Refrigeración de armarios: Por qué es esencial para la electrónica

Introducción

En lo que respecta a los armarios electrónicos, la refrigeración de armarios se define como el control de la temperatura de los espacios con piezas electrónicas para el calor que estos componentes puedan depositar o generar. La relevancia de los sistemas de control de temperatura se basa en la necesidad de enfriar componentes que, de lo contrario, fundirían componentes electrónicos frágiles debido a su elevada energía. Los controles de temperatura de armarios son el núcleo de los armarios eléctricos y electrónicos para garantizar la máxima eficiencia.

La refrigeración de armarios es fundamental para preservar tanto el rendimiento como la funcionalidad de un sistema electrónico. De este modo, los sistemas de refrigeración de armarios protegen contra el fallo de componentes, la corrupción de datos e incluso tiempos de inactividad prolongados debidos a condiciones de sobrecalentamiento. Esta situación tiene graves consecuencias en entornos hostiles, como la refrigeración de armarios industriales, donde los equipos funcionan durante largas horas en condiciones difíciles. Un buen sistema de refrigeración de armarios también aumenta la vida útil de los elementos electrónicos y su fiabilidad al reducir la posibilidad de que fallen los dispositivos. Permitir que se acumulen cantidades excesivas de energía afectaría negativamente al funcionamiento de los armarios y provocaría daños irreversibles.

En este artículo analizaremos el fenómeno de la refrigeración de armarios y, lo que es más importante, la necesidad de utilizar estos sistemas de refrigeración en electrónica. Los intercambiadores de calor o, más frecuentemente, las unidades de refrigeración de armarios suelen emplearse para dispositivos sensibles.

¿Qué es la refrigeración de armarios?

Los sistemas de refrigeración de armarios son un subconjunto de una amplia variedad de técnicas o tecnologías que se utilizan para eliminar el calor que se genera dentro de los armarios electrónicos. Estas cajas sirven para proteger los componentes sensibles del polvo, la humedad y otros factores ambientales.

Por desgracia, estos armarios eléctricos también pueden ser una fuente de acumulación de calor, lo que se traduce en temperaturas más altas que pueden ser perjudiciales para el rendimiento de los componentes electrónicos. Los sistemas de refrigeración de armarios están diseñados para separar los compartimentos de la calefacción y modular el calor climático interno a la temperatura más adecuada para el sistema.

El comportamiento que adoptará una envolvente en circunstancias de exceso de calor viene determinado por el tamaño y la configuración de la envolvente, la cantidad de calor que producen los componentes y la temperatura del entorno. Algunos de los métodos que pueden emplearse para eliminar el exceso de temperatura interna en una carcasa mejorada son, entre otros, ventiladores, acondicionadores de aire, disipadores de calor y sistemas de transporte de líquidos,

Un artículo de la revista Electronics Cooling informó de que hasta un tercio (30%) de los fallos totales de los equipos electrónicos se deben a problemas térmicos, lo que ayuda a comprender la importancia de un buen diseño de la refrigeración de los armarios. Es un hecho que elegir la solución adecuada para encerrar un dispositivo refrigerado con el objetivo de que la electrónica funcione durante mucho tiempo está garantizado. La refrigeración de la carcasa reduce la probabilidad de daños en los componentes, aumenta la duración del funcionamiento del dispositivo e incrementa el rendimiento general.

Por qué es importante la refrigeración

La refrigeración de armarios es importante porque contribuye a garantizar que los dispositivos electrónicos funcionen como es debido durante más tiempo, sin fallos ni defectos. Como es bien sabido, el calor es uno de los factores más críticos para el nivel de fiabilidad de los componentes electrónicos. Las altas temperaturas comprometen la eficacia de los materiales, debilitan las soldaduras y exponen los circuitos a los elementos ambientales, acelerando así su envejecimiento. Los armarios equipados con dispositivos de refrigeración y sistemas de regulación del calor frenan eficazmente estas situaciones. Como resultado, los componentes se mantienen dentro de sus rangos funcionales de temperatura, donde pueden funcionar sin fallos, lo que favorece una vida útil óptima de los sistemas y reduce los costes de reparación y mantenimiento, además de aumentar la fiabilidad general del sistema.

