Ventilatore e dissipatore di calore: succhiare o soffiare?

Questa domanda lo copriva per i recinti. Tuttavia, dal punto di vista della ventola collegata a un dissipatore di calore, importa se l'aria viene soffiata attraverso le alette o aspirata attraverso le alette. In altre parole, lo schema del flusso d'aria è abbastanza diverso da importare?

Questo è un argomento così ampio che non è proprio quello a cui puoi rispondere con un semplice è meglio dell'altra risposta.

Stando da solo, il lato soffio di un ventilatore produce un "fiume" d'aria più concentrato, più rapido e più turbolento rispetto al lato di aspirazione in cui l'aria viene aspirata quasi allo stesso modo da tutte le direzioni. Puoi provarlo abbastanza facilmente con praticamente tutti i fan. Metti la mano davanti al lato del colpo e sentirai il flusso d'aria e l'effetto di raffreddamento. Metti la mano dietro e l'effetto è molto più difficile da rilevare.

La turbolenza migliora anche notevolmente l'efficienza del trasferimento di calore. La turbolenza è in effetti tua amica.

Quindi, solo da quei punti di vista, il lato soffio sembra il lato migliore di raffreddamento.

Tuttavia, non si tratta solo del fan.

La geometria del dissipatore di calore scelto influisce notevolmente anche sulle prestazioni della ventola. Una ventola rotante schiacciata sul tipico dissipatore di calore alettato lineare sarà in realtà abbastanza inefficiente. In effetti la regione direttamente sotto il centro del ventilatore non avrà praticamente alcun movimento d'aria. Questo ovviamente è sfortunato, dal momento che normalmente si trova la cosa che stai cercando di rinfrescare.

Inoltre, a meno che le pinne non siano abbastanza profonde, il flusso d'aria è mal distribuito in generale. Troppo superficiale e la risultante contropressione può effettivamente "bloccare" la ventola. In tali circostanze, l'installazione della ventola nella direzione di " aspirazione " può effettivamente migliorare la situazione poiché l'aria entrerà più uniformemente ai lati del dissipatore di calore per riempire il vuoto nella pressione dell'aria creata dalla ventola.

Probabilmente, il dissipatore di calore mostrato sopra potrebbe essere più efficiente con alette più lunghe e la ventola montata su un'estremità.

I progetti migliori utilizzano dissipatori di calore radiali come quello qui sotto. Come puoi vedere, lo stile qui è radicalmente simmetrico al flusso d'aria sull'intera circonferenza della ventola e di conseguenza offre un trasferimento di calore più uniforme attorno al nucleo centrale.

Tuttavia, anche con questo stile, il nucleo stesso è ancora mal ventilato. Come tale, viene solitamente prodotto come un nucleo solido ad alta conduttanza termica che funge da condotto termico. Anche allora, guardando l'immagine qui sotto, l'area intorno al nucleo nella sezione quadrata che tocca il chip è in realtà un vuoto d'aria che è abbastanza inefficiente. Un design migliore avrebbe quell'area riempita di metallo in una struttura conica arrotondata. Tuttavia, sarebbe ovviamente impossibile estrudere.

Se i materiali di fatto e le preparazioni superficiali fanno anche una grande differenza nella progettazione del dissipatore di calore. I materiali altamente termicamente conduttivi sono ovviamente i migliori, ma la superficie dovrebbe anche essere abbastanza liscia da non consentire la formazione di sacche d'aria o la presa di particelle di polvere, ma anche non così liscia da far passare aria troppo facilmente su di essa.

Ovviamente si potrebbe passare anni a ottenere quella piccola formula perfetta, ma in generale non si desidera un dissipatore di calore cromato lucido. L'alluminio sabbiato o il rame sabbiato rivestito in oro, se potete permettervelo, funzionerebbe molto meglio.

Un altro problema serio è la contaminazione.

Polvere e sporco entreranno nella tua ventola e nel tuo dissipatore di calore. Nel tempo questo si accumula e degrada gravemente le prestazioni dell'unità. È quindi prudente progettare la disposizione del ventilatore e del dissipatore di calore in modo che sia il più possibile autosvuotante.

Qui di solito vince un ventilatore. Con flusso d'aria controllato e se l'aria che entra può essere mantenuta pulita, tende a soffiare via la polvere dal dissipatore di calore. Il che mi porta al punto successivo.

