Introducción
Debido al rápido avance de la electrónica, la gestión térmica es fundamental para un rendimiento óptimo y la longevidad del producto. La gestión térmica en el cuerpo de una persona se asegura de que cualquier rendimiento está en su óptimo cuando dura, también evita cualquier efecto que el calor excesivo podría causar. Con esta guía, el lector realizará un viaje virtual al reino de la refrigeración electrónica ᅳ donde se abordarán su significado, principios, tecnologías existentes y consejos de uso orientados a un funcionamiento eficiente y eficaz de los dispositivos.
Según el estudio realizado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, cada aumento de 10 °C en la temperatura puede suponer una reducción del cincuenta por ciento en la vida útil de los componentes electrónicos. Por este motivo, cualquier usuario de dispositivos electrónicos y las personas que trabajan con ellos deben apreciar la necesidad y el valor de la refrigeración electrónica. Las estrategias óptimas de gestión térmica mejorarán en gran medida la eficacia y el grado de fiabilidad de los dispositivos, garantizando su alto nivel de funcionamiento y durabilidad.
¿Qué es la refrigeración electrónica?
La refrigeración electrónica se define como la eliminación del calor de los componentes electrónicos por encima de sus temperaturas de funcionamiento seguras. Esta exposición al calor se debe a un flujo térmico por el que el calor se desplaza a través o fuera del dispositivo, que debe controlarse para mantener su eficiencia energética y evitar interferencias destructivas.
La refrigeración electrónica está introduciendo otros métodos de transferencia de calor y soluciones de diseño para garantizar el funcionamiento fiable y eficaz de los equipos electrónicos, incluso en un entorno complejo. Para lograrlo, proporciona un medio de contener el exceso de calor para que los dispositivos puedan desempeñar sus funciones con eficacia, aumentando así su durabilidad y reduciendo las posibilidades de rotura.
Cómo influye el calor en el rendimiento y la vida útil de los componentes electrónicos
El calor es el peor enemigo de los aparatos electrónicos. Durante su funcionamiento, los componentes electrónicos se calientan debido a las corrientes que atraviesan los dispositivos y a otros efectos interferentes como la resistencia eléctrica, por lo que a cada estado operativo corresponde una boa de calor. Sin embargo, la acumulación excesiva de calor, en este caso debido a la falta de dispositivos eficientes de intercambio de calor de respaldo es seguro que dará lugar a un montón de problemas tales como:
Rendimiento reducido: Demasiado calor puede llevar a los dispositivos a reducir su tasa de rendimiento para evitar daños por sobrecalentamiento. Esto se traduce en baja velocidad de procesamiento, baja eficiencia energética y bajo rendimiento en general.
Reducción de la vida útil: El aumento de la exposición al calor durante el periodo de diseño incrementa el riesgo de avería de las piezas electrónicas, lo que provoca su deterioro prematuro y reduce su vida útil. Se añaden componentes adicionales al dispositivo que se desgastan rápidamente debido a la ausencia de procesos de refrigeración eficaces, lo que reduce la vida útil del valioso equipo electrónico.
Fallos de funcionalidad: Demasiado calor puede hacer que algunas piezas funcionen mal o fallen por completo, haciendo que el sistema se bloquee, lo que provoca la pérdida de datos u otros problemas de fiabilidad. Esta es la razón por la que los sistemas de eliminación de calor o los sistemas de intercambio de calor entre medios deben realizarse adecuadamente para evitar averías y fallos de funcionamiento de los equipos electrónicos que pueden ser costosos de reparar.
Principios básicos de la refrigeración electrónica
Para refrigerar adecuadamente un artículo electrónico, hay que conocer los principios básicos de la transferencia de calor y la gestión térmica. Profundicemos en algunos de estos conceptos fundamentales:
Fundamentos de la transferencia de calor
Tres mecanismos de transferencia de calor son evidentes: Conducción, convección y radiación. Centrándonos en la refrigeración electrónica, está claro que la conducción y la convección son los aspectos más importantes de la gestión de la energía térmica.
La conducción se ocupa de la transmisión de calor a través del contacto directo de sustancias. En electrónica, por ejemplo, los componentes calientes transfieren calor a los disipadores térmicos u otros materiales de interfaz térmica. Para una aplicación eficaz de la gestión del calor, los componentes pasivos de los disipadores de calor deben optimizar los materiales de alta conductividad térmica y conductividad eléctrica. Si la conducción se realiza mejor, la energía térmica se evacuará más rápidamente y se reducirán así las posibilidades de sobrecalentamiento.
