Soluciones de gestión térmica para la industria moderna

Introducción

En el panorama tecnológico avanzado de hoy en día, la búsqueda incesante de más potencia, velocidad y eficiencia ha dado lugar a un reto a menudo invisible pero crítico: el calor. Desde los potentes procesadores de los centros de datos en expansión hasta los compactos sistemas de baterías de los vehículos eléctricos, la gestión térmica eficaz ya no es una ocurrencia tardía en el diseño, sino un pilar fundamental de la industria moderna. El calor descontrolado puede degradar el rendimiento, comprometer la fiabilidad e incluso provocar fallos catastróficos en diversos sectores.

Esta guía está pensada para los ingenieros, diseñadores de productos y responsables de la toma de decisiones encargados de resolver estos retos térmicos. Exploraremos los principios básicos de la transferencia de calor, profundizaremos en los componentes esenciales de una amplia gama de soluciones de gestión térmica para diversas aplicaciones, compararemos distintos enfoques y destacaremos a los principales actores del sector que ofrecen soluciones avanzadas de gestión térmica. Nuestro objetivo es proporcionarle una hoja de ruta clara y completa que le ayude a navegar por este complejo campo y a tomar decisiones informadas que mejoren el rendimiento y la longevidad de sus productos.

¿Qué son las soluciones de gestión térmica en la industria moderna?

En esencia, un gestión térmica es un sistema diseñado y fabricado que se utiliza para regular y enfriar la cantidad de exceso de calor producido por un dispositivo o procesos mecánicos para permitir que mejore dentro de su rango de temperatura ideal. Se trata de una forma integral que se ocupa de conocer cómo se produce el calor, la dirección que toma así como la forma más óptima de transmitirlo al entorno para garantizar un funcionamiento fiable. Las soluciones suelen incluir tecnología avanzada de transferencia de calor basada en el sistema en general para proporcionar la máxima fiabilidad y una alta eficiencia energética.

La ciencia de la transferencia de calor

Hay tres principios básicos de transferencia de calor, que rigen todos los lugares de soluciones de gestión térmica. Un diseño eficaz consolida ingeniosamente los tres.

• Conducción: consiste en el transporte directo de calor entre dos cuerpos sólidos. El calor se desplaza de los lugares calientes a los fríos de la misma manera que la electricidad viaja por un cable. Un ejemplo en un entorno de fabricación es cuando el flujo de calor a través de un material de interfaz térmica hacia un disipador térmico de aluminio es provocado por un procesador que se calienta. La conductividad térmica de un material define la eficacia de la conducción.
• Convección: Se puede definir como la transferencia de calor por el movimiento de fluidos (líquidos o gases). En la convección forzada, un ventilador sopla aire portador de calor alrededor de un disipador. La convección natural tiene lugar cuando el aire más ligero encuentra su camino hacia arriba debido a su calor. La convección define la mayoría de los sistemas de refrigeración, en los que se lleva a cabo el proceso de transferencia de calor del aparato al resto del entorno.
• Radiación: Se trata del movimiento del calor en forma de ondas electromagnéticas y sobre todo en los rayos infrarrojos. El cerramiento con acabado negro mate va a irradiar más y será mejor que uno metálico y brillante. Aunque la radiación suele ser un subproducto menor en la refrigeración por aire forzado, constituye un añadido importante en los sistemas sellados o en los recipientes al vacío donde no pueden producirse transportes.

¿Por qué son importantes?