Sourcing e rimozione dell'aria

Puoi spendere migliaia di dollari per sviluppare la disposizione perfetta di ventola e dissipatore di calore e tutto sarà inutile se non gestisci il resto dell'aria attorno al tuo sistema di raffreddamento, specialmente in un ambiente chiuso.

Il calore non deve solo essere rimosso dal dispositivo all'aria, ma poi l'aria calda deve essere rimossa dalle vicinanze. In caso contrario, si farà semplicemente ricircolare l'aria calda e si verificheranno comunque guasti termici sul dispositivo che si sta tentando di proteggere.

Pertanto, il tuo armadio deve essere ventilato e dovresti includere anche i ventilatori per aspirare aria fresca dall'esterno della custodia. Questi ventilatori dovrebbero sempre includere filtri rimovibili a rete e / o schiuma per controllare la quantità di polvere ambientale aspirata nell'unità. I pannelli di scarico a griglia aperta sono accettabili, tuttavia, per un funzionamento ottimale, è necessario mantenere una pressione positiva all'interno dell'armadio in modo che il flusso d'aria sia mantenuto nella direzione di uscita per limitare nuovamente l'ingresso di contaminazione.

Casi speciali

Ovunque l'unità debba essere installata in un ambiente estremo, è necessario adottare misure speciali. Ambienti con elevata polvere come mulini a pavimento, ecc. O ambienti a temperatura ambiente elevata richiedono aria canalizzata direttamente sul telaio o un'unità sigillata e un sistema di raffreddamento a due stadi, possibilmente liquido.

Casi critici

Se il tuo sistema sta controllando qualcosa di critico, è prudente includere il rilevamento termico e il controllo della ventola eventualmente attivo come parte del tuo sistema di dissipazione del calore. Tali sistemi dovrebbero includere la funzionalità di andare in uno stato sicuro e avvisare l'utente di pulire i filtri o altrimenti ridurre il calore ambientale attorno al sistema quando necessario per prevenire guasti critici.

Un altro punto

Puoi spendere mezzo anno in denaro per lo sviluppo ottenendo il miglior design del dissipatore di calore al mondo con ventole costose e un perfetto sistema di distribuzione dell'aria tutto bloccato e quindi bruciare i dispositivi per la mancanza di 2 centesimi di composto termico.

Ottenere il calore dal dispositivo che si sta tentando di proteggere nel dissipatore di calore può spesso essere il punto più debole del sistema. I componenti non montati correttamente sul dissipatore di calore con un adeguato materiale termosaldante uccidono più unità rispetto al resto dei problemi combinati.

Il processo e le procedure di produzione dovrebbero essere sviluppati per dare priorità a tali aspetti.

Ad esempio, se si dice che si utilizzano tre o quattro transistor stile TO220 montati su un singolo dissipatore di calore, è prudente montarli meccanicamente su quel dissipatore di calore e, se del caso, il dissipatore di calore sulla scheda, PRIMA di passare il processo di saldatura. Ciò garantisce che la connessione termica abbia la priorità.

Paste termicamente conduttive, creme, gel e o tamponi termici isolati elettricamente devono sempre essere inclusi tra il dispositivo e il dissipatore di calore per riempire eventuali vuoti d'aria causati dalla non planarità o urti sul dispositivo o sulla superficie del dissipatore di calore.

E tienilo pulito. Un contaminante delle dimensioni o un granello di sale, o anche un capello randagio, può causare un guasto termico.

Il modello di pressione sarà diverso.

Durante il soffiaggio, la pressione sulla superficie del dissipatore di calore (parallela alle pale) sarà maggiore, il che significa una maggiore conduttività termica sulla superficie.

Quando viene aspirato attraverso le alette, la pressione sulla superficie delle alette ortogonale al flusso d'aria sarà maggiore.

Quindi penso che la corretta direzione del flusso d'aria dipenda dai rapporti dimensionali del dissipatore di calore e dalla loro ponderazione con il modello di diffusione termica. Empiricamente si potrebbe dire che quando la sua ampiezza è molto più grande della sua profondità, sicuramente soffiare è meglio.

Aggiunta dopo il commento di andresgongora ...

