Solución:
Este es un tema tan amplio que realmente no se puede responder con una simple, es mejor que la otra respuesta.
De pie 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 entrada, donde el aire se extrae casi por igual desde todas las direcciones. Puede probar esto fácilmente con casi cualquier fan. Ponga su mano frente al lado de soplado y sentirá el flujo de aire y el efecto de enfriamiento. Pon tu mano atrás 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 rotatorio colocado encima de un disipador de calor con aletas lineales típico en realidad será bastante ineficiente. De hecho, la región directamente debajo del centro del ventilador prácticamente no tendrá ningún movimiento de aire. Esto, por supuesto, es lamentable, ya que normalmente es allí 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 puede en realidad “detener” el ventilador. En esas circunstancias, instalar el ventilador en la dirección de “succión” puede mejorar la situación. ya que el aire entrará a los lados del disipador de calor de manera más lineal para llenar el vacío en la presión de aire creado 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 utilizan disipadores de calor radiales como el que se muestra a continuación. Como puede 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 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 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 mejor diseño tendría esa área llena de metal en una estructura cónica redondeada. Sin embargo, eso, por supuesto, sería imposible de extruir.
De hecho, los materiales y las preparaciones de la superficie también marcan una gran diferencia en el diseño del disipador de calor. Los materiales altamente conductores térmicos son obviamente los mejores, pero la superficie también debe ser lo suficientemente lisa como para no permitir que se formen bolsas de aire o agarrar partículas de polvo, pero tampoco tan suave como para que el aire pase demasiado fácilmente sobre ella.
Por supuesto, uno podría pasar años perfeccionando esa pequeña fórmula, pero en general no desea un disipador de calor de cromo de alto brillo. El aluminio pulido con chorro de arena o el cobre pulido con chorro de arena recubierto de oro, si se lo puede permitir, funcionarían mucho mejor.
Otro problema grave es la contaminación.
El polvo y la suciedad entrarán en su ventilador y en su disipador de calor. Con el tiempo, esto se acumula y degrada gravemente el rendimiento de la unidad. Por lo tanto, es prudente diseñar su disposición de ventilador y disipador de calor para que sea lo más autolavable posible.
Aquí es donde generalmente gana un ventilador. Con un flujo de aire controlado y si el aire que entra se puede mantener limpio, tiende a expulsar el polvo del disipador de calor. Lo que me lleva al siguiente punto.
Abastecimiento y eliminación de aire
Puede gastar miles de dólares en desarrollar 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 hermético.
El calor no solo debe eliminarse de su dispositivo para ventilar, sino que el aire caliente debe eliminarse de los alrededores. Si no lo hace, simplemente recirculará el aire caliente y aún se producirá una falla térmica en el dispositivo que está tratando de proteger.
Como tal, su gabinete necesita ser ventilado y también debe incluir ventiladores de gabinete para aspirar aire frío desde el exterior del gabinete. Estos ventiladores siempre deben incluir una malla removible o filtros de espuma para controlar la cantidad de polvo ambiental aspirado por la unidad. Los paneles de escape de tipo parrilla abierta son aceptables, sin embargo, para un mejor funcionamiento, se debe mantener una presión positiva dentro del gabinete para que el flujo de aire se mantenga en la dirección de salida para limitar nuevamente la entrada de contaminación.
Casos especiales
Siempre que se vaya a instalar la unidad en un entorno extremo, se deben tomar medidas especiales. Los entornos con mucho polvo, como molinos de piso, etc., o entornos con alta temperatura ambiente, requerirán aire canalizado directamente 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 de dinero en desarrollo para obtener el mejor diseño de disipador de calor del mundo con ventiladores caros y un sistema de distribución de aire perfecto, todo bloqueado y luego quemar 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 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 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 en la placa, ANTES DE pasando por el proceso de soldadura. Esto asegura que la conexión térmica tenga prioridad.
Siempre se deben incluir pastas, cremas, geles térmicamente conductores o almohadillas térmicas aisladas eléctricamente entre el dispositivo y el disipador de calor para llenar cualquier espacio de aire causado por la falta de planitud o golpes en el dispositivo o en la superficie del disipador de calor.
