Ventilador e dissipador de calor - chupa ou sopra?

Esta questão abrangeu os gabinetes. No entanto, do ponto de vista do ventilador conectado a um dissipador de calor, importa se o ar é soprado pelas barbatanas ou sugado pelas barbatanas. Em outras palavras, o padrão do fluxo de ar é diferente o suficiente para importar?

Este é um assunto tão amplo que, na verdade, não é um assunto que você possa responder com um simples, é melhor que a outra resposta.

Sozinho, o lado de sopro de um ventilador produz um "rio" de ar mais concentrado, com movimento mais rápido e mais turbulento, em comparação com o lado da entrada em que o ar é aspirado quase igualmente de todas as direções. Você pode testar isso com bastante facilidade com praticamente qualquer fã. Coloque a mão na frente do lado do sopro e sentirá o fluxo de ar e o efeito de resfriamento. Coloque a mão para trás e o efeito é muito mais difícil de detectar.

A turbulência também melhora muito a eficiência da transferência de calor. Turbulência é de fato sua amiga.

Portanto, apenas desses pontos de vista, o lado do impacto parece o melhor lado do resfriamento.

No entanto, não se trata apenas do ventilador.

A geometria do dissipador de calor escolhido também afeta muito o desempenho do ventilador. Um ventilador rotativo batido no topo de seu dissipador de calor com aletas linear típico será realmente ineficiente. De fato, a região diretamente abaixo do centro do ventilador praticamente não recebe movimento de ar. É claro que isso é lamentável, pois é normalmente onde está localizado o que você está tentando esfriar.

Além disso, a menos que as barbatanas sejam profundas, o fluxo de ar é mal distribuído em geral. Muito superficial e a pressão de retorno resultante pode realmente "travar" o ventilador. Nessas circunstâncias, a instalação do ventilador na direção "sugar" pode realmente melhorar a situação, pois o ar entra nos lados do dissipador de calor de forma mais linear para preencher o vazio na pressão de ar criada pelo ventilador.

Indiscutivelmente, o dissipador de calor mostrado acima pode ser mais eficiente com aletas mais longas e o ventilador montado em uma extremidade.

Projetos melhores usam dissipadores radiais como o abaixo. Como você pode ver, o estilo aqui é radialmente simétrico ao fluxo de ar em toda a circunferência do ventilador e, consequentemente, proporciona uma transferência de calor mais uniforme ao redor do núcleo central.

No entanto, mesmo com esse estilo, o núcleo em si ainda é mal ventilado. Como tal, é geralmente fabricado como um núcleo sólido de alta condutividade térmica, que atua como um tubo de calor. Mesmo assim, olhando a imagem abaixo, a área ao redor do núcleo na seção quadrada que toca o chip é na verdade um vazio aéreo que é bastante ineficiente. Um design melhor teria essa área preenchida com metal em uma estrutura cônica arredondada. No entanto, é claro que isso seria impossível de extrudar.

Se materiais de fato e preparações de superfície também fazem uma enorme diferença no design do dissipador de calor. Obviamente, materiais altamente condutivos termicamente são os melhores, mas a superfície também deve ser lisa o suficiente para não permitir a formação de bolsas de ar ou agarrar partículas de poeira, mas também não é tão suave que o ar passe com facilidade sobre ela.

É claro que se poderia passar anos obtendo essa pequena fórmula perfeita, mas em geral você não deseja um dissipador de calor com alto teor de cromo polido. Alumínio jateado ou cobre jateado revestido a ouro, se você puder pagar, funcionaria muito melhor.

Outra questão séria é a contaminação.

Poeira e sujeira entrarão no seu ventilador e no dissipador de calor. Com o tempo, isso aumenta e prejudica gravemente o desempenho da unidade. Portanto, é prudente projetar sua ventoinha e o dissipador de calor para que sejam o mais nivelados possível.

É aqui que um ventilador normalmente vence. Com fluxo de ar controlado e se o ar que entra pode ser mantido limpo, ele tende a soprar a poeira do dissipador de calor. O que me leva ao próximo ponto.

