Bud Industries
Publicado el: 31 de agosto de 2012 por Blair Haas
A medida que los componentes electrónicos y de potencia se diseñan en paquetes más densos y pequeños, se vuelve cada vez más importante considerar qué tan bien disipa el calor el equipo. Dicho equipo tiene rangos de temperatura de funcionamiento específicos y cuando se coloca dentro de gabinetes y recintos, la temperatura puede convertirse en un gran problema. El exceso de calor residual generado por el equipo dentro de un gabinete es el factor más importante que afecta el rendimiento, la confiabilidad y la falla del equipo. El enfriamiento debe considerarse al principio del proceso de diseño. Tener una estrategia de enfriamiento efectiva puede ayudar a manejar adecuadamente la disipación de calor.
La transferencia de calor tiene lugar de tres formas: por radiación, por conducción y por convección natural o forzada. La transferencia de calor por radiación se produce a través de ondas electromagnéticas, siendo un ejemplo la energía del sol que llega a la tierra. El calor también se puede transferir por conducción entre objetos en contacto; por ejemplo, un chip de microprocesador enfriado mediante un disipador de calor, haciendo contacto directo con el chip.
La mayoría de los sistemas eliminan el calor a través de una combinación de métodos, aunque se puede enfatizar uno. Por ejemplo, un chip de procesador se puede enfriar usando un disipador de calor (conducción) que incluye un ventilador (convección forzada). La clave para mantener el equipo fresco es eliminar el calor del gabinete mientras se suministra aire fresco a los lugares que lo necesitan. Los fabricantes de gabinetes pueden brindar orientación a los usuarios para seleccionar los enfoques de enfriamiento adecuados.
Los métodos de refrigeración más utilizados para recintos, en orden creciente de coste, son la convección natural, la convección forzada (como ventiladores y sopladores) y el aire acondicionado.
El enfriamiento por convección natural es adecuado para la mayoría de las aplicaciones que generan calor moderado. Por lo general, las temperaturas del gabinete pueden exceder la temperatura ambiente, pero permanecer por debajo de los límites de temperatura de los componentes internos. La clave es asegurarse de que el interior del gabinete ofrezca una ruta de flujo de aire sin restricciones. El gabinete debe tener suficiente ventilación tanto en la parte superior como en la inferior para promover el flujo de aire y un efecto chimenea. La mejor manera de hacer circular el flujo de aire natural dentro de un gabinete es cuando se extrae de abajo hacia arriba a través de la parte superior del gabinete.
Las cubiertas superiores pueden ser fijas o removibles y ventiladas o no ventiladas. Si bien las cubiertas fijas son más económicas, bloquean el acceso desde la parte superior y dificultan el mecanizado de orificios de acceso a cables o de montaje de ventiladores. Las cubiertas ventiladas permiten la extracción natural del aire caliente y ayudan a mantener el estante fresco por dentro. Algunos fabricantes proporcionan tapas ventiladas con orificios preperforados para montar un extractor de aire si es necesario.
Un problema asociado con la entrada de aire en un recinto es la entrada de polvo y partículas no deseadas. Las persianas son una forma popular de entrada y salida de aire para el enfriamiento por convección porque brindan cierta protección contra la entrada de polvo mientras ocultan el contenido del gabinete.
Cuando la convección natural es inadecuada, se puede utilizar la convección forzada a través de ventiladores y sopladores. La principal diferencia entre ventiladores y sopladores está en sus características de flujo y presión. Los ventiladores proporcionan un flujo de aire paralelo al eje del aspa del ventilador y pueden generar altas tasas de flujo de aire. Sin embargo, son adecuados para contrapresiones de bajas a moderadas solo donde hay poca resistencia al flujo de aire por parte del equipo dentro del gabinete. Los sopladores normalmente entregan aire en una dirección perpendicular al eje del soplador. Son adecuados para un flujo de aire de moderado a alto contra una alta contrapresión. Una combinación de un soplador y un extractor de aire a veces funciona mejor en gabinetes densamente llenos.
Hay varios tipos de ventiladores, los más comunes son los estilos de hélice, tubo axial y paleta axial. Los ventiladores de hélice son los más simples y consisten únicamente en un motor y una hélice. Sin embargo, el bajo rendimiento bajo resistencia o contrapresión y el potencial de turbulencia de aire causada por los vórtices de punta los hace inadecuados para cajas electrónicas. El ventilador tubular axial es el tipo más común utilizado en los sistemas de refrigeración electrónicos. Es similar a un ventilador de hélice excepto por un tubo venturi colocado alrededor de la hélice para reducir los vórtices. El ventilador axial de paletas tiene paletas que se arrastran detrás de la hélice en el flujo de aire para enderezar el flujo arremolinado de aire acelerado.
Generalmente utilizados para extraer el aire caliente de un sistema, así como para concentrarse en puntos calientes específicos, los ventiladores axiales de tubos con rodamientos de bolas suelen ofrecer una larga vida útil. Los extractores se pueden montar dentro o fuera de la parte superior del gabinete. En algunas aplicaciones, los extractores también se montan en la parte delantera, trasera o lateral.
