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Enfriamiento por aire forzado o como elegir el ventilador adecuado

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Enfriamiento por aire forzado o como elegir el ventilador adecuado Artículo técnico escrito por Mark Patrick, Technical Marketing Manager, para EMEA en el distribuidor internacional Mouser Electronics en el que habla sobre los diferentes sistemas de enfriamiento por aire forzado en equipos electrónicos.

Disipar el calor generado por determinados componentes (circuitos integrados y componentes discretos y pasivos) es una parte fundamental del diseño electrónico. Por ello, los ingenieros deben asegurarse de introducir un sistema eficaz de gestión térmica que garantice la fiabilidad operativa.

Para disipar el calor pueden usarse diferentes tecnologías basadas en los principios de conducción, convección o radiación. Si los ingenieros comprenden bien la ruta térmica que deben usar para eliminar de sus sistemas el calor no deseado, podrán elegir la tecnología óptima para conseguir los resultados que persiguen.

Aunque la conducción es la forma más sencilla de eliminar calor de un sistema, el hecho de que los componentes electrónicos en cuestión estén dentro de una caja (montados en bastidor, por ejemplo) repercutirá en la eficiencia de la eliminación de calor. Por lo tanto, en la inmensa mayoría de los sistemas en los que se usa una caja se recurre al enfriamiento por aire forzado (que requiere algún tipo de ventilador) para responder a la acumulación de calor. En el mercado existe una gran variedad de ventiladores, por lo que debe analizarse con atención la opción más adecuada para cada aplicación.

A la hora de implementar una solución de gestión térmica, se recomienda a los ingenieros crear un perfil térmico detallado de su sistema electrónico para saber con precisión dónde se genera calor y la cantidad que se acumula. Deben tenerse en cuenta todas las condiciones operativas posibles. La distribución de sensores de temperatura alrededor del circuito impreso y dentro de la caja permitirá conocer todos los datos necesarios. Con esta información, el ingeniero podrá estudiar la distribución y el grado de gestión térmica que necesita el sistema. Además de compilar información sobre el calor generado por los componentes electrónicos constitutivos, el perfil también puede ayudar a los ingenieros a entender el flujo de aire existente alrededor del sistema y dónde puede darse impedancia.

Conocer la impedancia del sistema (es decir, el descenso de presión del aire entre las entradas y las salidas de aire) es fundamental para calcular correctamente el flujo de aire total que deberá producir el ventilador. Para conocer la impedancia de un sistema, se puede medir el descenso de presión con sensores o, para obtener mejores resultados, se puede colocar todo el sistema en una cámara de aire. En sistemas grandes (como los modernos centros de datos de alta densidad), se usa una dinámica de fluidos computacional más sofisticada. Esta técnica permite determinar perfiles térmicos con más precisión.

Implementar un mecanismo de gestión térmica eficaz y, al mismo tiempo, respetar las limitaciones presupuestarias y de espacio puede convertirse en un complicado ejercicio de equilibrio. Para conseguirlo, es fundamental saber cuánto puede subir la temperatura interna del sistema sin que aumente el riesgo de avería. Evaluar el sistema e identificar el componente “más importante” en relación con su temperatura de funcionamiento permitirá obtener la temperatura ambiente máxima.

La disipación de potencia combinada aplicada a todos los componentes que lo necesiten (por ejemplo, los transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, las unidades de microprocesador, etc.) dará lugar a la potencia total disipada por todo el diseño. La potencia disipada (en W) equivale a la energía (J/s), que se manifiesta en forma de calor.

Calculando el enfriamiento por aire forzado

La ecuación 1 describe la relación entre el aumento de temperatura derivado del funcionamiento de los componentes electrónicos del sistema y el flujo de aire.

Ecuación 1: q = w × Cp × DT

donde

q: cantidad de calor absorbida por el aire (W)

w: flujo másico de aire (kg/s)

Cp: calor específico del aire (J/kg x K)

ΔT: aumento de temperatura del aire (°C)

Si se conocen la temperatura máxima admisible dentro de la caja y la cantidad de calor generada (a partir de la potencia o el calor acumulativos disipados por los componentes), podrá calcularse con exactitud la cantidad de flujo de aire necesaria, como se muestra en la ecuación 2.

Ecuación 2: Q = [q/(r × C× DT)] × 60

donde

Q: flujo de aire (m3/min)

q: cantidad de calor que debe disiparse (W)

r: densidad del aire (kg/m3)

Cp: calor específico del aire (J/kg x K)

ΔT: aumento de temperatura del aire (°C)

Si sustituimos Cp y r por constantes a 26 °C, obtendremos la ecuación general que se indica a continuación, que nos permite calcular el flujo de aire.

Ecuación 3: Q = 0,05 × q/DT

Figura 1: ejemplo de curva de rendimiento de un ventilador facilitada por el fabricante
Figura 1: ejemplo de curva de rendimiento de un ventilador facilitada por el fabricante

La cifra del flujo de aire correspondiente al sistema puede compararse con las especificaciones del ventilador para elegir un producto adecuado. Los fabricantes de ventiladores caracterizan sus unidades de ventilador con un gráfico de rendimiento en el que se compara el flujo de aire con la presión estática, como se muestra en la figura 1. El ventilador descrito en esta figura es de la gama CFM-120 de CUI. Estos ventiladores axiales con marco de 120 × 120 mm tienen dos rodamientos de bolas y admiten velocidades de 4600 rpm.

Por supuesto, debe reconocerse que la ecuación 3 ofrece una representación idealizada, en la que no se tienen presentes efectos como la contrapresión de la caja. En realidad, siempre se debe tener en cuenta cierta impedancia del sistema (como ya hemos visto). Para determinar los requisitos reales del ventilador, es importante calcular la impedancia del sistema. Esta puede incluirse en la curva de rendimiento del ventilador, y puede considerarse el lugar en el que se cruzan las líneas como punto de funcionamiento del ventilador, como se observa en la figura 2.

El flujo de aire de una caja puede medirse, como hemos dicho, con una cámara de flujo de aire. Si esta opción no es factible, un método alternativo consiste en seleccionar un punto de funcionamiento que supere con holgura la cifra obtenida con la ecuación 3 para dejar cierto margen respecto al flujo de aire admisible.

Figura 2: impedancia del sistema incluida en la curva de rendimiento del ventilador para determinar el punto de funcionamiento
Figura 2: impedancia del sistema incluida en la curva de rendimiento del ventilador para determinar el punto de funcionamiento

Durante la fase de diseño, debe procurarse mantener en niveles mínimos la impedancia del sistema, pues este factor será importante a la hora de elegir ventilador y permitirá optar por una unidad con especificaciones más bajas. Se recomienda colocar el menor número posible de componentes cerca de las entradas y las salidas de aire. La distribución de los componentes en el circuito impreso debe favorecer el flujo de aire hacia los componentes importantes y alrededor de ellos, y deben usarse guías para reforzar este efecto cuando sea necesario. Además, debe tenerse en cuenta si el sistema se va a disponer a gran altura (como en las aplicaciones aeroespaciales).

En las ecuaciones anteriores, se parte de una densidad del aire a nivel del mar. La densidad del aire disminuye con la altitud, por lo que será necesario aumentar significativamente el flujo de aire a mayores alturas.

Siga leyendo en Selección del ventilador más adecuado

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