Remoção e Remoção de Ar

Você pode gastar milhares de dólares desenvolvendo o arranjo perfeito de ventilador e dissipador de calor, e tudo isso será inútil se você não lidar com o resto do ar em torno do seu sistema de refrigeração, especialmente em um local fechado.

O calor não só precisa ser removido do dispositivo para o ar, mas também o ar quente precisa ser removido da vizinhança. Caso contrário, apenas recirculará o ar quente e a falha térmica ainda ocorrerá no dispositivo que você está tentando proteger.

Como tal, seu gabinete precisa ser ventilado e você também deve incluir ventiladores para atrair o ar fresco de fora do gabinete. Esses ventiladores devem sempre incluir filtros removíveis de malha e / ou espuma para controlar a quantidade de poeira ambiente aspirada na unidade. Os painéis de exaustão do tipo grade aberta são aceitáveis, no entanto, para melhor operação, uma pressão positiva deve ser mantida dentro do gabinete, para que o fluxo de ar seja mantido na direção externa para limitar novamente a entrada de contaminação.

Casos especiais

Onde quer que a unidade seja instalada em um ambiente extremo, é necessário tomar medidas especiais. Ambientes com muita poeira, como moinhos de piso, etc., ou ambientes com alta temperatura ambiente, exigirão ar canalizado direto para o chassi ou uma unidade selada e um sistema de refrigeração de dois estágios, possivelmente líquido.

Casos críticos

Se o seu sistema estiver controlando algo crítico, é prudente incluir sensor térmico e possivelmente controle ativo do ventilador como parte do sistema do dissipador de calor. Esses sistemas devem incluir o recurso de entrar em um estado seguro e alertar o usuário para limpar os filtros ou reduzir o calor ambiente ao redor do sistema, quando necessário, para evitar falhas críticas.

Mais um ponto

Você pode gastar meio ano desenvolvendo dinheiro obtendo o melhor projeto de dissipador de calor do mundo, com ventiladores caros e um sistema de distribuição de ar perfeito, tudo bloqueado e queimando dispositivos pela falta de 2 centavos de composto térmico.

Obter o calor do dispositivo que você está tentando proteger no dissipador de calor pode ser o ponto mais fraco do sistema. Os componentes não montados adequadamente no dissipador de calor com um material de ligação térmica adequado matam mais unidades do que o restante dos problemas combinados.

Seu processo e procedimentos de fabricação devem ser desenvolvidos para dar prioridade a esses aspectos.

Por exemplo, se você estiver usando três ou quatro transistores do tipo TO220 montados em um único dissipador de calor, é prudente montá-los mecanicamente no dissipador de calor e, se apropriado, o dissipador de calor na placa, ANTES de passar o processo de solda. Isso garante que a conexão térmica tenha prioridade.

Pastas termicamente condutivas, cremes, géis e ou almofadas térmicas isoladas eletricamente sempre devem ser incluídas entre o dispositivo e o dissipador de calor para preencher as lacunas de ar causadas pela não planicidade ou solavancos no dispositivo ou na superfície do dissipador de calor.

E mantenha-o limpo. A contaminação do tamanho ou um grão de sal, ou mesmo um fio de cabelo, pode causar falha térmica.

O padrão de pressão será diferente.

Ao soprar, a pressão na superfície do dissipador de calor (paralela às lâminas) será maior, o que significa maior condutividade térmica na superfície.

Quando sugado pelas aletas, a pressão na superfície das aletas ortogonal ao fluxo de ar será maior.

Então eu acho que a direção correta do fluxo de ar depende das proporções de dimensão do dissipador de calor e pesá-las com padrão de dispersão térmica. Empiricamente, pode-se dizer que, quando sua amplitude é muito maior que sua profundidade, definitivamente o sopro é melhor.

Adição após o comentário de andresgongora ...