Además, estas soluciones de refrigeración de armarios son fundamentales para garantizar que los sistemas electrónicos funcionen a pleno rendimiento en todo momento. Cuando las temperaturas se mantienen en los niveles recomendados, todas las piezas pueden rendir al nivel óptimo recomendado. En cualquier caso, cuando se sobrecalientan, esto invariablemente degradará el rendimiento, provocará fallos y errores en los datos, e incluso hará que el sistema sea inestable. La adopción de una estrategia eficaz de refrigeración de armarios reduce estos riesgos, lo que a su vez favorece un rendimiento eficaz continuo y evita tiempos de inactividad costosos para la empresa debido a problemas relacionados con la temperatura.

Asumiendo que los sistemas de refrigeración de armarios van a ser eficaces y fiables en condiciones duras, entonces los factores más importantes además de otros, la selección del mecanismo de refrigeración correcto es muy importante, ya sea convección natural, refrigeración por aire forzado , refrigeración líquida o disipadores de calor.

Soluciones de refrigeración habituales para armarios de electrónica

Para las cajas electrónicas se presentan varias estrategias de gestión térmica. La selección de una estrategia ideal depende de la carga térmica impuesta por los componentes, el tamaño de la caja y el entorno en el que se encuentra. Veamos algunas de las estrategias de gestión térmica de cajas:

Convección natural

Un método pasivo de refrigeración que se basa en el concepto de que el aire caliente asciende por encima del aire frío se denomina convección natural. Este método utiliza respiraderos pasivos situados dentro del recinto para expulsar el aire que se ha calentado y permite la entrada de aire exterior más frío.

En algunos casos, se añaden chimeneas pasivas o cualquier estructura que ayude a aumentar el caudal de aire para facilitar el movimiento del aire alrededor de la envolvente. Al ser una solución económica y simplista, el sistema es eficaz para recintos que producen un calor mínimo y proporciona una refrigeración suficiente para garantizar que el calor no supere un determinado nivel.

Sin embargo, es más adecuado para aplicaciones sensibles y que no requieran el uso de sistemas de ventilación activos, ya que sólo está homologado para diferenciales de presión bajos. Desde luego, no se recomienda para aplicaciones que requieran una electrónica de potencia superior a la media ni para recintos que funcionen en condiciones ambientales elevadas.

Refrigeración por aire forzado

En situaciones en las que la convección natural no es suficiente para la refrigeración, se aplica la refrigeración por aire forzado. Para ello, se instalan ventiladores en la carcasa que hacen circular el aire por los componentes mejorando la disipación del calor.

Según el método, se pueden utilizar varios tipos de ventiladores: los ventiladores axiales se pueden acoplar a los ventiladores centrífugos y los ventiladores soplantes se pueden canalizar fuera de la unidad. Los conjuntos de ventiladores, los filtros y la tecnología de conductos permiten un mejor flujo de aire y una mejor regulación uniforme de la temperatura en todo el recinto.

Esta técnica adaptable permite enfriar los componentes mejor de lo que permitiría la convección natural, reduciendo las posibilidades de sobrecalentamiento y evitando riesgos relativamente altos de fallo de los componentes.

Refrigeración líquida

Con la refrigeración líquida, un refrigerante líquido como el agua o cualquier otro refrigerante fluye a través de un sistema compuesto por tuberías o placas frías dentro de la carcasa de un dispositivo. A través de este proceso de enfriamiento, el calor retenido por los componentes se transfiere a través de un intercambiador de calor que luego lo libera a la atmósfera. Debido a la mayor capacidad de transferencia de calor que poseen los líquidos, no cabe duda de que la refrigeración líquida proporciona una capacidad de refrigeración muy superior a la de las soluciones basadas en aire. Esto es perfecto para recintos muy densos, componentes electrónicos potentes y cualquier sistema que requiera una gran regulación de la temperatura.

En un colector de sistemas de refrigeración líquida pueden intervenir sistemas de bombeo, depósitos, unidades de distribución de refrigerante y accesorios especiales. Sin embargo, la refrigeración líquida directa al chip es la mejor porque el refrigerante se coloca directamente sobre los componentes, lo que proporciona la refrigeración más eficaz. Otro método que, aunque más sencillo, sigue siendo útil es la refrigeración aire-líquido no dirigida, que cuenta con un intercambiador de calor refrigerado por líquido para enfriar el aire de la carcasa.

Disipadores de calor

Los disipadores de calor son dispositivos pasivos fabricados con aluminio o cobre que tienen una alta conductividad térmica. Estos dispositivos tienen la capacidad de eliminar el calor de los componentes mediante su contacto y, por tanto, aumentan la superficie disponible para la refrigeración. Al aumentar la superficie, el calor puede transferirse rápidamente al aire circundante, ya sea por convección natural o por aire forzado. Se han ideado diferentes patrones de aletas y sus disposiciones para mejorar el efecto de refrigeración del disipador de calor aumentando la superficie y el flujo de aire. Los disipadores de calor también se combinan con otros métodos, como la refrigeración por ventiladores, para producir un mayor efecto de refrigeración y enfriar las partes delicadas del dispositivo de forma más eficaz.