La convección, sin embargo, es un método de transferencia de calor en el que el flujo de fluidos o gases se mueve para efectuar la transferencia de calor. En la convección, tal como se aplica en la refrigeración de dispositivos electrónicos, puede ser inducida por ventiladores u otros sistemas de refrigeración activos. Así, en estos circuitos pueden circular líquidos o refrigerantes de aire que ayudan a atenuar el calor de los componentes, aumentando así la capacidad de refrigeración. Por ejemplo, algunos de los sistemas de refrigeración de alto rendimiento utilizan refrigeración líquida, ya que los refrigerantes líquidos tienen una capacidad de eliminación de calor mucho mayor que el aire.
Termodinámica y eficiencia de refrigeración
Sin duda, la termodinámica es esencial para comprender y mejorar la eficacia de la refrigeración de la electrónica. La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la energía térmica siempre fluirá de la región caliente a la fría de forma espontánea. Este es el principio en el que se basan la mayoría de las técnicas de refrigeración.
Hay una serie de criterios que determinan la eficacia de un sistema de refrigeración electrónico, por mencionar sólo algunos, la diferencia de temperatura alcanzada entre las partes calientes del sistema y el medio de refrigeración utilizado, los materiales empleados y sus conductividades térmicas, así como los tipos de mecanismos de transferencia de calor utilizados. La cantidad de efecto de refrigeración es mucho mayor con una diferencia de temperatura mayor y los materiales más eficaces utilizados en la transmisión de energía térmica hacen que sea más fácil y rápido sacar el calor del sistema, lo que da mejores resultados en general.
Tecnologías comunes de refrigeración electrónica
Existen varios métodos para refrigerar la electrónica, cada uno con sus puntos fuertes y débiles. En esta sección nos centraremos en algunos de los métodos más comunes:
Refrigeración por aire
La refrigeración por aire es el método más sencillo y general de refrigeración electrónica. Para ello se suelen utilizar ventiladores o dispositivos de refrigeración, como sopladores, que soplan sobre las superficies de los componentes calentados con la intención de calentar el aire. La refrigeración por aire es bastante fácil, barata y eficaz para varias aplicaciones.
Sin embargo, la refrigeración por aire tiene algunas desventajas. Probablemente, la más importante es el ruido que se genera, que es especialmente perceptible cuando se incorporan ventiladores de alta velocidad y refrigeración múltiple en circuitos electrónicos de refrigeración de rendimiento relativamente alto. Esto resulta poco acogedor en oficinas o salas de cine en casa, donde se prefieren niveles de ruido más bajos.
Refrigeración líquida
La refrigeración líquida consiste en aplicar un refrigerante líquido alrededor o en forma líquida para absorber el calor de los componentes electrónicos calientes. Los sistemas típicos de refrigeración líquida constan de una bomba, un intercambiador de calor y un sistema de tubos o canales por los que se bombea el refrigerante.
Entre los métodos de sistemas de refrigeración, la refrigeración líquida proporciona al usuario varias ventajas en comparación con la refrigeración por aire. Su rendimiento es el resultado de una mayor capacidad de refrigeración, una mayor conductividad térmica y la capacidad de centrarse en puntos calientes concretos del dispositivo electrónico. Se trata de un método eficaz para aplicaciones mejoradas como centros de datos, PC para juegos y electrónica de potencia.
No obstante, la configuración de los sistemas de refrigeración líquida es bastante más compleja, es cara y requiere mucho mantenimiento que los sistemas de refrigeración por aire. También tienen la desventaja de las fugas de las mangueras de líquido, que pueden dañar partes de los componentes electrónicos utilizados.
Refrigeración termoeléctrica
Aquí entra también la refrigeración termoeléctrica que es el llamado efecto Peltier, es una tecnología de refrigeración de estado sólido en la que el efecto disipador se consigue haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un refrigerador termoeléctrico que calienta un lado y condensa el otro. Cuando la corriente atraviesa el módulo, una de sus caras (la cara fría) absorbe el calor mientras que la cara caliente lo disipa.
No obstante, la refrigeración termoeléctrica ofrece al usuario algunos puntos de diferenciación particulares con respecto al resto de métodos disponibles en el mercado, entre los que se incluyen la gestión precisa de la temperatura hasta el grado requerido, un tamaño reducido e incluso temperaturas de refrigeración por debajo de las condiciones ambientales. Se aplica sobre todo en casos en los que se requiere un enfoque de enfriamiento, como en pequeños componentes electrónicos, sensores y aparatos médicos.
Sin embargo, la eficiencia de la refrigeración termoeléctrica es bastante baja en comparación con otras técnicas de refrigeración y también requiere mucha energía eléctrica para su funcionamiento. Además, también está limitada a la cantidad de calor que se puede eliminar de forma eficiente.
