Qu'est-ce que le refroidissement par air pulsé et pourquoi en avez-vous besoin ?

Le refroidissement passif et le refroidissement actif sont les deux armes majeures dans le monde de la gestion thermique, dont nous disposons pour combattre cet ennemi. Les moyens d'approche passifs sont beaux dans leur simplicité, mais ils approchent vite des limites. Dès que la charge thermique devient sérieuse, il faut faire appel au refroidissement par air forcé : le refroidissement par air forcé.

Ce document aborde les bases de ce système de refroidissement efficace. Nous parlerons de ce qu'il est, de la différence avec un système passif, de ses principaux éléments (tels que la centrale de traitement d'air et le ventilateur de soufflage) et des utilisations urgentes sans lesquelles il n'aurait tout simplement pas pu exister. Et surtout, nous nous aventurerons dans le choix de l'élément le plus important de ce système de refroidissement : le ventilateur. le ventilateuret comment rechercher un partenaire pour faire fonctionner votre projet.

Qu'est-ce que le refroidissement par air pulsé ?

Fondamentalement, le refroidissement par air forcé (également appelé refroidissement par air actif ou convection forcée) est une méthode de gestion thermique qui implique un système mécanique forçant un fluide (dans ce cas, de l'air) à circuler sur une surface chaude, régulant ainsi la température de l'air.

Ce mouvement forcé a un effet de transfert de chaleur considérable. Comment ? Tout ce qu'il reste à faire, c'est d'appliquer un concept appelé coefficient de transfert de chaleur par convection (h).

Dans un système passif, la circulation de l'air se fait uniquement par convection naturelle, c'est-à-dire que l'air chaud a une densité plus faible, il s'élève donc naturellement et, ce faisant, attire l'air frais à sa place. Il s'agit d'un processus lent et le coefficient de transfert de chaleur est faible.

Un système à air pulsé ne permet pas à la nature de suivre son cours. Il s'agit d'un processus continu par lequel, en poussant mécaniquement l'air à grande vitesse, on remplace la couche d'air chaude et stagnante, et donc la couche limite de la surface, par de l'air frais et refroidi. Ce mouvement peut augmenter le coefficient de transfert de chaleur de 10 à 100 fois plus que celui de la convection naturelle et permet à un système donné de refroidir un composant de même taille avec beaucoup plus de chaleur.

En quoi le refroidissement par air forcé diffère-t-il des systèmes de refroidissement passifs ?

L'une des décisions initiales les plus importantes que prend un ingénieur est celle qui concerne le refroidissement passif ou actif. Le refroidissement passif est silencieux et non alimenté (il ne nécessite pas d'énergie), et très fiable (il n'y a pas de pièces mobiles). Mais il n'est efficace que dans une certaine plage de température ambiante et dans un espace physique immense.

Le refroidissement par air forcé est utilisé lorsque le refroidissement passif n'est plus en mesure d'atteindre la puissance thermique de calcul (TDP), c'est-à-dire le transfert de chaleur maximal qu'un composant (tel qu'un processeur ou un processeur graphique) est capable d'effectuer.

Les éléments indispensables d'un système de refroidissement par air pulsé

Bien que l'idée ne soit pas complexe, un système efficace dépend d'un certain nombre d'éléments qui doivent être en harmonie. C'est le cas d'un énorme système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) domestique et d'un boîtier électronique.

Ventilateurs et soufflantes

C'est ce que l'on appelle le moteur du système d'air, la partie fonctionnelle.

• Ventilateurs axiaux : Ils sont les plus répandus et ressemblent à des hélices. Ils transportent une grande masse d'air (CFM élevé, ou pieds cubes par minute) latéralement par rapport à la direction du ventilateur. Ils conviennent bien aux applications à faible impédance où le passage de l'air est clair et dégagé.
• Ventilateurs (ventilateurs centrifuges) : Ils recirculent l'air au centre et l'évacuent à 90 degrés. Ils transportent une plus petite quantité d'air mais à haute pression. Ils sont nécessaires pour les tâches à haute impédance (haute résistance), comme forcer l'air à travers un rack très dense de lames de serveur ou un conduit long et étroit.

