Confronto tra raffreddamento ad aria e raffreddamento a liquido:
Progressi nella gestione termica per l'elettronica di potenza


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Negli ultimi decenni, i settori dell'elettricità e dell'energia risultano essere le due industrie in più rapida crescita per quanto riguarda l'elettronica. La conversione, l'inversione e la rettificazione di potenza, così come le tecnologie della batterie e delle pile a combustibile, sono diventate parti integrali della crescita tecnologica in tutti i settori industriali.

Poiché i sistemi elettronici diventano sempre più complessi e necessitano di campi di potenza sempre più elevati, i fattori di forma diventano sempre più piccoli, rendendo il calore uno dei maggiori limiti alle possibilità produttive. Per gestire la quantità di corrente che deve essere dispersa, le soluzioni di raffreddamento dell'aria devono essere ottimizzate e sviluppate per eliminare adeguatamente il calore eccessivo. In alcuni casi, le dimensioni diventano un fattore limitante per le soluzioni di convezione forzata. In questi casi in cui le dimensioni o il peso di un sistema di raffreddamento ad aria ne rendono poco pratica l'installazione, il raffreddamento a liquido sta diventando il metodo alternativo più diffuso.

Il passaggio da un sistema raffreddato ad aria a uno raffreddato a liquido non è una decisione che possa essere presa velocemente o alla leggera; ci sono molti fattori e possibilità da considerare per consentire alla gestione termica di far fronte a carichi di calore più intensi. Sebbene le tendenze del mercato indichino che il raffreddamento completamente a liquido diventerà lo standard industriale per il raffreddamento dell'elettronica di potenza, sono disponibili molte opzioni e soluzioni ibride che riescono a fornire i benefici di entrambe le tipologie mentre si procede allo sviluppo o aggiornamento del proprio sistema. Nel caso in cui i limiti legati ai bilanci preventivi o alle scadenze di produzione siano tali da non consentire il passaggio a un sistema di raffreddamento a liquido, l'ottimizzazione della convezione forzata attraverso miglioramenti del design o attraverso l'introduzione del raffreddamento bifase o di componenti liquidi, rappresenta una valida soluzione provvisoria.

Gli ingegneri hanno sviluppato sistemi liquidi che sono complementari alle soluzioni raffreddato a trasmissione esistenti che possono essere ampliate per sostituire completamente i sistemi raffreddati ad aria nel tempo. Questo viene fatto concentrandosi sui dispositivi elettronici che possono ottenere beneficio immediato con raffreddamento liquido. Utilizzando accoppiamenti di liquidi, sistemi di pompaggio affidabili e scambiatori di calore compatti, il sistema rimuove il calore dal flusso d'aria al liquido dove viene trasferito e gestito altrove. In altri casi, gli ingegneri scelgono di sostituire completamente i loro sistemi raffreddati ad aria con raffreddati a liquido per consentire immediatamente uscite di potenza più elevate e ottimizzare le prestazioni termiche.

Quando si considera il passaggio al raffreddamento a liquido per migliorare le prestazioni dei dispositivi e delle strutture di elettronica di potenza, esistono diversi fattori determinanti fondamentali:

• Quali sono l'altezza, il peso e i requisiti termici richiesti?

• È possibile ottimizzare ulteriormente l'attuale sistema di raffreddamento ad aria?

• Per quanto tempo ancora un sistema di raffreddamento ad aria sarà una soluzione termica praticabile per la propria applicazione?

• Ci sono limiti alla disponibilità di volume o di liquidi?

• Quanto tempo ci vorrà per realizzare un ritorno sull'investimento nel raffreddamento a liquido in termini di prestazioni ed efficienza?

• Come può essere implementato o progettato il raffreddamento a liquido nella propria applicazione? Quale sarà l'effetto che subirà la tua applicazione/il tuo impianto considerando i tempi di fermo?

• Come e quando sarà avviato il processo?


Fan Heat Sink Air Cooling

I benefici del raffreddamento ad aria


I sistemi di raffreddamento ad aria sono significativamente meno costosi di quelli a liquido. Non richiedono fluidi regolamentati o specializzati e sono composti da meno componenti che sono più economici rispetto ai componenti per i sistemi liquidi. Poiché non hanno liquidi da perdere e meno componenti da rompere, hanno anche meno modalità di guasto. Oltre ad avere maggiore affidabilità e costi inferiori, i sistemi raffreddati ad aria sono anche più facili da modificare o aggiornare.



I limiti del raffreddamento ad aria


Nelle applicazioni tipiche, i sistemi di raffreddamento dell'aria sono costituiti da un dissipatore di calore a pinna legato e spesso da un ventilatore. Quando l'affidabilità è un fattore significativo, gli ingegneri possono rinunciare a una ventola e optare invece per soluzioni passive.