Pense na pressão do ar como tensão e velocidade do ar como corrente, os obstáculos ortogonais ao fluxo como resistência e a resultante convecção do calor como potência. Ou pense na pressão que a massa interage com o calor por unidade de tempo, que está sendo atualizada pela taxa de fluxo de ar.

Portanto, o padrão de pressão não fornece uma imagem exata do que está acontecendo lá, o padrão de convecção completo será complicado, mas fornece uma boa idéia sobre a melhor direção do fluxo de ar.

O calor é transferido por condução, radiação e convecção. Para resfriar um CI, todos os três modos são usados ​​- condução do molde para o dissipador de calor, radiação do dissipador de calor para o ambiente ao redor, convecção movendo o ar. As leis de Boyle e Charles nos dão , onde = pressão, = volume, é uma constante e é a temperatura absoluta. Agora, se quisermos acompanhar as mudanças de temperatura ao longo do tempo, podemos diferenciar essa equação. Isto dá:P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

Se você deseja mover o ar através de um volume fixo, , por exemplo, uma caixa de computador ou sua fonte de alimentação, então ; e, é claro, . Portanto, a equação simplifica para:d $V$d$\frac{dV}{dt} = 0$$\frac{dk}{dt} = 0$

Em outras palavras, se você aumentar a pressão ao longo do tempo, a temperatura aumentará e vice-versa. Para ajudar você a entender esse princípio, considere estes dois exemplos:

1. Quando você bombeia os pneus em sua bicicleta de tração usando uma bomba manual, a extremidade da bomba mais próxima da saída fica bastante quente. Esse efeito de aquecimento é alterado pelo termo P.dV / dt, que não é zero.

2. se você tiver uma sala cúbica em sua casa com janelas e portas nas quatro paredes verticais e tiver um vento quente vindo do norte, poderá esfriar a sala abrindo a janela / porta na parede norte, digitando 50 a 100 mm e abrir as janelas / portas nas outras paredes, digamos 200 a 500 mm. Isso diminuirá a pressão dentro da sala e a temperatura.

Agora, para a questão da turbulência.

A maior quantidade de transferência de calor do dissipador de calor (ou de outros componentes quentes) ocorre sob o fluxo de fluido laminar. Quando o fluxo de ar aumenta, você pode finalmente chegar a um ponto em que o fluxo de ar se torna turbulento. Os efeitos da turbulência são:

• a área efetiva do ventilador diminui - pergunte a qualquer piloto do plano de propulsão sobre o efeito na propulsão ao aumentar a velocidade da propulsão além da linha vermelha da RPM
• aumento de ruído = energia perdida
• vórtices se formam, depositando detritos transportados pelo ar nas áreas de menor velocidade
• a eficiência do ventilador cai e sua temperatura pode aumentar
• ocorre cavitação, dando origem a áreas com fluxo de ar zero e, portanto,
  aumento excessivo da temperatura.

Então, a turbulência definitivamente NÃO é sua amiga .

Você pode tentar reduzir a velocidade do ventilador para reduzir a turbulência; se o ventilador foi bem projetado, os ângulos das pás do ventilador serão curvas contínuas para levar em conta o aumento da velocidade do ar à medida que o ar passa sobre as pás. Portanto, desacelerar o ventilador significa que a curvatura das pás não é mais correta para o fluxo laminar. Esse efeito é superado em aeronaves e grandes hélices de navios, variando o 'tom' das pás, incluindo o tom de reversão. Isso geralmente não é possível com o tamanho dos ventiladores usados ​​em equipamentos elétricos.