Pour en savoir plus différences entre les ventilateurs axiaux et les soufflantesPour en savoir plus, consultez notre blog précédent !

Conduits et filtres à air

C'est le "chemin" ou système de distribution de l'air. L'air a une respiration paresseuse ; il ne peut jamais passer par le chemin de moindre résistance.

• Conduits (ou chicanes) : Il s'agit du réseau de conduits (ou de gaines d'air) qui passe dans vos murs dans un système CVC. Dans un châssis électronique, il peut s'agir de déflecteurs en plastique ou en métal, de protections, voire des parois du boîtier elles-mêmes. Ils ont pour tâche de guider l'air de manière à ce qu'il aille exactement là où il est nécessaire sans aucune forme de contournement, où l'air froid passe sans même entrer en contact avec la partie chaude.
• Filtres à air : Les filtres à air d'une maison garantissent la qualité de l'air intérieur et sont capables d'éliminer les polluants de l'air intérieur. Ils ne peuvent être plus importants dans un centre de données ou une armoire industrielle : ils protègent le matériel. La poussière est un isolant et un conducteur électrique. Une couche de poussière peut limiter considérablement le refroidissement et provoquer un court-circuit. C'est la raison pour laquelle la filtration de l'air est l'un des principaux aspects de l'entretien de routine.

L'"interface" : Dissipateurs de chaleur (radiateurs)

Il s'agit d'un échangeur de chaleur communément appelé point de transfert. Une puce CPU chaude et petite n'a pas beaucoup de surface pour dissiper sa chaleur dans l'air. Un bloc passif de métal hautement conducteur de chaleur (dans la plupart des cas, de l'aluminium ou du cuivre) contenant de nombreuses ailettes est appelé dissipateur thermique. Il provoque simplement une amplification massive de la surface, ce qui donne à l'air en mouvement un vaste quai pour exploiter la chaleur.

Puits de chaleur dans un système à air pulsé peuvent être dotés d'ailettes beaucoup plus denses, serrées les unes contre les autres, car le ventilateur exerce une pression suffisante pour pousser l'air à travers les puits, ce que la convection naturelle ne pourrait jamais faire.

Pourquoi en avez-vous besoin ? Principaux avantages et bénéfices

Cela s'explique principalement par le fait que le refroidissement par air forcé est nécessaire en raison de la puissance. Le flux de chaleur (chaleur/unité de surface, ou W/cm2) diminue au fur et à mesure que l'on augmente les performances des petits appareils.

1. Meilleure dissipation de la chaleur : C'est le principal avantage. La charge thermique qu'un système à air pulsé conçu peut gérer est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d'une solution uniquement passive ; il est donc possible d'utiliser des processeurs, des FPGA et des blocs d'alimentation puissants.
2. Densité de puissance et miniaturisation accrues : Grâce à l'efficacité de l'air forcé, il est possible d'assembler les composants de manière beaucoup plus serrée. Cela permet d'obtenir la densité de puissance étonnante des serveurs 1U "pizza box", des petites têtes radio 5G et des équipements médicaux de grande puissance. En son absence, le refroidissement passif de ces appareils nécessiterait une taille 5 à 10 fois supérieure.
3. Contrôle thermique précis : Un système passif est à la merci de l'environnement, alors qu'un système actif peut être contrôlé. L'utilisation de ventilateurs intelligents avec commande PWM (Pulse Width Modulation) peut permettre à un système d'augmenter la vitesse du ventilateur lorsque la charge est élevée (par exemple pendant le traitement des données) et de réduire la vitesse lorsque la charge est faible (par exemple la nuit). Cela permet d'améliorer l'efficacité énergétique, de réduire le bruit et d'augmenter la durée de vie du ventilateur.

Où trouver le refroidissement par air forcé

Il s'agit d'un terme à double sens qui désigne deux mondes très différents, mais tout aussi importants l'un que l'autre.

