Ventilador y disipador de calor: ¿chupar o soplar?

Esta pregunta lo cubrió para recintos. Sin embargo, desde el punto de vista del ventilador conectado a un disipador de calor, ¿importa si se sopla aire a través de las aletas o si se aspira por las aletas? En otras palabras, ¿es el patrón de flujo de aire lo suficientemente diferente como para importar?

Este es un tema tan amplio que realmente no se puede responder con uno simple, es mejor que la otra respuesta.

Independientemente, el lado de golpe 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 desde todas las direcciones. Puedes probar esto con bastante facilidad con casi cualquier fan. Ponga su mano frente al lado del golpe y sentirá el flujo de aire y el efecto de enfriamiento. Pon tu mano detrás y el efecto es mucho más difícil de detectar.

La turbulencia también mejora en gran medida la eficiencia de la transferencia de calor. La turbulencia es, de hecho, tu amiga.

Entonces, solo desde esos puntos de vista, el lado del golpe parece ser el mejor lado de enfriamiento.

Sin embargo, no se trata solo del ventilador.

La geometría del disipador de calor elegido también afecta en gran medida el rendimiento del ventilador. Un ventilador rotativo golpeado encima de su disipador de calor con aletas lineal típico en realidad será bastante ineficiente. De hecho, la región directamente debajo del centro del ventilador prácticamente no tendrá ningún movimiento de aire. Por supuesto, esto es desafortunado, ya que normalmente es donde se encuentra lo que está tratando de enfriar.

Además, a menos que las aletas sean bastante profundas, el flujo de aire está mal distribuido en general. Demasiado superficial, y la contrapresión resultante en realidad puede "detener" el ventilador. En esas circunstancias, instalar el ventilador en la dirección de "aspiración" puede mejorar la situación, ya que el aire ingresará a los lados del disipador de calor de forma más lineal para llenar el vacío en la presión de aire creada por el ventilador.

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

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

Sin embargo, incluso con este estilo, el núcleo en sí todavía está mal ventilado. Como tal, generalmente se fabrica como un núcleo sólido de alta conductancia térmica que actúa como un tubo de calor. Incluso entonces, mirando la imagen a continuación, el área alrededor del núcleo en la sección cuadrada que toca el chip en realidad es un vacío de aire que es bastante ineficiente. Un mejor diseño tendría esa área llena de metal en una estructura cónica redondeada. Sin embargo, eso, por supuesto, sería imposible de extruir.

Si los materiales de hecho y las preparaciones de la superficie también hacen una gran diferencia en el diseño del disipador de calor. Los materiales altamente conductivos térmicamente son obviamente los mejores, pero la superficie también debe ser lo suficientemente lisa como para no permitir que se formen bolsas de aire o atrapar partículas de polvo, pero tampoco tan lisa como para que el aire pase demasiado fácilmente sobre ella.

Por supuesto, uno podría pasar años obteniendo esa pequeña fórmula perfecta, pero en general no desea un disipador de calor de cromo de alto pulido. El aluminio con chorro de arena o el cobre con chorro de arena con recubrimiento de oro, si puede permitírselo, funcionaría mucho mejor.

Otro problema grave es la contaminación.

El polvo y la suciedad entrarán en su ventilador y su disipador de calor. Con el tiempo, esto se acumula y degrada severamente el rendimiento de la unidad. Por lo tanto, es prudente diseñar la disposición de su ventilador y disipador de calor para que se enjuague lo más que pueda.

Aquí es donde generalmente gana un ventilador. 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 de aire y eliminación

Puede gastar miles de dólares desarrollando la disposición perfecta de ventilador y disipador de calor y todo será en vano si no maneja el resto del aire alrededor de su sistema de enfriamiento, especialmente en un recinto cerrado.

El calor no solo debe eliminarse de su dispositivo al aire, sino que el aire caliente debe eliminarse de las proximidades. De lo contrario, solo recirculará el aire caliente y aún se producirá una falla térmica en el dispositivo que está tratando de proteger.

Como tal, su gabinete necesita ventilación y también debe incluir ventiladores de gabinete para extraer el aire fresco del exterior del gabinete. Estos ventiladores siempre deben incluir filtros de espuma y malla extraíbles para controlar la cantidad de polvo ambiental aspirado en la unidad. Los paneles de escape de tipo parrilla abierta son aceptables, sin embargo, para una mejor operación, se debe mantener una presión positiva dentro del gabinete para que el flujo de aire se mantenga hacia afuera para limitar nuevamente la entrada de contaminación.