Cuando un gabinete está repleto de equipos, los extractores de aire por sí solos pueden no ser suficientes para eliminar el aire caliente debido a la alta resistencia al flujo de aire. Para tales condiciones, se utilizan sopladores para soplar aire ambiente frío dentro del gabinete.
Se puede usar un soplador en la parte inferior del gabinete para crear una alta presión interna dentro del gabinete. Luego, el aire caliente puede salir por la parte superior del gabinete a través de las rejillas de ventilación. La prioridad debe ser bombear aire dentro del gabinete, de modo que las pequeñas grietas alrededor de las puertas y las aberturas escapen el aire y eviten la entrada de polvo y pelusa a través de estas aberturas. A veces, agregar un extractor de aire en la parte superior puede mejorar el flujo de aire. La mayoría de los sopladores están equipados con un filtro en el lado de la entrada de aire para evitar que entren polvo y pelusas en el gabinete.
Al seleccionar ventiladores o sopladores, preste atención a las clasificaciones de ruido. Los sopladores suelen tener índices de ruido de 50 dB a 65 dB, mientras que los ventiladores tubulares axiales son típicos de 30 dB a 55 dB. Los diseñadores deben asegurarse de que los dispositivos, ya sean ventiladores o sopladores, proporcionen un flujo de aire adecuado (generalmente medido en pies cúbicos por minuto o cfm) en condiciones reales de contrapresión. La mayoría de los fabricantes de dispositivos proporcionan un gráfico de rendimiento que indica el flujo de aire para varios niveles de contrapresión. Los requisitos de contrapresión estática deben determinarse mediante mediciones empíricas; no se pueden calcular.
La colocación cuidadosa de ventiladores y sopladores en el gabinete mejora la eficiencia de enfriamiento. Monte los sopladores cerca de las entradas de aire frío, preferiblemente en la parte inferior de un gabinete, lejos de las principales fuentes de calor, como transformadores y fuentes de alimentación. Si es posible, los dispositivos calientes deben colocarse cerca del escape para que el calor pueda salir directamente al exterior. Además, evite las aberturas entre la entrada y la salida de aire, que alterarán la eficiencia del flujo de aire.
Los gabinetes llenos de equipos como soportes para tarjetas, servidores, cajones y estantes aún pueden tener puntos calientes que son difíciles de enfriar debido al flujo de aire restringido. Por lo tanto, además de un soplador y un extractor de aire, se utilizan bandejas de ventilador para dirigir el flujo de aire a estos puntos calientes. Una bandeja de ventilador es básicamente un chasis con un banco de pequeños ventiladores axiales de tubo conectados en cadena y conectados a una fuente de alimentación común. Este chasis se puede montar directamente debajo del equipo sensible o un punto caliente.
Para la mayoría de las aplicaciones de enfriamiento, una combinación de extracción de aire natural y ventiladores y/o sopladores hará el truco. Para aplicaciones críticas y térmicamente sensibles, y también para gabinetes sellados, los acondicionadores de aire o enfriadores de gabinete brindan la mayor capacidad para transferir calor. También brindan la capacidad de enfriar gabinetes a temperaturas más bajas que el aire ambiente. Un enfriador de gabinete típico tiene dos intercambiadores de calor. El ventilador interior atrae aire caliente sobre el intercambiador de calor dentro del gabinete y sopla el aire enfriado de regreso al gabinete. El calor absorbido se transfiere a un intercambiador de calor exterior donde es enfriado por el aire ambiente mediante otro ventilador. Un acondicionador de aire utiliza freón comprimido u otro refrigerante para el proceso de enfriamiento.
La mayoría de los gabinetes con aire acondicionado están sellados y solo circula aire interior dentro del gabinete. Esto evita que el aire húmedo entre en el gabinete y provoque condensación que podría dañar equipos sensibles. Sin embargo, si los gabinetes no están debidamente sellados y los componentes interiores se mantienen a una temperatura inferior a la temperatura ambiente, se necesitará sílice u otros medios de deshumidificación para evitar la condensación. Para dimensionar un acondicionador de aire para un recinto, utilice el software proporcionado por el fabricante.
La cantidad de flujo de aire que se debe proporcionar para lograr el rendimiento de enfriamiento deseado se expresa mediante las siguientes ecuaciones que relacionan el flujo de aire con ??:
Para ?T en grados F:
Flujo de aire (ft3/min) = BTU/h / (1.08 × ??F) = (3170 × kW) / ??F
Para ?T en grados C:
Flujo de aire (ft3/min) = BTU/h / (1.95 × ??C) = (1760 × kW) / ??c
Valores típicos para ?? son 10C y 18F. Agregue 25 por ciento para un margen de seguridad (12.5C y 23F). Tenga en cuenta que ?? representa el aumento de temperatura sobre la temperatura del aire ambiente. Si la temperatura ambiente es demasiado alta, puede resultar difícil o imposible mantener una temperatura de funcionamiento segura sin aire acondicionado.
