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 stanno sviluppando sistemi a liquido complementari alle soluzioni preesistenti ad aria, che possono poi essere sviluppate e sostituite interamente con sistemi di raffreddamento a liquido in un secondo tempo. Questo processo viene eseguito dando la priorità ai dispositivi elettronici che possano ottenere dei benefici immediati dal raffreddamento a liquido. Attraverso l'utilizzo di manicotti, sistemi a pompa affidabili e scambiatori di calore compatti, il sistema rimuove il calore dal flusso d'aria e lo trasmette al liquido, dove viene trasferito per essere gestito altrove. In altri casi, gli ingegneri decidono di sostituire completamente i sistemi a raffreddamento ad aria con quelli a liquido per ottenere una maggiore potenza e ottimizzare le prestazioni termiche.

Nella valutazione del passaggio a un sistema di raffreddamento a liquido per migliorare le prestazioni dei propri dispositivi e apparecchi elettronici, ci sono parecchi fattori chiave determinanti da considerare:

• 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?


Raffreddamento con dissipatore di calore con ventola

I benefici del raffreddamento ad aria


I sistemi di raffreddamento ad aria sono significativamente meno costosi di quelli a liquido. Non richiedono fluidi che devono essere regolati o fluidi speciali, sono costituiti da un numero minore di componenti che sono più economici rispetto ai componenti per i sistemi a liquido. Dato che non hanno liquidi che fuoriescono e ci sono meno componenti soggetti a rottura, subiscono meno guasti. Inoltre l'elevata affidabilità a un costo minore rende i sistemi ad aria più facili da modificare o migliorare.



I limiti del raffreddamento ad aria


In applicazioni tipiche, i sistemi ad aria sono costituiti da un dissipatore di calore estruso o ad alette incollate che, spesso, è fornito di una ventola. Quando l'affidabilità è un elemento 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 dall'area della superficie totale per la dispersione del calore, e ciò implica la necessità di soluzioni grandi e pesanti che spesso si rivelano impraticabili.

Le soluzioni a convezione forzata sono limitate dal calo della pressione. I dissipatori di calore con grandi aree superficiali in volumi fattibili creano una forte resistenza all'aria; ciò ostacola il flusso e, quindi, il trasferimento di calore che una ventola è in grado di produrre. Le soluzioni di convezione forzata più grandi richiedono anche ventole più grandi o in numero maggiore, aumentando di conseguenza il rumore generato.

Tuttavia, il più grande limite delle soluzioni di raffreddamento ad aria è la prestazione termica. L'aria non ha le stesse capacità del liquido di assorbire e trasferire calore. A certe soglie, il raffreddamento ad aria diventa una soluzione insufficiente e il raffreddamento a 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 progetto del dissipatore di calore e la scelta della ventola. Generando un flusso d'aria maggiore, metodi quali l'ottimizzazione della geometria dell'aletta o l'aumento del volume del dissipatore di calore consentono di migliorare la soluzione di raffreddamento ad aria esistente senza introdurre tecnologie aggiuntive. Il secondo è quello di introdurre il raffreddamento bifase nel progetto. I tubi di calore (heat pipe) possono essere integrati nel sistema per diffondere densità più elevate di potenza o spostare il calore in un'area dove possa essere dispersa. Il terzo metodo più diffuso per aumentare le prestazioni di una soluzione di raffreddamento ad aria è quello di iniziare a introdurre elementi di un sistema a liquido come un termosifone passivo.

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 permette di ottenere prestazioni termiche superiori con una soluzione di piccole dimensioni. Un sistema di raffreddamento a liquido è un circuito idraulico che consiste normalmente in una piastra di raffreddamento che agisce da interfaccia fra la fonte di calore e il dispositivo, una pompa che rende possibile la circolazione del fluido nel sistema e uno scambiatore di calore che espelle il calore assorbito dal liquido dal dispositivo. Le piastre di raffreddamento a liquido dispongono di uno spazio operativo molto più piccolo rispetto a quello necessario per il dissipatore di calore di una soluzione di raffreddamento ad aria per la stessa applicazione. Inoltre, è possibile collegare più piastre di raffreddamento allo stesso scambiatore con il minimo impatto sulle prestazioni. Il raffreddamento a liquido garantisce un ulteriore livello di controllo sul sistema di raffreddamento perché controlla la temperatura all'ingresso della piastra di raffreddamento, insieme alla velocità del flusso.

Potenziali rischi e benefici del raffreddamento a liquido


In alcuni casi si è registrata una certa reticenza nell'adottare il raffreddamento a liquido a causa dell'ulteriore complessità e del timore di possibili fuoriuscite di liquido. La complessità spesso aumenta i costi della soluzione e della manutenzione richiesta per garantire il funzionamento del sistema. Tuttavia, i costi aggiuntivi sono attenuati dal fatto che il miglioramento delle prestazioni di raffreddamento aumenterà la durata e l'affidabilità del dispositivo.

A causa della sua complessità, il raffreddamento a liquido richiede una pianificazione e una progettazione migliori per essere introdotto nell'attuale sistema di elettronica di potenza. Sebbene la piastra di raffreddamento sia più piccola di una creata per estrusione o di un dissipatore di calore, le soluzioni complessive, una volta che vengono inseriti gli scambiatori di calore, i tubi, il serbatoio e le pompe, tendono a occupare più spazio. Gli ingegneri devono prendere in considerazione tutti questi elementi durante la fase iniziale del progetto in modo da evitare complicazioni future. La complessità dei sistemi affrontata con lungimiranza può essere vantaggiosa perché il sistema offre più flessibilità a livello di progettazione.