Y mantenlo limpio. Un contaminar el tamaño o un grano de sal, o incluso un cabello suelto, puede provocar fallas térmicas.
El patrón de presión será diferente.
Al soplar, la presión en la superficie del disipador de calor (paralela a las palas) será mayor, lo que significa una mayor conductividad térmica en la superficie.
Cuando se succiona a través de las aletas, la presión sobre la superficie de las aletas ortogonal al flujo de aire será mayor.
Entonces, creo que la dirección correcta del flujo de aire depende de las relaciones de dimensión del disipador de calor y ponderarlas con el patrón de dispersión térmica. Empíricamente se podría decir que cuando su amplitud es mucho mayor que su profundidad, definitivamente el soplo es mejor.
Adición después del comentario de andresgongora …
Piense 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 que la presión de la masa interactúa con el calor por unidad de tiempo, que se actualiza 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 completo 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 circuito integrado, se utilizan los tres modos: conducción desde la matriz al disipador de calor, radiación desde el disipador de calor al entorno circundante, convección al mover el 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 bien, si queremos rastrear el cambio de temperatura a lo largo del tiempo, podemos diferenciar esta ecuación. Esto da:
$$ V frac {dP} {dt} + P frac {dV} {dt} = k frac {dT} {dt} + T frac {dk} {dt} $$
Si desea mover aire a través de un volumen fijo, $ V $, por ejemplo, una caja de computadora o su fuente de alimentación, entonces $ frac {dV} {dt} = 0 $; y, por supuesto, $ frac {dk} {dt} = 0 $. Entonces, la ecuación se simplifica a:
$$ V frac {dP} {dt} = k frac {dT} {dt} $$
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:
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cuando bombea los neumáticos de su bicicleta de empuje 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.
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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, digamos 50 a 100 mm, y abriendo las ventanas / puertas en las otras paredes, digamos de 200 a 500 mm. Esto reducirá la presión dentro de la habitación y bajará la temperatura.
Ahora al tema de las turbulencias.
La mayor cantidad de transferencia de calor del disipador de calor (u otros componentes calientes) ocurre bajo flujo de fluido laminar. Cuando aumenta el flujo de aire, eventualmente 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 al aumentar la velocidad de hélice más allá de la línea roja de RPM
- aumenta el ruido = energía perdida
- Se forman vórtices que depositan desechos transportados por el aire en las áreas de menor velocidad.
- la eficiencia del ventilador disminuye y su temperatura puede aumentar
- la cavitación se produce dando lugar a áreas de flujo de aire cero, y por lo tanto
aumento desenfrenado de la temperatura.
Entonces, la turbulencia es definitivamente NO tu amigo.
Puede 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 a medida que el aire pasa sobre las aspas. Entonces, reducir la velocidad del ventilador significa que la curvatura de las aspas 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, incluido el paso inverso. Por lo general, esto no es posible con el tamaño de los ventiladores de refrigeración que se utilizan en los equipos eléctricos.
Envoltura de ventiladores
Si hay una ruta de aire continua y sin obstáculos desde la parte inferior (alta presión o salida) hacia la parte superior (baja presión o entrada), el aire a mayor presión simplemente viaja por la ruta más corta de regreso a la entrada y el flujo de aguas abajo se reduce. Esto se ve todo el tiempo: hélices de aviones, hélices marinas (ver el último diseño de propulsión de los buques de guerra españoles suministrados a Australia), ventiladores de refrigeración baratos para el hogar. Para superar esta pérdida y, por lo tanto, aumentar la eficacia 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 las hélices abiertas y bueno para un rápido aumento de 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 líquida residente 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 la piel es nulo. Entonces, usar la mano para detectar la caída de temperatura es el modelo incorrecto.
EN RESUMEN:
Chupar es mejor que soplar para bajar la temperatura. El flujo laminar es el medio más eficaz de convección y conducción de calor. La protección de las aspas del ventilador aumenta la eficacia y la eficiencia del ventilador.