Casos especiales

Dondequiera que se instale la unidad en un entorno extremo, se deben tomar medidas especiales. Los entornos con mucho polvo, como los molinos de piso, etc., o los ambientes con temperatura ambiente alta requerirán aire conducido directo al chasis, o una unidad sellada y un sistema de enfriamiento de dos etapas, posiblemente líquido.

Casos Críticos

Si su sistema está controlando algo crítico, entonces es prudente incluir la detección térmica y posiblemente el control activo del ventilador como parte de su sistema de disipador de calor. Dichos sistemas deben incluir la característica de entrar en un estado seguro y advertir al usuario que limpie los filtros o que reduzca el calor ambiental alrededor del sistema cuando sea necesario para evitar fallas críticas.

Un punto más

Puede gastar medio año en el desarrollo de dinero obteniendo el mejor diseño de disipador de calor del mundo con ventiladores caros y un sistema de distribución de aire perfecto, todo bloqueado y quemando dispositivos por la falta de 2 centavos de compuesto térmico.

Obtener el calor del dispositivo que está tratando de proteger en el disipador de calor a menudo puede ser el punto más débil del sistema. Los componentes que no están montados correctamente en el disipador de calor con un material de unión térmica apropiado matan más unidades que el resto de los problemas combinados.

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

Por ejemplo, si dice que está utilizando tres o cuatro transistores de estilo TO220 montados en un solo disipador de calor, es prudente montarlos mecánicamente en ese disipador de calor y, si corresponde, el disipador de calor a la placa, ANTES de pasar El proceso de soldadura. Esto asegura que la conexión térmica tenga prioridad.

Las pastas térmicas conductoras, las cremas, los geles y las almohadillas térmicas aisladas eléctricamente siempre deben incluirse entre el dispositivo y el disipador de calor para llenar los espacios de aire causados ​​por la falta de planeidad o golpes en el dispositivo o la superficie del disipador de calor.

Y mantenlo limpio. Contaminar el tamaño o un grano de sal, o incluso un cabello suelto, puede causar fallas térmicas.

El patrón de presión será diferente.

Al soplar, la presión en la superficie del disipador de calor (paralela a las cuchillas) 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.

Por lo tanto, creo que la dirección correcta del flujo de aire depende de las relaciones de dimensión del disipador térmico y de ponderarlas con un patrón de dispersión térmica. Empíricamente, se podría decir que cuando su amplitud es mucho mayor que su profundidad, definitivamente es mejor soplar.

Adición después del comentario de andresgongora ...

Piense en la presión del aire como voltaje y la velocidad del aire como corriente, los obstáculos ortogonales para fluir como resistencia, la convección resultante de calor como potencia. O piense en la presión que la masa interactúa con el calor por unidad de tiempo, que se está actualizando con la velocidad del flujo de aire.

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

El calor se transfiere por conducción, radiación y convección. Para enfriar un IC, se utilizan los tres modos: conducción desde el dado al disipador térmico, radiación desde el disipador térmico al entorno circundante, convección al mover el aire. Las leyes de Boyle y Charles nos dan , donde = presión, = volumen, es una constante y es la temperatura absoluta. Ahora, si queremos rastrear el cambio de temperatura con el tiempo, podemos diferenciar esta ecuación. Esto da:P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

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

En otras palabras, si aumenta la presión con el tiempo, la temperatura aumentará y viceversa. Para ayudarlo a comprender este principio, considere estos dos ejemplos:

1. Cuando sube los neumáticos de su 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 tiene una habitación cúbica en su casa con ventanas y puertas en las cuatro paredes verticales, y tiene un viento caliente que viene del norte, puede enfriar la habitación abriendo la ventana / puerta en la pared norte por ejemplo de 50 a 100 mm, y abriendo las ventanas / puertas en las otras paredes por ejemplo de 200 a 500 mm. Esto disminuirá la presión dentro de la habitación y disminuirá la temperatura.

Ahora al asunto de la turbulencia.

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

• el área efectiva del ventilador disminuye: pregúntele a cualquier piloto de avión de apoyo el efecto sobre la propulsión cuando aumente la velocidad de apoyo más allá de la línea roja de RPM
• el ruido aumenta = energía perdida
• se forman vórtices, depositando desechos transportados por el aire en las áreas de menor velocidad
• la eficiencia del ventilador disminuye y su temperatura puede aumentar
• La cavitación ocurre dando lugar a áreas de flujo de aire cero y, por lo tanto,
  un aumento desenfrenado de la temperatura.