Pensa alla pressione dell'aria come alla tensione e alla velocità dell'aria come alla corrente, gli ostacoli ortogonali al flusso come resistenza, alla conseguente convezione del calore come potenza. Oppure pensa alla pressione che la massa interagisce con il calore per unità di tempo, che viene rinfrescata dalla portata del flusso d'aria.

Quindi il modello di pressione non fornirà un'immagine esatta di ciò che sta accadendo lì, il modello di convezione completo sarà complicato ma darà una buona idea della migliore direzione del flusso d'aria.

Il calore viene trasferito per conduzione, radiazione e convezione. Per raffreddare un circuito integrato, vengono utilizzate tutte e tre le modalità: conduzione dallo stampo al dissipatore di calore, radiazione dal dissipatore di calore all'ambiente circostante, convezione spostando l'aria. Le leggi di Boyle e Charles ci danno , dove = pressione, = volume, è una costante e è la temperatura assoluta. Ora, se vogliamo monitorare le variazioni di temperatura nel tempo, possiamo differenziare questa equazione. Questo da:P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

Se si desidera spostare l'aria attraverso un volume fisso, , ad esempio un case di computer o il suo alimentatore, allora ; e ovviamente . Quindi, l'equazione semplifica a:d $V$d$\frac{dV}{dt} = 0$$\frac{dk}{dt} = 0$

In altre parole, se si aumenta la pressione nel tempo, la temperatura aumenterà e viceversa. Per aiutarti a comprendere questo principio, considera questi due esempi:

1. quando si gonfiano le gomme sulla push-bike utilizzando una pompa manuale, l'estremità della pompa più vicina all'uscita diventa piuttosto calda. Questo effetto di riscaldamento è alterato dal termine P.dV / dt, che non è zero.

2. se hai una stanza cubica nella tua casa con finestre e porte su tutte e quattro le pareti verticali e hai un vento caldo proveniente da nord, puoi raffreddare la stanza aprendo la finestra / porta sulla parete nord diciamo da 50 a 100 mm, e aprendo le finestre / porte sulle altre pareti da 200 a 500 mm. Questo abbasserà la pressione all'interno della stanza e abbasserà la temperatura.

Ora per la questione della turbolenza.

La massima quantità di trasferimento di calore dal dissipatore di calore (o altri componenti caldi) si verifica sotto il flusso del fluido laminare. Quando il flusso d'aria aumenta, potresti eventualmente raggiungere un punto in cui il flusso d'aria diventa turbolento. Gli effetti della turbolenza sono:

• l'area effettiva della ventola diminuisce - chiedi a qualsiasi pilota del piano prop sull'effetto sulla propulsione quando aumenta la velocità dell'elica oltre la linea rossa RPM
• il rumore aumenta = energia persa
• si formano vortici che depositano detriti trasportati dall'aria nelle aree a bassa velocità
• l'efficienza della ventola diminuisce e la sua temperatura può aumentare
• la cavitazione si verifica dando origine ad aree a flusso d'aria zero, e quindi un
  aumento della temperatura dilagante.

Quindi, la turbolenza NON è sicuramente tua amica .

Puoi provare a ridurre la velocità della ventola per ridurre la turbolenza; se la ventola era ben progettata, gli angoli delle pale della ventola saranno curve continue per tenere conto dell'aumento della velocità dell'aria mentre l'aria passa sopra le pale. Quindi, rallentare la ventola significa che la curvatura delle pale non è più corretta per il flusso laminare. Questo effetto viene superato su velivoli e eliche di navi di grandi dimensioni variando il "passo" delle pale, compreso il passo di retromarcia. Questo di solito non è possibile con le dimensioni delle ventole di raffreddamento utilizzate nelle apparecchiature elettriche.

Sindone dei fan

Se è presente un percorso dell'aria continuo e senza ostacoli dal lato inferiore (alta pressione o uscita) al lato superiore (bassa pressione o aspirazione), l'aria a pressione più elevata si sposta semplicemente sul percorso più corto fino all'ingresso e il flusso a valle è ridotto. Lo vedi sempre - eliche di aerei, eliche marine (vedi l'ultimo progetto di propulsione delle navi da guerra spagnole fornite in Australia), ventole di raffreddamento a casa economiche. Per ovviare a questa perdita e quindi aumentare l'efficacia della ventola, i progetti migliori hanno protezioni aderenti attorno alle punte delle pale della ventola. Il dottorato di ricerca di Frank Whittle includeva l'uso di ventole protette nel suo motore a reazione: molto più efficiente delle eliche aperte e ottimo per un rapido aumento della temperatura per aumentare la velocità dei gas di scarico.