Envoltório de fãs

Se houver um caminho de ar contínuo e desimpedido, do lado inferior (alta pressão ou saída) para o lado superior (baixa pressão ou entrada), o ar com pressão mais alta simplesmente percorre o caminho mais curto de volta à entrada e o fluxo a jusante é reduzido. Você vê isso o tempo todo - hélices de aeronaves, hélices marítimas (veja o mais recente projeto de propulsão dos navios de guerra espanhóis fornecidos à Austrália), ventiladores domésticos baratos. Para superar essa perda e, assim, aumentar a eficácia do ventilador, os melhores designs possuem coberturas ajustadas ao redor das pontas das pás do ventilador. O doutorado de Frank Whittle incluiu o uso de ventiladores encobertos em seu motor a jato - muito mais eficiente do que as hélices abertas e bom para o rápido aumento da temperatura para aumentar a velocidade dos gases de escape.

Usando uma mão para detectar o resfriamento

O resfriamento que você sente quando jusante de um ventilador é principalmente o efeito da vaporização da água fluida residente em sua pele - a perda de 540 cal / grama por vaporização certamente 'sentirá' frio. Mas o efeito nos componentes eletrônicos / elétricos que não têm água na pele é zero. Portanto, usar a mão para detectar queda de temperatura é o modelo errado.

EM SUMA:

Sugar é melhor do que soprar para abaixar a temperatura. O fluxo laminar é o meio mais eficiente de convocar e conduzir o calor. A cobertura das pás do ventilador aumenta a eficácia e a eficiência do ventilador.

Eu acho que é dependente do design. Os principais fatores são:

• para fornecer ar mais frio e escoar ar mais quente na direção pretendida. Se você sugar o dissipador de calor, a entrada de ar do dissipador de calor pode estar localizada perto de outros elementos de aquecimento e, portanto, a fonte de ar pode não ter a baixa temperatura necessária ou a temperatura da entrada pode mudar com a operação, alterando negativamente a eficiência do sistema de refrigeração;
• poeira entrando em pequenos orifícios do dissipador de calor. Se você soprar, como muitos comentadores disseram, você tem um único ponto de entrada de ar e pode ser coberto com filtro, ou o ar pode simplesmente ser originado de uma localização mais limpa por design. Se você aspirar, a fonte de ar provavelmente está localizada muito perto da superfície da PCB e de outros componentes, sugando a distância acumulada.
• Há outra maneira de projetar um sistema de refrigeração. Se você abrir um notebook contemporâneo ou um PC de ponta, poderá achar que ele tem água ou outro resfriamento líquido, e talvez o ventilador não precise estar localizado próximo ao chip; Ele pode ser colocado em qualquer local que o designer considerar conveniente e limpo.

Por isso, voto pela entrada, mas, novamente, tudo depende do design do dispositivo.

Trabalho para uma empresa de tecnologia de redes ópticas (Telecom) e sempre lida com refrigeração e EMC. Excelentes comentários para uma decisão básica de projeto para uma questão de equipamento com base em cartão / prateleira - colocar os ventiladores no lado de entrada ou saída do filtro de ar.

Foi-me dito por alguns fornecedores de módulos eletrônicos que usamos que puxar o ar perde 10-15% de eficiência de resfriamento. Duas outras observações que tenho são:
1) (grandes) fãs no INTAKE, infelizmente PREHEAT o ar pela fricção e dissipação de calor do motor do ventilador
2) na tentativa de adicionar dutos / defletores em nossa placa de circuito para focar o fluxo de ar FALHA miseravelmente se você estiver puxando ar através do PCBA.

Ele simplesmente bloqueia o movimento do ar, como recursos muito finos - o ar apenas gira em torno do dissipador de calor! Eu acredito que a diferença básica é PULLING air causa movimento apenas pela diferença de pressão (menos turbulência). PUSHING air usa turbulência ativa e diferença de pressão.

Quando a pergunta é encurtada para um dissipador de calor [comum] e um ventilador [do tipo lâmina axial comum], ela merece uma resposta mais curta. E a resposta é, como sempre e, infelizmente, "depende".

(1) Quando um ventilador é conectado no topo de um dissipador de calor na direção "sucção", o ar entra nas aletas (ou pinos) em material laminar (pelo menos em relação a escalas de vórtices maiores que a distância entre aleta / pino). Como tal, a camada limite em torno das superfícies de transferência de calor é espessa e a transferência de calor é bastante fraca. Além disso, na construção de pia de um lado com um ventilador típico, haverá uma "zona morta" no centro com fluxo de ar insuficiente, exatamente no local onde o calor é gerado sob a pia.