Método de refrigeración	Ventajas	Desventajas	Aplicaciones ideales
Convección natural	Rentable, sencillo.	Menos eficiente, insuficiente para la electrónica de alta potencia.	Carcasas de baja temperatura, mínima generación de calor.
Refrigeración por aire forzado	Más eficaz que la convección natural, soporta mayores cargas térmicas.	Requiere más energía que la convección natural, puede ser ruidosa.	Versátil, adecuado para una amplia gama de aplicaciones con cargas térmicas moderadas.
Refrigeración líquida	Gran capacidad de refrigeración, ideal para armarios de alta densidad.	Complejo, caro, requiere mantenimiento.	Se necesitan componentes electrónicos de alta potencia, carcasas de alta densidad y un control preciso de la temperatura.
Disipadores de calor	Mejora la eficacia de la refrigeración, puede utilizarse con otros métodos.	Capacidad de refrigeración limitada por sí sola.	Se utiliza junto con otros métodos para mejorar la refrigeración.

Factores que afectan a la refrigeración del armario

Varios factores influyen significativamente en la eficacia de los sistemas de refrigeración de armarios. Comprender estos factores es crucial para diseñar y aplicar una solución de refrigeración óptima que garantice la longevidad y el rendimiento de sus equipos electrónicos.

Diseño del recinto

El diseño de la carcasa, incluidos su tamaño, forma y composición del material, desempeña un papel fundamental en la gestión eficaz del calor. Las carcasas con mayor superficie tienen mayor capacidad de disipación del calor. Por ejemplo, una carcasa más grande puede ofrecer más oportunidades para el flujo de aire y el intercambio de calor, lo que es fundamental para evitar la acumulación de calor en el interior.

Tamaño y forma: Los armarios compactos o de formas irregulares pueden restringir el flujo de aire y atrapar el calor en su interior. Por el contrario, los armarios rectangulares o cuadrados permiten un flujo de aire más uniforme y son más fáciles de refrigerar. La disposición interna de la caja también es importante; los componentes bien espaciados permiten una mejor circulación del aire de refrigeración.

Selección de materiales: Los materiales con alta conductividad térmica, como el aluminio, son los preferidos para las carcasas, ya que facilitan una mejor transferencia del calor. Metales como el aluminio o el cobre se utilizan a menudo porque permiten transferir el calor de los componentes internos al entorno externo de forma más eficiente. Por ejemplo, el aluminio tiene una conductividad térmica de unos 205 W/mK, lo que lo hace ideal para la disipación del calor.

Una carcasa de refrigeración bien diseñada garantiza la optimización del flujo de aire y la eliminación eficaz del calor. Además, el uso de disipadores de calor y almohadillas térmicas puede contribuir a reducir la temperatura en el interior de la carcasa.

Temperatura ambiente

La temperatura ambiente -la temperatura del entorno- afecta directamente a la capacidad del sistema de refrigeración para disipar el calor. Este factor es crucial porque la diferencia entre la temperatura del interior del armario y la del entorno (conocida como diferencial de temperatura) es la que impulsa el proceso de disipación del calor.

Altas temperaturas ambiente: A medida que aumenta la temperatura ambiente, disminuye el diferencial de temperatura entre el interior del armario y el entorno, lo que dificulta que los sistemas de refrigeración mantengan un intercambio de calor eficaz. Por ejemplo, en entornos industriales o aplicaciones al aire libre, donde las temperaturas pueden superar los 40 °C, los sistemas de refrigeración tradicionales basados en ventiladores pueden tener dificultades para proporcionar una refrigeración adecuada.

Limitaciones de refrigeración: Si la temperatura ambiente es significativamente superior a la temperatura interna del armario, puede ser necesario recurrir a métodos de refrigeración adicionales, como sistemas de aire acondicionado o refrigeración líquida. Por ejemplo, los centros de datos suelen funcionar a una temperatura ambiente controlada de unos 20-22 °C para mantener unas condiciones óptimas para los equipos electrónicos.

Conocer las condiciones ambientales locales, incluidas las variaciones estacionales de temperatura y la exposición a fuentes de calor, es fundamental a la hora de diseñar un sistema de refrigeración.