Factores que afectan al rendimiento de la refrigeración
El rendimiento y la eficacia de un sistema de refrigeración electrónico pueden verse afectados por varios factores. Es importante conocer estos factores para idear las estrategias de refrigeración más adecuadas:
Temperatura ambiente
Uno de los factores más importantes en la refrigeración electrónica es la temperatura ambiente o temperatura ambiente de la zona que rodea al dispositivo. El efecto del calor, la conducción, la transferencia de calor y la eliminación de calor de los componentes electrónicos se hace más difícil cuanto más calor queda atrapado en la habitación. Las estrategias de refrigeración aplicadas pueden ser más potentes, ya que el entorno en el que se instalan determinados dispositivos tiene una temperatura más alta de lo normal y es necesario eliminar más calor para que el dispositivo funcione con eficacia.
Conductividad térmica de los materiales
Los materiales de construcción de los aparatos electrónicos y sus respectivos sistemas de refrigeración determinan la velocidad de transferencia de calor, así como la tasa de pérdida de calor. Por lo general, los materiales metálicos de alta conductividad térmica, como el cobre y el aluminio, se utilizan sobre todo en disipadores de calor y otros componentes de refrigeración para disipar el calor con rapidez.
En otro caso, la refrigeración puede verse inhibida por materiales de baja conductividad térmica, como el aire, o algunos plásticos que constituyen barreras térmicas, lo que imposibilita la transferencia de calor.
Generación y disipación de calor
El calor generado por los componentes electrónicos y el índice de agotamiento del calor son parámetros importantes para conocer la capacidad de refrigeración necesaria. Los procesadores y las tarjetas gráficas son dispositivos de alta potencia que producen mucho calor, por lo que hay que dotarlos de mecanismos de evacuación del calor.
El dispositivo electrónico en su conjunto también puede ayudar a disipar el calor. Hay muchos aspectos como la disposición de los componentes, las trayectorias del flujo de aire, los componentes de refrigeración y un buen número de ellos dispersos en un área pequeña.
| Factor | Descripción | Impacto en el rendimiento de la refrigeración |
| Temperatura ambiente | La temperatura ambiente que rodea al dispositivo afecta a la eficacia de la transferencia de calor. | Las temperaturas ambiente más elevadas reducen la eficacia de la refrigeración, por lo que se requieren sistemas de refrigeración más potentes. |
| Conductividad térmica de los materiales | La capacidad de los materiales para conducir el calor afecta a la rapidez con que se disipa el calor de los componentes. | Los materiales con mayor conductividad térmica, como el cobre, mejoran la disipación del calor y el rendimiento. |
| Generación y disipación de calor | El calor total producido por los componentes y la capacidad del sistema para disiparlo. | Una mala disipación del calor puede hacer que los componentes se sobrecalienten, provocando fallos en el sistema o reduciendo su vida útil. |
| Disposición del sistema y flujo de aire | La disposición de los componentes y las vías de circulación del aire en el interior del aparato. | Una mala distribución y el bloqueo del flujo de aire provocan una refrigeración ineficaz, mientras que los diseños optimizados mejoran el rendimiento. |
Cómo elegir el método de refrigeración ideal para su diseño electrónico
Los equipos electrónicos bien diseñados generan mucho calor, son los dispositivos más pequeños donde este calor entra por encima de un cierto límite, por lo tanto la refrigeración de los componentes electrónicos es importante. Entre los factores disponibles se incluyen: los requisitos tecnológicos de la aplicación, la densidad de potencia de la electrónica, los factores medioambientales y la limitación dimensional. Estos incluyen:
Densidad de potencia: Para los dispositivos con características de potencia bajas, la refrigeración puede ser pasiva mediante disipadores de calor o convección natural. Pero cuando aumenta la densidad de potencia, se adopta rápidamente la refrigeración activa mediante ventiladores o sistemas de refrigeración líquida.
Limitaciones de espacio: Los métodos de refrigeración que se adopten dependerán del espacio disponible en el dispositivo electrónico. Los dispositivos pequeños necesitarán disipadores de calor de perfil bajo o, si se utilizan ventiladores, ventiladores compactos, mientras que en los sistemas grandes cabrán dispositivos de refrigeración más grandes.
Entorno operativo: Al seleccionar un método de refrigeración, tenga en cuenta factores como la temperatura ambiente, la humedad y otros factores ambientales. Las condiciones de trabajo con polvo, humedad o calor pueden requerir soluciones de refrigeración eficaces que también estén selladas o sean resistentes para evitar el desgaste.