CVC à domicile

C'est l'application à laquelle vous êtes le plus souvent habitué. Le système de chauffage et de refroidissement domestique le plus répandu est un système à air pulsé, communément appelé air central. Il repose sur une unité centrale, généralement un appareil de chauffage (qui peut fonctionner au gaz naturel) ou une pompe à chaleur, ainsi que sur un ventilateur qui pousse l'air chaud ou l'air froid dans une série de conduits qui sont acheminés vers les différentes pièces afin que la température puisse être contrôlée avec précision. Ce type de système se distingue nettement des anciens systèmes de chauffage par rayonnement.

Serveurs et centres de données

C'est l'exemple type d'une gestion thermique aux enjeux considérables. Un rack de serveurs est capable de consommer plus de 50 kW de puissance, soit plus de 10 maisons réunies, sur quelques mètres carrés. Cette chaleur doit être évacuée. Dans ce cas, le refroidissement par air forcé fonctionne à plusieurs niveaux :

• En interne dans le serveur : Plusieurs petits ventilateurs à haute pression poussent l'air dans une direction bien précise entre les CPU et la mémoire (d'avant en arrière).
• Dans le rack : Ce flux d'air peut être facilité par des ventilateurs de refroidissement plus puissants.
• Ce qu'il y a à l'intérieur de la salle : Les unités CRAC (Computer Room Air Conditioner) sont ce que l'on appelle les poumons de l'ordinateur. centre de donnéesL'air froid circule sous le plancher et l'air chaud est extrait de l'air chaud de l'allée chaude.

Télécommunications et infrastructure 5G

Cet équipement (comme les unités radio et les unités de bande de base) est souvent monté dans une armoire extérieure ou sur un pylône cellulaire à grande hauteur. Ces fermetures sont isolées des éléments (pluie, poussière, neige) mais grillent sous un soleil éblouissant.

Dans ce cas, le refroidissement par air forcé est un défi en termes de fiabilité. Les ventilateurs doivent fonctionner 24 heures sur 24 pendant une période de 10 ans, à des températures comprises entre -40 °C et 85 °C, et fournir une puissance de refroidissement élevée aux puces à haute puissance de traitement de la 5G.

Nouvelles énergies et automatisation industrielle

Imaginez les cerveaux d'une usine moderne (PLC), les convertisseurs d'énergie d'une ferme solaire (onduleurs) ou les contrôleurs du moteur d'un bras robotisé (VFD). Ces systèmes fonctionnent 24 heures sur 24 dans des conditions de poussière, d'humidité et de secousses. Les temps d'arrêt ne sont pas envisageables. Dans ce cas, ventilateurs de refroidissement à air pulsé sont également choisis non seulement en raison du débit d'air, mais aussi parce qu'ils sont robustes et ont une longue durée de vie.

Choisir le bon ventilateur : le cœur de votre système de refroidissement par air pulsé

Vous retrouverez le même thème dans toutes ces applications de haute technologie : le dissipateur thermique est l'interface, le châssis est la voie d'accès, mais le cœur est le ventilateur. C'est le composant actif le plus important, qui est critique, et sa défaillance entraîne la défaillance de tout le système.

Cependant, les ventilateurs sont une denrée rare dans de nombreuses équipes d'ingénieurs, où ils sont utilisés pour la plupart des activités de l'entreprise. le choix final des supporters qui se basent sur une simple valeur de CFM (débit d'air) et sur le prix. Il s'agit là d'une grave erreur. Le fonctionnement réel d'un ventilateur est bien plus complexe qu'un simple chiffre sur une fiche technique.

La fiche technique est un diagramme illustrant les performances maximales d'un ventilateur lors d'un test effectué sous une résistance nulle, dans un environnement à l'air libre. Mais votre application résiste à l'ensemble des filtres, des dissipateurs thermiques, des circuits imprimés et des coins étroits qui constituent l'"impédance du système". Un ventilateur bon marché revendiquant 100 CFM peut en réalité ne produire que 20 CFM lorsqu'il est installé dans votre châssis, et c'est ce qui provoque la surchauffe et la panne.

C'est sur cette base que votre fournisseur de ventilateurs est censé être un partenaire thermique. Ce n'est pas la valeur du composant qui est visée, mais vos connaissances spécifiques à l'application pour vous aider à choisir et à tester, et à mettre en pratique.