Soluzioni di raffreddamento a liquido


AAVID Hydrosink


Il sistema Aavid Hydrosink è un metodo configurabile che combina un set standard di scambiatori di calore, ventole, pompe, valvole, serbatoi, raccorderia, sensori e schede elettroniche ottimizzate con piastre a freddo costruite ad hoc per progettare la soluzione migliore in base ai requisiti del sistema.

Hydrosink offre una maggiore flessibilità durante la progettazione e l'installazione dei sistemi di raffreddamento a liquido standard perché è configurabile e più facilmente adattabile ai requisiti del progetto. Inoltre, la tenuta e le connessioni della piastra di raffreddamento a liquido, del pannello di controllo e dei comandi della macchina all'interno dell'alloggiamento sono personalizzabili.

HydroSink di Aavid è composto da un ampio set di componenti ottimizzati ed è pertanto più efficace in termini di costi rispetto al tradizionale raffreddamento ad aria personalizzato, componenti compresi.

Attualmente HydroSink di Aavid è disponibile in due versioni di base compatte: piccola e media. La misura effettiva del sistema HydroSink del cliente finale varia a seconda della configurazione. Le misure si basano sulla grandezza della ventola e sulle prestazioni del raffreddamento. La versione piccola e la versione media entrano in funzione quando si verifica, rispettivamente, un aumento di temperatura di 7-20°C per kW e di 3-9 °C per kW.

Clicca per ulteriori informazioni sul sistema HydroSink™ di Aavid.

Piastre di raffreddamento a liquido Aavid


Le piastre di raffreddamento a liquido Aavid sono parte integrante del sistema HydroSink. Aavid offre quattro innovativi e distinti design per piastre refrigeranti, sviluppati per ottimizzare il sistema generale in base all'applicazione e ai requisiti. Tutte le piastre di raffreddamento sono costruite per garantire un raffreddamento a liquido ottimizzato che sfrutta speciali procedure di certificazione per garantire soluzioni affidabili a tenuta impermeabile.

Piastre di raffreddamento con manicotto Hi-Contact


Piastre di raffreddamento con manicotto Hi-Contact™
Le piastre di raffreddamento con manicotto Hi-Contact di Aavid offrono un assemblaggio ad alte prestazioni che utilizza un manicotto a profilatura continua inserito a pressione in una piastra di alluminio estruso. La geometria brevettata usata nel processo di Aavid Hi-Contact fa avvicinare il fluido al dispositivo che genera calore, ottenendo le prestazioni termiche migliori per una piastra di raffreddamento con manicotto. Per aumentare ulteriormente le prestazioni delle piastre di raffreddamento a liquido di Aavid Hi-Contact , viene applicato una resina epossidica termica sul giunto per fornire un'interfaccia termica senza interstizi tra il manicotto e la piastra. Le piastre di raffreddamento Hi-Contact sono facili da personalizzare e sono disponibili in misure standard.

Piastre di raffreddamento Blister


La tecnica Blister posiziona i canali alla base della piastra, eliminando la lavorazione dei canali, con un conseguente abbattimento dei costi di fabbricazione. Un giunto a tenuta stagna viene creato tra la base e la copertura della piastra e i canali del blister, per consentire una maggiore flessibilità nel praticare i fori durante il montaggio nella parte superiore della piastra di raffreddamento, indipendentemente della posizione dei canali del liquido.

Piastre di raffreddamento a liquido Vortex


Le piastre di raffreddamento a liquido Aavid Vortex sono progettate per raffreddare applicazioni ad elevata potenza. Queste piastre di raffreddamento sono state sviluppate inizialmente per applicazioni in cui potesse essere applicato un carico ad alta compressione come accade quando si raffreddano i dispositivi di tipo SCR. Utilizzando la tecnica brevettata a geometria variabile del flusso, entrambi i lati delle piastre di raffreddamento a liquido vengono raffreddati uniformemente; in questo modo le piastre possono fornire prestazioni costanti e uniformi su entrambe le superfici, prestandosi così alla creazione di ambienti maggiormente affidabili.

Piastre di raffreddamento a liquido con superficie estesa


Le piastre di raffreddamento a liquido con superficie estesa di Aavid, grazie alla superficie interna maggiore, si prestano a una migliore dispersione del calore generale. Tecniche innovative e processi produttivi vengono impiegati per aumentare il contatto tra il liquido e l'area di contatto all'interno della piastra di raffreddamento. La struttura brasata sotto vuoto garantisce giunti a tenuta stagna e, nel contempo, un'elevata conduttività termica. Le piastre di raffreddamento a liquido con superficie estesa vengono prodotte appositamente per migliorare la flessibilità del progetto e possono essere facilmente personalizzate per percorsi di flusso ottimizzati nella progettazione delle applicazioni.

Vedi la pagina del prodotto Raffreddamento a liquido



Considerazioni finali


La chiave di una progettazione efficace dei sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria risiede in una valutazione accurata della gestione termica già in fase di progettazione. Aavid offre servizi di progettazione, analisi tecnica e collaudo in qualsiasi fase del progetto, e sviluppa la soluzione migliore possibile in base a fattori critici quali requisiti, limiti, scadenze e budget.

Aavid, grazie ai propri centri di progettazione situati in tutto il mondo, è in grado di fornire alla sua clientela i servizi tecnici necessari per progettare e produrre un sistema completamente ottimizzato. I nostri ingegneri sono disponibili in ogni fase del progetto: dall'analisi della migliore soluzione tra il sistema di raffreddamento ad aria e quello a liquido, allo sviluppo di un sistema integrato ottimizzato, fino al collaudo e alla validazione dell'affidabilità dell'intero dispositivo.

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