el mismo flujo de aire en ambos lados del ventilador, por lo que la posición del disipador no debería importar mucho. Para una configuración de "ventilador sobre un disipador", el lado del soplado definitivamente proporciona una mejor refrigeración.