(2) Quando um ventilador sopra nas pás do dissipador de calor, o fluxo de ar de saída é turbulento e a camada limite térmica em torno das superfícies de metal é fina, de modo que o fluxo de ar penetra mais profundamente na estrutura da aleta e próximo às superfícies de metal, proporcionando boa transferência de calor. E a velocidade do ar [turbulenta] mais alta é em torno do centro da pia, onde o "estresse" térmico é mais alto.

Portanto, parece que o caso (2) tem clara vantagem sobre o caso (1). Infelizmente, há mais um fator, que é o desempenho do ventilador sob diferentes condições do ambiente. Diferentemente dos sopradores que estão criando uma pressão mais alta em relação ao espaço ambiente (e usados ​​nos projetos de tubos de calor nos laptops), os ventiladores axiais fornecem melhor desempenho do fluxo de ar ao aspirar o ar de um espaço mais apertado para o ambiente, portanto, o caso (1) tem alguma preferência aqui .

Por outro lado, quando um ventilador axial enfrenta alta impedância aerodinâmica como quando sopra, ele pode "causar um curto-circuito" e fornecer apenas pouco ou nenhum fluxo de ar. Portanto, o uso do ventilador axial tem alguma vantagem no caso térmico fraco (1), enquanto o desempenho do mesmo ventilador é reduzido ao executá-lo em uma área pressurizada (mas com maior eficiência térmica).

Portanto, o gabinete (1) possui baixa transferência de calor, mas melhor desempenho do ventilador, e o gabinete (2) possui melhor transferência de calor, mas menor desempenho do ventilador. O resultado líquido é "depende", que inclui vários fatores como espessura e espaçamento da aleta. E isso depende da construção do ventilador. Existem três tipos de ventiladores axiais, axial a tubo, axial a palheta e hélices, que podem ter pás otimizadas para desempenho em uma ou outra direção. Os ventiladores axiais em tubo também têm bom desempenho em pressurização e são usados ​​em servidores blade. Portanto, os resultados podem variar.

Obviamente, o melhor resultado pode ser alcançado com um design de ventilador duplo, como este, em que um ventilador sopra e outro aspira o ar.

Se a ventoinha e o dissipador de calor estiverem dentro de um duto de ar, você obterá o mesmo fluxo de ar em ambos os lados, portanto a posição do dissipador de calor não deve importar muito. Para uma configuração de "ventilador em cima de um dissipador de calor", o lado do sopro definitivamente fornece um melhor resfriamento.

Sugar ou soprar não é a resposta simples - resume-se (sem trocadilhos) à temperatura do ar que flui através do dissipador de calor, à velocidade do fluxo e à contaminação que pode se acumular. Portanto, a resposta simples é o ar mais fresco, o melhor fluxo de ar e o menos contaminado - apenas realmente responsável pela investigação e pela experiência.

Na maioria dos casos, o ventilador no modo de sucção é muito melhor que o modo de sopro.

Se o ventilador for colocado no modo de sopro, a força do vento seria bloqueada e espalhada pelo dissipador de calor, portanto o calor seria dissipado em torno do dissipador de calor e, como resultado, a mesma fonte de fluxo de ar seria sugada de volta pelo ventilador e o calor seria reciclado.

No modo de sucção, o calor seria expelido em uma linha mais concentrada, portanto, muito menos calor seria reciclado.

Uma exceção seria que o ventilador é forte o suficiente para afastar o calor o suficiente do dissipador de calor, para que o fluxo de ar não fosse reciclado. Então o golpe pode realmente ser melhor, pois é mais concentrado, portanto, o ar flui mais rápido (a mesma quantidade de fluxo de ar, mas mais rápido) e, por isso, o próprio vento se torna mais frio =)