Entonces, la turbulencia definitivamente NO es tu amigo .

Puede intentar reducir la velocidad del ventilador para reducir la turbulencia; Si el ventilador está bien diseñado, los ángulos de las aspas del ventilador serán curvas continuas para tener en cuenta el aumento de la velocidad del aire a medida que el aire pasa sobre las aspas. Por lo tanto, reducir la velocidad del ventilador significa que la curvatura de las aspas ya no es correcta para el flujo laminar. Este efecto se vence en los propulsores de aviones y barcos grandes variando el "paso" de las palas, incluido el paso inverso. Esto generalmente no es posible con el tamaño de los ventiladores de enfriamiento utilizados en equipos eléctricos.

Cubierta de ventiladores

Si hay una ruta de aire continua y sin obstáculos desde el lado inferior (alta presión o salida) hasta el lado superior (baja presión o admisión), el aire de mayor presión simplemente viaja por el camino más corto de regreso a la entrada y Se reduce el flujo aguas abajo. Usted ve esto todo el tiempo: hélices de aviones, hélices marinas (vea el último diseño de propulsión de los buques de guerra españoles suministrados a Australia), ventiladores de refrigeración para el hogar baratos. Para superar esta pérdida y así aumentar la efectividad del ventilador, los mejores diseños tienen cubiertas ajustadas alrededor de las puntas de las aspas del ventilador. El doctorado de Frank Whittle incluyó el uso de ventiladores cubiertos en su motor a reacción, mucho más eficiente que los propulsores abiertos y bueno para un aumento rápido de la temperatura para aumentar la velocidad de los gases de escape.

Usando una mano para detectar enfriamiento

El enfriamiento que siente cuando se encuentra corriente abajo de un ventilador es principalmente el efecto de la vaporización del agua fluida que reside en su piel: la pérdida de 540 cal / gramo a través de la vaporización ciertamente 'se sentirá' fresca. Pero el efecto sobre los componentes electrónicos / eléctricos que no tienen agua en sus pieles es cero. Entonces, usar su mano para detectar la caída de temperatura es el modelo incorrecto.

EN RESUMEN:

Succionar es mejor que soplar para bajar la temperatura. El flujo laminar es el medio más eficiente de convección y conducción del calor. El recubrimiento de las aspas del ventilador aumenta la efectividad y la eficiencia del ventilador.

Creo que depende del diseño. Los factores principales son:

• para generar aire más frío y hacer salir el aire más caliente en la dirección deseada. Si succiona el disipador de calor, la entrada de aire del disipador de calor puede ubicarse cerca de otros elementos de calentamiento y, por lo tanto, el suministro de aire puede no ser necesario a baja temperatura o la temperatura de entrada puede cambiar con la operación, cambiando negativamente la eficiencia del sistema de enfriamiento;
• el polvo se mete en pequeños agujeros del disipador de calor. Si sopla, como dijeron muchos comentaristas, tiene un solo punto de entrada de aire y puede estar cubierto con un filtro, o el aire simplemente puede proceder de una ubicación más limpia por diseño. Si aspira, la fuente de aire probablemente se encuentre muy cerca de la superficie de la PCB y otros componentes, absorbiendo la cantidad acumulada de ellos.
• Hay otra forma de diseñar un sistema de enfriamiento. Si abre una computadora portátil moderna o una PC de alta gama, es posible que tenga agua u otro líquido de enfriamiento, y que el ventilador no necesite ubicarse cerca del chip; se puede colocar en cualquier ubicación que el diseñador considere convenientemente útil y muy limpia.

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

Trabajo para una empresa de tecnología de redes ópticas (Telecom), y siempre trato de refrigeración y EMC. Excelentes comentarios para una decisión de diseño básica para la pregunta sobre equipos basados ​​en tarjetas / estantes: colocar los ventiladores en el lado de admisión o escape del filtro de aire.

Algunos proveedores de módulos electrónicos que utilizamos me han dicho que tirar del aire PIERDE una eficiencia de enfriamiento del 10-15%. Otras dos observaciones que tengo son
1) (grandes) Los ventiladores en la INGESTA lamentablemente PRECALIENTAN el aire por la fricción y la disipación de calor del motor del ventilador
2) al tratar de agregar conductos / deflectores en nuestra tarjeta de circuito para enfocar el flujo de aire FALLA miserablemente si está PULLING aire a través del PCBA.