Comment ACDCFAN apporte de la valeur à votre application

C'est ici qu'ACDCFAN passe du statut de fournisseur à celui de partenaire thermique. Nous savons que dans les télécommunications, l'automatisation industrielle et d'autres applications critiques, la défaillance n'est pas envisageable. Nous nous attaquons au problème concret que rencontrent les ingénieurs :

• Fiabilité extrême : Nos ventilateurs à roulements à billes de haute précision ont une durée de vie de plus de deux ans. MTBF de plus de 70 000 heuresqui garantit la durée de vie à long terme dont votre système critique est censé avoir besoin.
• Survivre aux éléments : Notre système avancé de Ventilateurs conformes à la norme IP68 sont totalement étanches à la poussière et à l'eau, ce qui garantit des performances maximales dans des conditions de haute altitude, d'humidité élevée ou de forte poussière.
• Refroidissement intelligent et à la demande : Vous n'avez pas besoin d'un refroidissement à 100 %, 100 % du temps. Notre PWM à vitesse intelligente Les Digital permettent à nos clients de bénéficier d'un refroidissement à la demande, silencieux à faible charge, économe en énergie, et qui donne le meilleur de lui-même quand cela compte.
• Le bon ventilateur pour le bon travail : Nous ne sommes pas un fabricant à taille unique. Un riche Support OEM/ODM soutient notre gamme complète de ventilateurs AC, DC et EC. Nous n'intégrons pas votre conception dans notre ventilateur ; nous fabriquons un ventilateur selon votre conception.

Lorsque vous êtes confronté à un problème thermique complexe, vous n'avez pas besoin d'un simple catalogue. Il peut fournir une première solution thermique dans un délai de 10 jours.

Principales considérations de conception pour les ingénieurs

Lorsque vous élaborez votre stratégie de refroidissement par air pulsé, vous devez vous assurer que vous allez au-delà du ventilateur. Une conception efficace est une conception systémique.

1. Impédance du système (courbe P-Q) : C'est la première notion à assimiler. Elle ne dépend que de la pression différentielle, qui peut être établie par le ventilateur et contre l'opposition au mouvement de l'air. Tout châssis est résistant au flux d'air (impédance). Chaque ventilateur possède une courbe de performance (pression par rapport au débit d'air ou P-Q). Le point où votre système croise la courbe P-Q de votre ventilateur sera la performance réelle du ventilateur. Vous devez choisir un ventilateur dont l'efficacité maximale est proche de ce point particulier.
2. Chemin d'écoulement de l'air : Qu'arrive-t-il réellement à l'air ? Éliminez les voies de contournement, utilisez des déflecteurs et des caches. Veillez à ce qu'il n'y ait pas de zones mortes où l'air chaud stagne et recircule.
3. Bruit et vibrations : Le bruit acoustique est un problème de conception sérieux dans un environnement médical ou de bureau. Il peut être contrôlé par des ventilateurs plus grands et à rotation plus lente, des systèmes PWM intelligents ou des systèmes de roulements complexes.
4. Entrée et sortie : Forcez-vous l'air à entrer ou à sortir de la boîte (pression positive ou pression négative) ? La pression positive est préférable car il est plus facile de filtrer la seule et unique entrée pour s'assurer que le châssis est propre.

Conclusion

Le refroidissement par air forcé n'est pas simplement une caractéristique, c'est le facilitateur essentiel de la technologie moderne de haute performance. Cette technique est tout ce qui sépare une performance de pointe d'un effondrement thermique, qu'il s'agisse des centres de données qui alimentent notre nuage ou des systèmes industriels qui créent notre monde.

Cependant, l'élément le plus faible est la partie la plus importante d'un système. Le choix du ventilateur approprié - et du partenaire compétent pour vous aider à l'intégrer - n'est pas l'étape finale de votre conception. Elle en est le cœur.

Si vous souhaitez aller au-delà de la fiche technique et créer une solution thermique solide, stable et intelligente, notre équipe d'ingénieurs est prête à vous aider.