Usando una mano per rilevare il raffreddamento

Il raffreddamento che senti quando a valle di una ventola è principalmente l'effetto della vaporizzazione dell'acqua fluida residente sulla tua pelle - la perdita di 540 cal / gram attraverso la vaporizzazione sarà sicuramente "fresca". Ma l'effetto sui componenti elettronici / elettrici che non hanno acqua sulla pelle è zilch. Quindi, usare la mano per rilevare la caduta di temperatura è il modello sbagliato.

IN SINTESI:

Succhiare è meglio che soffiare per abbassare la temperatura. Il flusso laminare è il mezzo più efficiente per convogliare e condurre il calore lontano. La protezione delle pale della ventola aumenta l'efficacia e l'efficienza della ventola.

Penso che dipenda dal design. I principali fattori sono:

• per generare aria più fredda e far defluire aria più calda nella direzione prevista. Se si risucchia dal dissipatore di calore, l'afflusso di aria del dissipatore di calore potrebbe trovarsi vicino ad altri elementi di riscaldamento, e quindi l'aria di provenienza potrebbe non essere della bassa temperatura necessaria, oppure, la temperatura di afflusso potrebbe cambiare con il funzionamento, modificando negativamente l'efficienza del sistema di raffreddamento;
• polvere che penetra nei piccoli fori del dissipatore di calore. Se soffi, come hanno detto molti commentatori, hai un unico punto di ingresso dell'aria e potrebbe essere coperto con un filtro, o semplicemente l'aria potrebbe provenire da una posizione più pulita in base alla progettazione. Se si succhia, molto probabilmente la fonte di aria si trova molto vicino alla superficie del PCB e ad altri componenti, aspirando a distanza accumulata da essi.
• C'è un altro modo di progettare il sistema di raffreddamento. Se apri un notebook contemporaneo o un PC di fascia alta, potresti scoprire che ha acqua o altri liquidi di raffreddamento e potrebbe non essere necessario posizionare la ventola vicino al chip; può essere inserito in qualsiasi location che il progettista ritenga convenientemente utile e più pulito.

Quindi voto per l'afflusso, ma di nuovo tutto dipende dal design del dispositivo.

Lavoro per un'azienda di tecnologia di reti ottiche (Telecom) e mi occupo sempre di raffreddamento ed EMC. Commenti eccellenti per una decisione di progettazione di base per la domanda dell'apparecchiatura basata su scheda / scaffale: mettere i ventilatori sul lato aspirazione o scarico del filtro dell'aria.

Mi è stato detto da alcuni fornitori di moduli elettronici che abbiamo usato, che tirando l'aria perde l'efficienza di raffreddamento del 10-15%. Altre due osservazioni che ho sono
1) (grandi) I fan di INTAKE purtroppo PRERISCALDANO l'aria per attrito e dissipazione del calore del motore del ventilatore
2) nel tentativo di aggiungere condotti / deflettori nella nostra scheda del circuito per focalizzare miseramente i GUASTI del flusso d'aria se stai TIRANDO aria attraverso il PCBA.

Blocca semplicemente il movimento dell'aria, proprio come le caratteristiche troppo fini: l'aria arriva solo attorno al dissipatore di calore! Credo che la differenza di base sia che TIRARE l'aria provoca il movimento solo per differenza di pressione (meno turbolenza) bit L'ARIA DI SPINTA usa la turbolenza attiva e la differenza di pressione.

Quando la domanda viene ridotta a un dissipatore di calore [comune] e una ventola [tipo assiale comune a lama], merita una risposta più breve. E la risposta è, come al solito e sfortunatamente, "dipende".

(1) Quando un ventilatore è attaccato sulla parte superiore di un dissipatore di calore in direzione di "aspirazione", l'aria entra nelle alette (o sui perni) nella materia laminare (almeno relativamente a una scala di vortice più grande della distanza tra pinna e perno). Pertanto, lo strato limite attorno alle superfici di trasferimento del calore è spesso e il trasferimento del calore è piuttosto scarso. Inoltre, nella costruzione di un lavello unilaterale con un tipico ventilatore, ci sarà una "zona morta" al centro con un flusso d'aria scarso, esattamente nel punto in cui il calore viene generato sotto il lavandino.