Fiabilidad y mantenimiento: Examinar los factores de fiabilidad y mantenimiento asociados a los distintos métodos de refrigeración . Por ejemplo, el rendimiento de estos sistemas tras un esfuerzo de disipación del calor. Los sistemas de refrigeración por aire de polvo pueden requerir una limpieza de vez en cuando, por otro lado, los sistemas en los que se utilizan fluidos para la refrigeración pueden requerir características como la sustitución y la comprobación de fugas de fluidos de vez en cuando.
Coste y complejidad: También hay que tener en cuenta el diferente coste y complejidad de aplicar y mantener los distintos sistemas de refrigeración. Aunque otros sistemas, como los de refrigeración líquida, pueden ofrecer mejores prestaciones que los de refrigeración por aire, su implantación y mantenimiento son más difíciles y costosos que los de refrigeración por aire, más sencillos y menos costosos.
Ventiladores en la refrigeración electrónica
En casi todos los esquemas de gestión térmica, los ventiladores de refrigeración se utilizan para transferir activamente el calor induciendo el flujo de aire fuera de los componentes. Conozcamos los tipos de ventiladores de mejora y su finalidad en el control térmico de la electrónica:
Tipos de ventiladores de refrigeración (axiales, centrífugos, CC sin escobillas)
Hay varios tipos de ventiladores de refrigeración que suelen utilizarse en aparatos electrónicos:
Ventilador axial: Los ventiladores más comunes con aspas giratorias alrededor de un buje cuyo movimiento empuja un flujo determinado cosechado en dirección axial. Son baratos y bastante sencillos, en cambio han encontrado numerosas aplicaciones en sistemas informáticos, servidores y otros aparatos electrónicos.
Ventiladores centrífugos: Categorizados dentro de los sopladores, constan de un rodete que gira aspirando aire desde una dirección y descargando aire desde otra dirección en un ángulo de 90 grados. Estos ventiladores son adecuados para aplicaciones con alta presión estática, como la reducción del caudal de aire en espacios reducidos llenos de aparatos electrónicos.
Ventiladores de CC sin escobillas: También conocidos como BLDC, estos ventiladores funcionan con un motor sin cerdas de bronce ni cojinetes, lo que aumenta el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de los ventiladores. Además, proporcionan un control preciso de la velocidad y son los más adecuados para su uso en modernos sistemas electrónicos de refrigeración.
El papel de los ventiladores en la refrigeración electrónica
El uso de ventiladores de refrigeración es esencial para la refrigeración eficaz de los equipos electrónicos. Estos ventiladores son fundamentales para proporcionar convección forzada, lo que mejora la refrigeración convectiva de piezas importantes mediante la eliminación del calor.
Como los ventiladores de refrigeración toman continuamente aire frío y expulsan aire caliente, fomentan un diferencial de temperatura para facilitar la transferencia de calor fuera de las piezas electrónicas. Con ello se pretende evitar situaciones de embalamiento, garantizar temperaturas uniformes en torno al funcionamiento del dispositivo y, en general, permitir un funcionamiento eficiente del mismo.
Los ventiladores de refrigeración también pueden adaptarse mediante algunos procesos posteriores, como la fabricación, para dar cabida a preocupaciones adicionales como la protección contra el agua, el polvo e incluso la niebla salina. Se trata de ventiladores de refrigeración diseñados que se utilizan sobre todo en condiciones en las que los equipos electrónicos estarán sometidos a condiciones meteorológicas adversas o al polvo y otros factores.
El posicionamiento de los ventiladores de refrigeración con respecto a la placa y los componentes del dispositivo electrónico puede ser tal que cubra puntos calientes localizados o diseñe un patrón de flujo de aire que mejore la refrigeración. En la mayoría de los casos, no es inusual encontrar varios ventiladores junto con otros componentes de transferencia de calor como disipadores de calor, tubos de calor y muchos más en la búsqueda de proporcionar un sistema de refrigeración electrónico.
Conclusión
La refrigeración electrónica es un aspecto crítico para garantizar un rendimiento, fiabilidad y longevidad óptimos de los dispositivos. Mediante el análisis termodinámico, el conocimiento de los métodos de refrigeración habituales, la consideración de los factores generales de rendimiento y su aplicación en el diseño y/o selección razonables de sistemas de refrigeración electrónica, los diseñadores y usuarios estarán bien situados.
Independientemente del método que elija, ya sea refrigeración por aire u otro, el objetivo sigue siendo el mismo: disipar eficazmente el calor y controlar las temperaturas de funcionamiento de sus componentes y sistemas electrónicos. Esta estrategia de refrigeración utiliza eficazmente las reservas de calor y evita el aumento de la temperatura de todos los componentes del sistema por encima de los límites aceptables para evitar el sobrecalentamiento, es decir, el daño de estos componentes.