Sia la convezione naturale che la convezione forzata hanno dei limiti. La convezione naturale è limitata dalla superficie totale necessaria per dissipare il calore, ciò richiede soluzioni grandi e pesanti che sono spesso impraticabili.

Le soluzioni a convezione forzata sono limitate dalla perdita di carico. Riscaldare affonda congrandie superfici in volumi realizzabili creano un'elevata quantità di resistenza all'aria che ostacolano la quantità di flusso e quindi il trasferimento di calore che una ventola può produrre. Soluzioni di convezione forzata più grandi richiedono anche più ventole più grandi, aumentando la quantità di rumore generato dalla soluzione.

Tuttavia, il più grande limite delle soluzioni di raffreddamento ad aria è la prestazione termica. L'aria non ha la stessa capacità di liquidper assorbire e trasferire calore. Ad una certa soglia, il raffreddamento dell'aria diventa una soluzione insufficiente e il raffreddamento liquido è necessario.

Modifiche al raffreddamento ad aria e soluzioni ibride


Ci sono tre metodi comuni per migliorare il proprio sistema ad aria. Il primo è quello di ottimizzare il design del dissipatore di calore e la selezione fan. Generare più flusso d'aria, ottimizzare la geometria della pinna o aumentare il volume del dissipatore di calore sono modi per migliorare la soluzione raffreddata ad aria senza introdurre tecnologie aggiuntive. Il secondo è quello di introdurre il raffreddamento a due fasi nel vostro disegno. Riscalda i tubi possono essere integrati per diffondere densità di potenza più elevate o spostare il calore in un'area dove può essere dissipato più facilmente. Il terzo metodo più comune per aumentare le prestazioni di una soluzione raffreddata ad aria è quello di iniziare a introdurre elementi di un sistema liquido come una termosofa passive.

Vedi la pagina del prodotto Raffreddamento ad aria



L'efficacia del raffreddamento a liquido


Il liquido ha la capacità di trasferire il calore fino 4 4 volte in più rispetto all'aria con la stessa massa. Ciò consente prestazioni termiche più elevate in una soluzione più piccola. Un sistema di raffreddamento liquido è un circuito idraulico che in genere consiste in una piastra fredda che si interfaccia con la fonte di calore e il dispositivo, una pompa che fa circolare il fluido attraverso il sistema e uno scambiatore di calore che rifiuta il calore assorbito dal liquido dal dispositivo. Le piastre fredde liquide hanno un involucro di lavoro molto più piccolo di un dissipatore di calore che verrebbe utilizzato nel raffreddamento dell'aria per la stessa applicazione. Inoltre, più piastre fredde possono essere collegate allo stesso scambiatore con un impatto minimo sulle prestazioni. Il raffreddamento liquido garantisce un ulteriore livello di controllo sul sistema di raffreddamento perché controlla la temperatura di ingresso alla piastra fredda e alla portata.

Potenziali rischi e benefici del raffreddamento a liquido


Alcuni sono stati reticenti ad adottare il raffreddamento liquido a causa della complessità aggiuntiva e del timore di perdite.La complessità spesso aumenta il costo della soluzione e la quantità di manutenzione necessaria per mantenere il sistema in esecuzione. Tuttavia, i costi aggiuntivi sono attenuati in quanto le prestazioni di raffreddamento migliorate aumenteranno la durata e l'affidabilità del dispositivo.

A causa della sua complessità, il raffreddamento a liquido richiede una migliore pianificazione e progettazione da incorporare nell'elettronica di potenza. Anche se la piastra fredda è molto più piccola di un'estrusione o di un dissipatore di calore, le soluzioni complessive tendono ad occupare piùvolume una volta che gli scambiatori di calore, tubi, serbatoio, e pompe sono tutti presi in considerazione. Gli ingegneri devono tener conto di tutto questoin considerazione durante la fase di progettazione iniziale al fine di evitare complicazioni in un secondo momento. Con una lungimiranza adeguata, la complessità dei sistemi può essere vantaggiosa in quanto vi è maggiore flessibilità nella progettazione del sistema.

Soluzioni di raffreddamento a liquido


AAVID Hydrosink


Il sistema Aavid HydroSink è un metodo configurabile per combinare un insieme standard di scambiatori di calore ottimizzati, ventilatori, pompe, valvole, serbatoi, raccordi, sensori e schede di controllo con piastre fredde personalizzate per progettare la migliore soluzione di raffreddamento liquido possibile per determinate esigenze.

HydroSinks offrono maggiore flessibilità nella progettazione e nell'installazione rispetto ai sistemi di raffreddamento a liquido standard perché sono configurabili e più facilmente adattabili ai requisiti di progettazione. Anche la chiusura e il collegamento dei comandi liquid coldplate, control board e client machine all'interno dell'involucro sono personalizzabili.