(2) Quando una ventola soffia nelle pale del dissipatore di calore, il flusso d'aria in uscita è turbolento e lo strato limite termico attorno alle superfici metalliche è sottile, quindi il flusso d'aria penetra più in profondità nella struttura dell'aletta e vicino alle superfici metalliche, fornendo un buon trasferimento di calore. E la massima velocità [turbolenta] dell'aria è attorno al centro del lavandino, dove lo "stress" termico è più elevato.

Quindi, sembra che il caso (2) abbia un chiaro vantaggio rispetto al caso (1). Sfortunatamente, c'è un altro fattore, che è la prestazione della ventola in diverse condizioni ambientali. A differenza delle soffianti che stanno creando una pressione maggiore rispetto allo spazio ambientale (e utilizzato nei progetti di tubi di calore all'interno dei laptop), i ventilatori assiali offrono migliori prestazioni del flusso d'aria quando aspira l'aria da uno spazio più stretto nell'ambiente, quindi il case (1) ha una preferenza qui .

D'altra parte, quando un ventilatore assiale deve affrontare un'impedenza aerodinamica elevata come quando soffia, può "cortocircuitare" se stesso e fornire solo un flusso d'aria minimo o nullo. Pertanto, l'uso della ventola assiale presenta alcuni vantaggi nel caso termico debole (1), mentre le prestazioni della stessa ventola si riducono facendola scorrere in un'area pressurizzata (ma più efficiente dal punto di vista termico).

Quindi il case (1) ha uno scarso trasferimento di calore ma migliori prestazioni della ventola e case (2) ha un migliore trasferimento di calore ma scarse prestazioni della ventola. Il risultato netto è "dipende", che include diversi fattori come lo spessore e la spaziatura delle alette. E dipende dalla costruzione del ventilatore. Esistono tre tipi di ventilatori assiali, assiale a tubo, a ventola ed elica, che possono avere pale ottimizzate per le prestazioni in una o nell'altra direzione. Anche i ventilatori assiali a valvole hanno buone prestazioni di pressurizzazione e sono utilizzati nei server blade. Quindi i risultati possono variare.

Ovviamente, il miglior risultato può essere ottenuto con un design a doppia ventola, come questo, in cui una ventola soffia dentro e un'altra succhia l'aria.

Se la ventola e il dissipatore di calore sono racchiusi all'interno di un condotto dell'aria, si otterrà lo stesso flusso d'aria su entrambi i lati della ventola, quindi la posizione del dissipatore di calore non dovrebbe importare molto. Per una configurazione "ventola in cima a un dissipatore di calore", il lato soffio offre sicuramente un migliore raffreddamento.

Succhiare o soffiare non è la risposta semplice: si riduce alla (non è prevista la parola) la temperatura dell'aria che fluisce attraverso il dissipatore di calore, la velocità del flusso e la contaminazione che può accumularsi. Quindi la risposta semplice è l'aria più fresca, il flusso d'aria migliore e il meno contaminato - solo realmente rispondibile da indagini ed esperimenti.

Nella maggior parte dei casi la ventola in modalità succhia è molto meglio della modalità soffiaggio.

Se la ventola viene messa in modalità di soffiaggio, la forza del vento verrebbe bloccata e diffusa dal dissipatore di calore, pertanto il calore si dissiperebbe intorno al dissipatore di calore e di conseguenza la stessa fonte di flusso d'aria verrebbe risucchiata dalla ventola e il calore verrebbe riciclato.

In modalità di aspirazione, il calore verrebbe spazzato via in una linea più concentrata, quindi molto meno calore verrebbe riciclato.

Un'eccezione sarebbe che la ventola è abbastanza forte da soffiare il calore abbastanza lontano dal dissipatore di calore in modo che il flusso d'aria non venga riciclato. Quindi il soffio potrebbe effettivamente essere migliore perché è più concentrato, quindi i flussi d'aria più veloci (stessa quantità di flusso d'aria ma più veloce) e per questo il vento stesso diventerebbe più freddo =)