Dado que los sistemas electrónicos de potencia se diseñan cada vez para más potencia y funcionalidad, las tecnologías de gestión térmica, como los disipadores de calor, cobrarán cada vez más importancia. Hay una búsqueda constante de nuevas ideas sobre el proceso de refrigeración y nuevas formas de eliminación del calor que estén a la altura de los dispositivos más modernos. Tecnologías de refrigeración se ampliará a medida que conozca las cosas nuevas en estos temas de refrigeración que no cambian con el tiempo consejos para asegurarse de que sus aparatos electrónicos será fresco, eficaz y fiable para muchas hojas.
Preguntas frecuentes:
¿Cómo elegir la solución de refrigeración adecuada para mi aplicación?
Seleccionar una solución de refrigeración electrónica adecuada para una aplicación concreta dependerá de diversos factores de diseño, como la densidad de potencia de los componentes y su volumen disponible, el entorno en el que van a trabajar, sus requisitos de fiabilidad y sus costes. Por ejemplo, primero hay que buscar el área de aplicación concreta que se pretende refrigerar y, a continuación, buscar los métodos aplicables y recomendarlos en función de su eficacia, facilidad de uso y practicidad.
Compruebe el calor previsto que se va a generar y la temperatura que es necesario mantener, así como cualquier limitación en relación con la zona disponible o el entorno. Solicite asesoramiento profesional a personal de ingeniería especializado en refrigeración o directrices generales o estándares industriales en sistemas de refrigeración.
Tenga en cuenta que, en escenarios como éste, podrían ser una, dos o todas las técnicas posibles de clasificación de la refrigeración las que se incorporen a las arterias. No tema probar distintas disposiciones y configuraciones, o pida ayuda para conseguir la refrigeración más eficaz y rentable para la tarea concreta que esté realizando.
¿Cuáles son los errores más comunes que hay que evitar al diseñar un sistema de refrigeración electrónico?
Hay ciertos errores comunes que deben evitarse al diseñar un sistema de refrigeración electrónico: Diseñar el sistema sin una comprensión clara de las necesidades de refrigeración: El problema esencial es que los diseñadores no evalúan las capacidades de generación o disipación de calor de determinados componentes electrónicos. Una vez más, el diseñador debe probar y elegir los parámetros o, de lo contrario, en algunos sistemas de refrigeración, los componentes se sobrecalentarán.
Ignorar el flujo de aire y resistencia térmica: Control de las temperaturas aunque se utilicen refrigeradores: el elemento más crucial de un diseño. Al realizar el diseño, asegúrese de que hay caminos adecuados para los conductos y de que no hay obstrucciones o restricciones que aumenten las fugas o la resistencia al flujo de calor. Además, evalúe la resistencia térmica estratégica en las uniones de los componentes y los dispositivos de disipación de calor, como el material de interfaz térmica y los disipadores.
Suposición deficiente de las condiciones de funcionamiento: Las condiciones de funcionamiento pueden desempeñar un papel fundamental en la eficacia de la refrigeración. Condiciones como la temperatura ambiente, la humedad, el polvo o las vibraciones influyen en la elección y el diseño de las soluciones de refrigeración. Ignorar estas condiciones puede provocar una refrigeración ineficaz o incluso el fallo de los componentes antes de tiempo.
Concentrarse sólo en la refrigeración activa: Esto también considera el direccionamiento de la refrigeración en el diseño de peso y proporciona refrigerantes activos, tales como ventiladores y sistemas de refrigeración líquida, que son una opción bastante buena. El uso de tubos de calor y el diseño adecuado de los componentes es capaz de mejorar los sistemas de refrigeración adicionales y su eficiencia.
Sin tener en cuenta el mantenimiento y la fiabilidad: No se puede olvidar el hecho de que todos los sistemas electrónicos de refrigeración necesitan un mantenimiento adecuado con regularidad a lo largo del tiempo. Tal mantenimiento, en este caso, es el cambio y limpieza de los filtros y de los fluidos utilizados en la refrigeración. El fracaso de proporcionar constantemente tales trabajos finos puede bajar la eficacia de enfriamiento y aún más, aquí está el riesgo de fiabilidad.
Tener en cuenta los recordatorios mencionados y tratar de evitarlos le ayudará a crear productos químicos que satisfagan mejor los requisitos térmicos, incorporando en el futuro la evaluación de la fiabilidad y la durabilidad de los sistemas electrónicos inteligentes de refrigeración.
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