Densidad de los componentes

El número y tipo de componentes electrónicos dentro de la caja son factores clave para determinar la carga térmica total generada. Una mayor densidad de componentes conlleva una mayor generación de calor, lo que requiere una solución de refrigeración más potente o sofisticada.

Carga térmica: Cada componente electrónico genera una cierta cantidad de calor en función de su consumo de energía. Por ejemplo, una CPU de alto rendimiento o una fuente de alimentación (PSU) pueden generar calor a razón de 10-30 W por unidad, en función de su carga de trabajo. En los armarios de alta densidad, donde se alojan numerosos componentes de alta potencia, el calor total generado puede superar rápidamente la capacidad de las soluciones básicas de refrigeración.

Estrategias de gestión térmica: Los armarios de alta densidad pueden requerir estrategias de refrigeración avanzadas, como sistemas de refrigeración activos (ventiladores o sopladores), refrigeración líquida o tecnología de tubos de calor. Por ejemplo, en los centros de datos, donde los componentes como servidores, routers y dispositivos de almacenamiento están densamente empaquetados, los sistemas de refrigeración están diseñados para gestionar cargas térmicas de 5 kW o más por rack. En cambio, los armarios más pequeños, como los utilizados para la electrónica de consumo, pueden necesitar sólo soluciones de refrigeración pasiva como disipadores de calor o pequeños ventiladores.

Para determinar los requisitos de refrigeración, es esencial un análisis cuidadoso de la carga térmica específica generada por cada componente. Los sistemas de refrigeración de armarios eficaces tienen en cuenta estas cargas y diseñan una distribución del flujo de aire que maximiza la eficiencia de la refrigeración.

La clave para una refrigeración eficiente: Elegir el ventilador adecuado

Ventiladores: el corazón de los sistemas de refrigeración de armarios

Hay muchos tipos diferentes de sistemas de refrigeración, uno de ellos es el sistema de refrigeración por aire forzado, que utiliza ventiladores para funcionar. Son componentes integrales del sistema de refrigeración que ayudan a transportar el calor de las partes sensibles de los dispositivos gracias al flujo de aire que crean. Si no se selecciona un ventilador de refrigeración adecuado, el equipo no podría recalentarse debido al sobrecalentamiento y otros problemas que harían que fallaran en sus métricas de fiabilidad. Por este motivo, seleccionar un ventilador de armario adecuado es fundamental para conseguir la máxima eficacia de todo el sistema de refrigeración.

Los ventiladores de refrigeración de armarios tienen muchos atractivos y ventajas por lo que son muy populares entre los dispositivos electrónicos. He aquí algunas de ellas: Proporcionan ventajas añadidas a otros sistemas de refrigeración, como la refrigeración pasiva o los disipadores de calor, o los sistemas de refrigeración líquida.

Rentabilidad y eficiencia energética: Normalmente, los ventiladores de refrigeración, en comparación con las unidades de refrigeración o los sistemas de refrigeración líquida, son mucho más baratos tanto a nivel de capital como de instalación. Además, no requieren una gran cantidad de electricidad, especialmente los ventiladores DC o EC, lo que los hace ideales para la mayoría de los recintos.

Transferencia de calor rápida y eficaz: Proporcionan convección forzada empujando el aire hacia las partes internas de la caja y se conocen como "ventiladores" de refrigeración. Esto aumenta la eficacia de la transferencia de calor, ya que la convección forzada es más eficaz que la convección natural, como ocurre en las técnicas de refrigeración pasiva.

Integración y modificación mejoradas: La mayoría de los aparatos de refrigeración por ventilador se pueden instalar sin problemas en cualquier configuración de armario con la ayuda de numerosos métodos de montaje (ventiladores axiales, centrífugos o sopladores). También varían en tamaño, por lo que es fácil encontrar un ventilador que cumpla las especificaciones de su sistema.

Compacto y ahorra espacio: A diferencia de los sistemas de refrigeración líquida, que pueden requerir grandes bombas, tuberías y radiadores, los ventiladores de refrigeración son compactos y pueden integrarse incluso en las carcasas más pequeñas.Sus ventajas de espacio los hacen muy útiles cuando hay restricciones de tamaño muy ajustadas, como en la electrónica de consumo, los dispositivos médicos y las máquinas industriales.