Poiché gli idrolavanti Aavid sono in gran parte costituiti da una serie di standard ottimizzaticomponenti, sono più economici rispetto al tradizionale raffreddamento liquido personalizzato e alle loro controparti raffreddate ad aria.

Attualmente HydroSink di Aavid è disponibile in due versioni di base compatte: piccola e media. Le dimensioni effettive del sistema HydroSink del cliente finale variano in base alla configurazione. Le dimensioni si basano sulle dimensioni della ventola e sulle prestazioni di raffreddamento. Il piccolo opera ad un aumento della temperatura di 7-20 gradi centigradi per kW, mentre il Medium opera ad un aumento di 3-9 c per kW.


Piastre di raffreddamento a liquido Aavid


Le piastre di raffreddamento a liquido Aavid sono parte integrante del sistema HydroSink. Aavid offre quattro distinti e innovativi design a piastra fredde sviluppati per ottimizzare il sistema complessivo in base alle applicazioni e ai requisiti. Tutte le piastre fredde Aavid sono costruite per il raffreddamento liquido senza preoccupazioni utilizzando procedure di certificazione specializzate per garantire soluzioni affidabili e senza perdite.

Piastre di raffreddamento con manicotto Hi-Contact


Hi-Contact™ Tube Cold Plates
Le piastre fredde liquide a basso Aavid Hi-Contact tubo sono dotate di un prodotto ad alte prestazioni che utilizza una pressa a tubo continuo in una piastra di alluminio estrusa. La geometria brevettata utilizzata nel processo Aavid Hi-Contact avvicina il fluido al dispositivo generando calore, ottenendo le migliori prestazioni termiche da una piastra fredda del tubo. Per aumentare ulteriormente le prestazioni delle piastre fredde liquide ad alta voce di Aavid, viene applicata una resina termica al giunto per fornire un'interfaccia termica senza spazi tra il tubo e la piastra. Le piastre Hi-Contact sono facili da personalizzare e sono disponibili in formati standard.

Piastre di raffreddamento Blister


La tecnologia Blister stampa i canali nella piastra di base, eliminando la lavorazione della canalizzazione e riducendo notevolmente i costi di produzione. Viene creato un giunto privo di perdite tra la base e la piastra di copertura e i canali del blister per consentire una maggioreflessibilità di praticare fori di montaggio nella parte superiore della piastra fredda senza tener conto della posizione dei canali liquidi.

Piastre di raffreddamento a liquido Vortex


Le piastre a freddo liquido Aavid Vortex sono progettate per raffreddare applicazioni di potenza estremamente elevate. Queste piastre fredde sono state inizialmente sviluppate per applicazioni in cui è possibile applicare un elevato carico compressivo, ad esempio quando si raffreddano i dispositivi di tipo SCR. Utilizzando la geometria brevettata del percorso di flusso, entrambi i lati delle piastre fredde liquide Vortex vengono raffreddate in modo uniforme; pertanto, possono fornire prestazioni uguali e coerenti su entrambe le superfici e prestarsi a creare ambienti più prevedibili.

Piastre di raffreddamento a liquido con superficie estesa


Le piastre a freddo liquido di superficie estese Aavid hanno aumentato la superficie interna che consente un migliore trasferimento di calore complessivo. Tecnologie innovative e processi di produzione sono utilizzati per aumentare l'area di contatto liquido a piastraall'interno della piastra fredda liquida. La loro costruzione stravasa a vuoto assicura perdite liberegiunti pur mantenendo un'elevata conduttività termica. Le piastre a freddo Aavid Extended SurfaceLiquid sono appositamente fabbricate per migliorare la flessibilità progettuale e possono essere facilmente personalizzate per percorsi di flusso ottimizzati per la progettazione di applicazioni.

Vedi la pagina del prodotto Raffreddamento a liquido



Considerazioni finali


La chiave per una progettazione efficace per il raffreddamento a liquido e sistemi ottimizzati raffreddati ad aria è considerare la gestione termica come possibile nella fase di progettazione. Aavid offre servizi di progettazione, progettazione e test che possono essere disponibili in qualsiasi fase e sviluppare la migliore soluzione possibile in base a requisiti, vincoli, tempistica, budget e altri fattori critici.

Con centri di progettazione in tutto il mondo, Aavid può fornire a qualsiasi cliente i servizi di ingegneria necessari per progettare e progettare un sistema completamente ottimizzato. Gli ingegneri sono disponibili in ogni fase dall'analisi se c'è bisogno di raffreddamento a liquido o raffreddamento ad aria, allo sviluppo di un sistema ottimizzato e integrato, ai test di affidabilità e convalida dell'intero dispositivo.

Per richiedere una consulenza gratuita sulle vostre attuali soluzioni di raffreddamento o per aiutare a trovare la soluzione termica giusta per le vostre applicazioni elettroniche di potenza clicca qui.

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