Simplemente bloquea el movimiento del aire, al igual que las características demasiado finas: ¡aire solo para rodear el disipador térmico! Creo que la diferencia básica es que el aire PULLING causa movimiento solo por la diferencia de presión (menos turbulencia). El aire PUSHING utiliza la turbulencia activa y la diferencia de presión.

Cuando la pregunta se reduce a un disipador de calor [común] y un ventilador [tipo de cuchilla axial común], merece una respuesta más corta. Y la respuesta es, como siempre y desafortunadamente, "depende".

(1) Cuando se conecta un ventilador en la parte superior de un disipador de calor en la dirección de "succión", el aire ingresa en las aletas (o alfileres) en materia laminar (al menos en relación con una escala de vórtice más grande que la distancia de la aleta / alfiler). Como tal, la capa límite alrededor de las superficies de transferencia de calor es gruesa, y la transferencia de calor es bastante pobre. Además, en la construcción del fregadero unilateral con un ventilador típico, habrá una "zona muerta" en el centro con flujo de aire deficiente, exactamente en el lugar donde se genera el calor debajo del fregadero.

(2) Cuando un ventilador sopla en las aspas del disipador de calor, el flujo de aire de salida es turbulento y la capa límite térmica alrededor de las superficies metálicas es delgada, por lo que el flujo de aire penetra más profundamente en la estructura de la aleta y cerca de las superficies metálicas, proporcionando una buena transferencia de calor. Y la velocidad del aire más alta [turbulenta] está alrededor del centro del sumidero, donde el "estrés" térmico es más alto.

Entonces, parece que el caso (2) tiene una clara ventaja sobre el caso (1). Desafortunadamente, hay un factor más, que es el rendimiento del ventilador en diferentes condiciones circundantes. A diferencia de los sopladores que crean una presión más alta en relación con el espacio ambiental (y se usan en diseños de tubos de calor dentro de computadoras portátiles), los ventiladores axiales proporcionan un mejor rendimiento del flujo de aire cuando succionan el aire de un espacio más estrecho al ambiente, por lo que el caso (1) tiene alguna preferencia aquí .

Por otro lado, cuando un ventilador axial se enfrenta a una alta impedancia aerodinámica, como cuando sopla, puede "cortocircuitarse" y proporcionar un flujo de aire pequeño o nulo. Por lo tanto, el uso del ventilador axial tiene alguna ventaja en la carcasa térmica débil (1), mientras que el rendimiento del mismo ventilador se reduce al ponerlo en un área presurizada (pero más eficiente térmicamente).

Por lo tanto, la carcasa (1) tiene una transferencia de calor deficiente pero un mejor rendimiento del ventilador, y la carcasa (2) tiene una mejor transferencia de calor pero un rendimiento del ventilador más pobre. El resultado neto es "depende", que incluye varios factores como el grosor y el espaciado de las aletas. Y depende de la construcción del ventilador. Hay tres tipos de ventiladores axiales, de tubo axial, de paleta axial y de hélices, que pueden tener palas optimizadas para el rendimiento en una u otra dirección. Los ventiladores axiales de tubo también tienen un buen rendimiento de presurización y se utilizan en servidores blade. Entonces los resultados pueden variar.

Obviamente, el mejor resultado se puede lograr con un diseño de doble ventilador, como este, donde un ventilador sopla y otro aspira el aire.

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

Chupar o soplar no es la respuesta simple: se reduce a (sin juego de palabras) la temperatura del aire que fluye a través del disipador térmico, la velocidad del flujo y la contaminación que puede acumularse. Entonces, la respuesta simple es el aire más frío, el mejor flujo de aire y el menos contaminante, solo realmente responsable de la investigación y la experimentación.

En la mayoría de los casos, el ventilador en modo de aspiración es mucho mejor que el modo de soplado.

Si el ventilador se coloca en modo de soplado, la fuerza del viento se bloquearía y se propagaría por el disipador térmico, por lo tanto, el calor se disiparía alrededor del disipador térmico y, como resultado, el ventilador absorbería la misma fuente de flujo de aire y el calor se reciclaría.

En el modo de aspiración, el calor se eliminaría en una línea más concentrada, por lo que se reciclaría mucho menos calor.

Una excepción sería que el ventilador es lo suficientemente fuerte como para soplar el calor lo suficientemente lejos del disipador térmico para que el flujo de aire no se recicle. Entonces, el golpe podría ser mejor porque está más concentrado, por lo tanto, el aire fluye más rápido (la misma cantidad de flujo de aire pero más rápido) y por eso el viento mismo se volvería más frío =)