No se puede sobrestimar el valor de una estrategia térmica sólida. Influye directamente en tres importantes pilares del éxito del producto:

• Rendimiento: Los componentes electrónicos, como la GPU y la CPU, están pensados para funcionar dentro de un determinado rango de temperaturas. También incluyen mecanismos de autopreservación cuando se sobrecalientan para evitar daños, y estos incluyen el estrangulamiento térmico entre otros, de ahí que ralenticen en gran medida la velocidad de procesamiento. Un estudio realizado por Google sobre los servidores de sus centros de datos en 2020 demostró que pequeños cambios de temperatura provocaban una disminución apreciable del rendimiento.
• Fiabilidad Vida útil: Uno de los principales factores del envejecimiento de los componentes es el calor. La ecuación de Arrhenius, una de las piedras angulares de la ingeniería de fiabilidad, sostiene que un aumento de temperatura de 10 o C en el funcionamiento de un dispositivo electrónico puede reducir su vida útil en 50 % o más. Esto significa que la gestión térmica es directamente una inversión para la durabilidad del producto y para reducir las garantías a largo plazo de los componentes electrónicos críticos, que pueden alimentar sistemas vitales.
• Seguridad: La seguridad, por ejemplo en la batería de un vehículo eléctrico o en equipos médicos, depende de la gestión térmica. Un aumento incontrolado del calor provocaría el "desbocamiento térmico", que podría causar un incendio o una explosión de las baterías de iones de litio. También debe haber sistemas de refrigeración eficientes que ayuden a evitar esos peligros y a mantener la cantidad de energía utilizada en niveles seguros y sostenibles.

Retos comunes de la gestión térmica en la industria

Los ingenieros siempre se enfrentan a una serie de retos a la hora de diseñar sistemas de refrigeración eficientes. Conocer estos retos principales será el paso inicial para encontrar una solución resistente.

Superar las altas temperaturas ambientales

La temperatura (ambiente) que rodea a la mayoría de las instalaciones industriales, incluidos los suelos de las fábricas, los recintos exteriores o los lugares de perforación de pozos, ya es alta de por sí. Esto disminuye la diferencia de temperatura (ΔT) entre el dispositivo y su entorno, y es mucho más difícil encontrar una forma viable de permitir que el calor se disipe de forma natural. Una solución perfectamente aceptable en un laboratorio a 25 °C puede ser desastrosa en una instalación desértica a 50 °C, donde se convierte en una actividad de misión crítica lidiar con el calor sobrante.

Limitaciones de la propagación del calor

El mundo de la electrónica moderna es cada vez más pequeño en tamaño pero potente en contenido. Esto provoca puntos calientes, es decir, regiones con un flujo de calor elevado y concentrado. No sólo es un problema de eliminar el calor general, sino también de sacar el calor de un troquel pequeño (como una CPU) y repartirlo por una zona más amplia donde se acumula. Así, las temperaturas locales pueden dispararse aunque la temperatura media del dispositivo sea relativamente suave.

Limitaciones materiales y problemas de rendimiento

El movimiento del calor viene determinado por los materiales con los que está fabricado un determinado producto. Las carcasas de plástico son un buen aislante que atrapa el calor. Los metales conducen aún mejor, pero hay que tener en cuenta el peso, el coste y la complejidad de fabricación. Además, la resistencia térmica debida a la interfaz entre componentes (por ejemplo, un chip y su disipador de calor) dificulta el flujo de calor. Estas barreras de material e interfaz son eternos problemas de ingeniería que tienen francas implicaciones en el rendimiento térmico del sistema en su conjunto.

Componentes básicos de las soluciones de gestión térmica

Una solución térmica total suele ser un conjunto de varias piezas que tienen funciones diferentes. Las hay que se clasifican más comúnmente como pasivas o activas, y la forma en que se utilizan garantiza una correcta gestión térmica del sistema en su conjunto.

Componentes de refrigeración pasiva: La base de la disipación del calor

Los componentes pasivos no utilizan energía externa, por lo que sólo intervienen los principios de conducción y de convección/radiación natural. Estos elementos suelen ser la principal protección contra el calor excesivo cuando la fuente de alimentación del sistema es limitada.