Innovadores ventiladores ACDCFAN para armarios de distribución

ACDCFAN dispone de una serie de ventiladores fabricados para satisfacer las necesidades de refrigeración de cualquier armario. Ofrecemos una amplia gama de tipos de ventiladores Ventilador axial de CA, ventilador centrífugo de CA (también conocido como radial), Ventilador axial de CC, ventilador radial de CC, Ventilador axial EC. Con estas amplias categorías, están en condiciones de admitir distintos tamaños de armarios, caudales de aire necesarios y potencias.

Una de las principales ventajas de ACDCFAN es la posibilidad de personalizar sus productos. Nuestros servicios de personalización son bastante flexibles, lo que significa que los ventiladores pueden fabricarse de acuerdo con las especificaciones de la aplicación. Esto incluye personalizaciones de ventiladores como, por ejemplo, dimensiones del ventilador, forma/diseño del ventilador, tensión de funcionamiento, caudal de aire y otros factores significativos. Esta flexibilidad es especialmente útil cuando se utiliza un tipo específico o un tipo de recinto especializado o en condiciones de funcionamiento severas.

Tanto si tiene un armario electrónico pequeño como un armario industrial grande que necesita refrigeración, ACDCFAN puede ayudarle a diseñar y fabricar el espacio que necesita. Su capacidad para intervenir en todo tipo de armarios y en todas las necesidades de refrigeración nos convierte en un buen socio para las soluciones de gestión térmica.

Conclusión

En toda solución de refrigeración de armarios es vital disipar el calor generado por los componentes electrónicos para garantizar su normal funcionamiento durante mucho tiempo. Existen varias técnicas de refrigeración, como la convección natural para sistemas pequeños generadores de calor y la refrigeración líquida para sistemas de gran potencia. En función de la geometría de la caja, la atmósfera circundante y la compacidad de los componentes, se selecciona un método de refrigeración adecuado.

La implantación de un sistema adecuado de refrigeración de la caja y la correcta elección de los ventiladores de refrigeración de la caja son dos factores iniciales y cruciales para mantener las temperaturas de funcionamiento de los dispositivos y prolongar su vida útil. Otros accesorios que ayudan a la refrigeración son los refrigeradores termoeléctricos y los compresores de CC.

El establecimiento de sistemas eficaces de refrigeración de armarios permitiría a las empresas reducir las costosas averías y mejorar el funcionamiento de los sistemas junto con la protección de importantes dispositivos electrónicos. La elección de un sistema de refrigeración de armarios adecuado mejorará significativamente el rendimiento de una organización que dependa en gran medida de equipos electromecánicos. La gestión de la energía debería ser siempre la máxima prioridad, ya que garantizaría un mejor control de los activos de una empresa y un rendimiento constante.

Preguntas

¿Cómo puedo determinar el tamaño adecuado de un sistema de refrigeración de armarios para mis necesidades?

Los factores que determinan la capacidad de un sistema de refrigeración de armarios pueden ser numerosos. Un factor importante a este respecto son las cargas térmicas producidas por los componentes internos del armario. También influyen la ubicación y la temperatura dentro de la caja, así como los aspectos ambientales. Para determinar los requisitos de refrigeración de una aplicación concreta, se puede optar por consultar a profesionales de la refrigeración o emplear programas de modelado térmico.

¿Existen opciones energéticamente eficientes para los sistemas de refrigeración de armarios?

Sí, hay bastantes unidades de suministro que pueden utilizarse para refrigerar un armario de forma eficiente. Los ventiladores de velocidad variable y temperatura controlada pueden reducir fácilmente el consumo de energía funcionando a velocidades más bajas cuando no se necesita toda la potencia de refrigeración. Los diseños de ventiladores que son compactos y ligeros pero funcionan a altas capacidades necesitan menos energía.

Además, pueden controlar los ángulos del rotor EC y las corrientes del motor, lo que convierte a los ventiladores conmutados electrónicamente (ventiladores EC) en una solución de gran rendimiento y ahorro energético. Pueden funcionar como AC o como DC, pero combinan las dos tecnologías permitiendo una velocidad controlada y, por tanto, una eficiencia bastante alta. Al utilizar la electrónica integrada para accionar el motor, los ventiladores EC reducen el consumo de energía y la pérdida de calor mucho más que los ventiladores de CA estándar. Esto los convierte en un diseño fiable y energéticamente eficiente aplicable a una amplia gama de sistemas de refrigeración de armarios.

En la carcasa que disipa el calor, encender los ventiladores de refrigeración y optimizar la configuración también puede ser eficiente desde el punto de vista energético. En particular, los refrigeradores termoeléctricos son bastante eficientes desde el punto de vista energético en carcasas pequeñas o cuando sólo se requiere la refrigeración de algunas piezas.