• Disipadores de calor: Los elementos pasivos más comunes serían el disipadores de calor. Son piezas en forma de cubo (de aluminio o cobre) que se tallan con aletas para que tengan una superficie mucho mayor para transferir el calor al aire. Se suelen emplear para refrigerar las piezas importantes, como la CPU, la GPU y los transistores de potencia.
• Tubos de calor y cámaras de vapor: Son dispersores de calor de alta eficacia. Mantienen el fluido de trabajo en un recipiente sellado al vacío. El líquido se enfría por el calor para vaporizarse, y gravita hacia la corriente de menor temperatura para condensarse y, posteriormente, volver por el camino de la fuente de calor. Pueden transportar el calor con una conductividad térmica muy buena, cientos de veces superior a la del cobre sólido, por lo que suelen ser esenciales para facilitar el estricto control de las temperaturas que exigen los diseños miniaturizados.
• Materiales de interfaz térmica (TIM): Dos superficies sólidas nunca están en contacto perfecto a nivel microscópico, ya que tienen hendiduras llenas de aire con capacidad para enfriar cualquier cosa. Estas hendiduras se sellan normalmente con TIM, que pueden ser grasa térmica, almohadillas o adhesivos para proporcionar una vía conductora entre un elemento calefactor y su disipador de calor. Ayudan a reducir la resistencia térmica y mejoran el rendimiento total de la transferencia de calor.

Componentes activos de refrigeración: Aumento del rendimiento térmico

Los componentes activos consumen energía externa para proporcionar una capacidad de eliminación de potencia mucho mayor, lo que hace necesario su uso en una aplicación en la que las aplicaciones de potencia media a alta quedarían fuera de las capacidades de eliminación térmica de los componentes pasivos por sí solos, debido a la acumulación excesiva de calor.

• Ventiladores y sopladores: Son el núcleo de la mayoría de los sistemas activos de refrigeración por aire. También provocan la convección forzada del flujo de aire, y esto aumenta drásticamente la cantidad de calor eliminado por un disipador de calor. Un ventilador axial produce un flujo de aire a lo largo del eje de rotación (que es favorable en la mayoría de los flujos de aire en general), y un soplador (o ventilador centrífugo) expulsa o fuerza el aire en una dirección de 90 grados, produciendo una mayor presión para superar la impedancia del sistema en carcasas poco espaciadas. Un uso eficaz del control de temperatura requiere selección y colocación.
• Sistemas de refrigeración líquida: Los niveles extremadamente altos de cargas térmicas utilizan refrigeración líquida en sistemas de líquidos. Una fuente de calor utiliza una placa fría conectada a un líquido refrigerante (como una fórmula de glicol o agua). A continuación, este fluido caliente pasa por un radiador donde un ventilador lo enfría, que a su vez se recircula. Un ejemplo de ello puede verse habitualmente en la informática de alto rendimiento, los láseres médicos y la refrigeración de baterías de vehículos eléctricos, donde es necesario refrigerar el componente concreto con suficiente transferencia de calor localizada para lograr una gestión térmica sin obstrucciones de todo el sistema.
• Refrigeradores termoeléctricos (TEC): También llamados dispositivos Peltier, son un tipo de dispositivo de estado sólido que actúa como una bomba de calor en miniatura. Cuando se aplica corriente continua, la mitad se enfría y la otra se calienta. Se aplican a fines de refrigeración puntual y suelen ser menos eficaces que los sistemas de compresión de vapor.

Elegir las soluciones de gestión térmica adecuadas: Una mirada comparativa

Seleccionar la solución adecuada implica un equilibrio entre rendimiento, coste, complejidad y fiabilidad. No existe una solución única para todos los casos, pero es fundamental entender las ventajas y desventajas.

Como se muestra en la tabla, la refrigeración forzada por aire se encuentra en el punto óptimo de una enorme cantidad de aplicaciones industriales y electrónicas. A un coste y complejidad asequibles, supone una importante mejora de rendimiento respecto a la refrigeración pasiva a un nivel de coste y complejidad manejable y no compromete el nivel de fiabilidad de los sistemas industriales. Esto hace que la selección de un ventilador adecuado sea una elección de diseño vital.

Principales proveedores de soluciones de gestión térmica

El mercado de proveedores puede resultar abrumador. Hay tres empresas que pertenecen a distintos puntos fuertes del ecosistema de gestión térmica para encontrar un socio que se adapte a sus requisitos exactos.

1. Vertiv

El mercado de proveedores puede resultar abrumador. Hay tres actores principales en el panorama que vamos a destacar para hacerle comprender el panorama, que refleja un segmento diferente pero también importante dentro del escenario de la gestión térmica. Desde sistemas para toda la instalación hasta piezas flexibles de gran volumen y especialistas en la materia, el conocimiento de sus capacidades le guiará para encontrar el tipo de empresa adecuado que le ayude a resolver su problema específico.

Vertiv es muy competente a la hora de ofrecer sistemas de gestión térmica integrales y completos a sitios de misión crítica a escala comercial, como centros de datos, sitios de coubicación y redes de telecomunicaciones. Su línea de productos es enorme e incluye refrigeración por aire de precisión, sistemas de refrigeración líquida de gama alta y sistemas de control y supervisión capaces de optimizar todo el ecosistema térmico para ofrecer la máxima eficiencia energética y fiabilidad.

Ofrecen varias líneas de productos establecidas, que son la refrigeración en hilera y perimetral orientada a aplicaciones de alta densidad. También lideran el proceso de refrigeración líquida de la informática de nueva generación, que proporciona unidades de distribución de refrigerante (CDU) y otras técnicas para hacer frente a la enorme generación de calor por parte de la IA y las cargas de trabajo de la informática de alto rendimiento (HPC).

Vertiv es la solución más adecuada para los responsables de la toma de decisiones a nivel empresarial, los operadores de centros de datos y los gestores de infraestructuras de TI que necesitan una solución térmica de gran potencia, escalable y altamente gestionada. Cuando su problema es refrigerar una sala, un edificio entero o un gran clúster de servidores concentrados y optimizar el coste de funcionamiento y el consumo de energía, la aplicación a nivel de sistema es insuperable con Vertiv.

2. Delta

Delta Group es una empresa mundial de gestión térmica y energética conocida por su larga experiencia en ingeniería y su enorme escala de producción.

Su gama de productos es muy amplia. Abarca ventiladores de alto rendimiento para vehículos de nueva energía, ventiladores ultraeficientes para edificios ecológicos inteligentes y soluciones térmicas para equipos de telecomunicaciones y servidores3. También ofrecen sistemas avanzados de control climático para armarios industriales, que protegen los delicados componentes electrónicos de las plantas de producción.

Los ingenieros y responsables de compras que necesitan una gran variedad de piezas térmicas fiables y de alta calidad para suministrar un gran número de productos necesitan a Delta como proveedor. No sólo a la hora de diseñar un nuevo ordenador portátil, sino también cuando se desea diseñar una estación base en el sector de las telecomunicaciones o una unidad de control de automoción, Delta proporciona todas las piezas que pueda necesitar y con una calidad de gran volumen que los convierte en un proveedor serio. Proporcionan la espina dorsal a las empresas que necesitan piezas establecidas, listas para usar o semipersonalizadas para incorporarlas a sus líneas de producción.

3. ACDCFAN

Aunque los problemas de los sistemas a gran escala se resuelven a escala de las instalaciones, numerosos problemas pueden superarse a nivel de los componentes. Para eso sirve un experto especializado como ACDCFAN. Tras haber dedicado más de dos décadas a la única tarea de desarrollar ventiladores de refrigeración de CA, CC y CE, ofrecen un punto culminante muy sólido a los diseñadores e ingenieros que meten la cabeza en el grado de tolerancia y rendimiento de los componentes.

• Fiabilidad y durabilidad superiores: La fiabilidad es esencial en las duras condiciones de las prácticas industriales. El ventilador ACDCFAN está diseñado para tener una vida útil garantizada de 70.000 horas a 40 °C. Están diseñados para ofrecer un tiempo medio entre fallos (MTBF) de más de 3 años, tres veces superior al estándar del sector, al proyectar la estabilidad del rendimiento durante largos periodos en aplicaciones exigentes a gran altitud.
• Material de alta construcción y rendimiento: ACDCFAN está fabricado con un marco de aleación de aluminio de excelente calidad con inserción de cobre, que proporciona un rendimiento de trabajo del ventilador más estable en un 30%. Junto con las certificaciones internacionales (CE, UL, RoHS), esta atención a la calidad del material hace que el rendimiento sea uniforme y fiable desde el primer momento.
• Soluciones para entornos hostiles: También son conscientes de que no todas las aplicaciones implican una sala blanca, por lo que ofrecen soluciones altamente protegidas hasta una clasificación IP68. Esto garantizará que sus ventiladores funcionen de forma fiable en entornos polvorientos, húmedos o mojados en los que las unidades normales se rendirían.
• Socio fiable: Al integrar esta calidad superior con sus precios moderados y asistencia flexible, ACDCFAN constituye un socio ideal para cualquier proyecto, independientemente de su tamaño. Ofrecen el know-how de las pequeñas empresas y la relación de trabajo necesaria para encontrar el componente de refrigeración por aire ideal para aplicaciones de gestión térmica, sin las limitaciones de producción en masa de los grandes proveedores.

Aplicaciones de la gestión térmica en distintos sectores

Fabricación de electrónica y semiconductores: En esta industria, la precisión es esencial. La gestión térmica garantiza la fiabilidad de los procesos de fabricación y hace que los productos acabados, desde el microchip más pequeño hasta el más grande, sean fiables. placas de circuitos impresos (PCB)estable. Es importante disponer de una refrigeración adecuada de los componentes importantes del equipo electrónico para evitar cualquier desgaste en el rendimiento, así como la estabilidad de trabajo a largo plazo del producto.

Sectores de automoción y transporte: La gestión térmica del automóvil es uno de los temas candentes provocados por la aparición de los vehículos eléctricos (VE). Desempeña un papel fundamental en salud de la bateríaEl control de la temperatura de los componentes electrónicos vitales, como los sistemas de electrónica de potencia y de control, se considera vital para garantizar la seguridad vial y el rendimiento. El control de la temperatura en componentes electrónicos vitales como la electrónica de potencia y los sistemas de control es lo que se considera vital para garantizar la seguridad y el rendimiento en carretera.

Aeroespacial, Defensa y Energías renovables: Los sectores aeroespacial, de defensa y de energías renovables son cruciales para las misiones en las que los sistemas deben funcionar a la perfección en condiciones extremas. Las soluciones térmicas desempeñan un papel importante en la refrigeración de aviónica sensible, electrónica de grado militar e inversores que se utilizan en plantas de energía solar y eólica.

Aplicaciones industriales: La robótica y la automatización en las fábricas, incluidas las máquinas herramienta pesadas, las aplicaciones industriales deben tener una buena gestión térmica para mantener el tiempo de actividad del sistema, aumentar la vida útil del equipo y evitar lesiones a los trabajadores en las condiciones de calor.

Conclusión

El control térmico ha pasado de ser una simple cuestión de colocar un disipador de calor a convertirse en una habilidad de ingeniería complicada y vital. De hecho, es un área en la que podemos buscar soluciones intermedias: rendimiento frente a coste, tamaño frente a fiabilidad. La solución más potente casi nunca es la más adecuada, pero sí la que mejor se adapta a la solución concreta, al entorno en el que opera y a los objetivos empresariales que alcanza.

En la mayoría de estas aplicaciones, un sistema de refrigeración por aire forzado correctamente diseñado sigue siendo la solución más sólida, fiable y económica. Si se planifican bien teniendo en cuenta todo el sistema y sus necesidades futuras, especialmente en lo que se refiere a los requisitos de refrigeración, estas soluciones de refrigeración eficientes pueden aportar muchos beneficios operativos y económicos.

Por eso, en el siguiente diseño le animamos a ir más allá de la hoja de especificaciones y ver el valor a largo plazo de su solución térmica. Cuando uno decide utilizar una fecha de calidad y una fuente de suministro comprometida a proporcionar calidad y consistencia junto con servicio y soporte, no solo está enfriando una pieza, está invirtiendo en el rendimiento, la durabilidad e incluso en el éxito general de su producto.