Introduzione
In termini di involucri elettronici, il raffreddamento degli involucri è definito come il controllo della temperatura degli spazi in cui sono presenti parti elettroniche per il calore che questi componenti potrebbero inviare o generare. L'importanza dei sistemi di controllo della temperatura si basa sulla necessità di raffreddare i componenti che altrimenti fonderebbero i fragili componenti elettronici a causa dell'elevata energia. I controlli della temperatura degli armadi sono il cuore degli armadi elettrici ed elettronici per garantire la massima efficienza.
Il raffreddamento degli armadi è fondamentale per preservare le prestazioni e la funzionalità di un sistema elettronico. In questo modo, i sistemi di raffreddamento degli armadi proteggono dai guasti dei componenti, dalla corruzione dei dati e persino dai tempi di inattività prolungati dovuti a condizioni di surriscaldamento. Una situazione del genere ha gravi conseguenze in ambienti difficili come quelli industriali, dove le apparecchiature funzionano per molte ore in condizioni difficili. Un buon sistema di raffreddamento per quadri elettrici aumenta anche la durata degli elementi elettronici e la loro affidabilità, riducendo la possibilità di guasti ai dispositivi. L'accumulo di quantità eccessive di energia avrebbe a sua volta un impatto negativo sul funzionamento degli armadi, causando danni irreversibili.
In questo articolo esploreremo il fenomeno del raffreddamento degli involucri e, soprattutto, la necessità di utilizzare tali sistemi di raffreddamento nell'elettronica. Gli scambiatori di calore o, più frequentemente, le unità di raffreddamento in armadio sono tipicamente utilizzati per i dispositivi sensibili.
Che cos'è il raffreddamento degli armadi?
I sistemi di raffreddamento degli involucri sono un sottoinsieme di un'ampia varietà di tecniche o tecnologie utilizzate per rimuovere il calore generato all'interno degli involucri elettronici. Questi involucri servono a proteggere i componenti sensibili da polvere, umidità e altri fattori ambientali.
Purtroppo, questi armadi elettrici possono anche essere una fonte di accumulo di calore, che si traduce in temperature più elevate che possono essere dannose per le prestazioni dell'elettronica. I sistemi di raffreddamento degli armadi sono progettati per separare gli scomparti dal riscaldamento e modulare il calore del clima interno a una temperatura più appropriata per il sistema.
Il comportamento di un involucro in caso di eccesso di calore è determinato dalle dimensioni e dalla configurazione dell'involucro, dalla quantità di calore prodotta dai componenti e dalla temperatura dell'ambiente circostante. Alcuni dei metodi che possono essere utilizzati per eliminare l'eccesso di temperatura interna di un involucro includono, ma non solo, ventilatori, condizionatori d'aria, dissipatori di calore e sistemi di trasporto di liquidi,
Un articolo della rivista Electronics Cooling riporta che fino a un terzo (30%) dei guasti totali delle apparecchiature elettroniche è dovuto a problemi termici, il che aiuta a comprendere l'importanza di una buona progettazione del raffreddamento dell'involucro. È un dato di fatto che scegliere la soluzione giusta per racchiudere un dispositivo raffreddato con l'obiettivo di garantire un lungo funzionamento dell'elettronica. Il raffreddamento dell'involucro riduce la probabilità di danneggiamento dei componenti, aumenta la durata di funzionamento del dispositivo e incrementa le prestazioni complessive.
Perché il raffreddamento degli armadi è importante
Il raffreddamento dell'involucro è importante perché contribuisce a garantire che i dispositivi elettronici siano in grado di funzionare come richiesto per un periodo di tempo più lungo senza guasti e difetti. Come è noto, il calore è uno dei fattori più critici per il livello di affidabilità dei componenti elettronici. Livelli elevati di temperatura compromettono l'efficacia dei materiali, indeboliscono le saldature ed espongono i circuiti agli elementi ambientali, accelerandone l'invecchiamento. Gli armadi dotati di dispositivi e sistemi di raffreddamento regolano efficacemente il calore in queste situazioni. Di conseguenza, i componenti vengono mantenuti nei loro intervalli di temperatura funzionali, dove possono operare senza malfunzionamenti, favorendo così una durata di vita ottimale dei sistemi e riducendo i costi di riparazione e manutenzione, oltre ad aumentare l'affidabilità complessiva del sistema.
Inoltre, queste soluzioni per il raffreddamento degli armadi sono fondamentali per garantire che i sistemi elettronici funzionino sempre al meglio. Quando le temperature sono mantenute ai livelli raccomandati, tutti i componenti sono in grado di funzionare al meglio. In ogni caso, il surriscaldamento delle parti peggiora invariabilmente le prestazioni, provoca errori e bug nei dati e persino l'instabilità del sistema. L'adozione di un'efficace strategia di raffreddamento degli armadi riduce questi rischi e, a sua volta, favorisce prestazioni efficaci e costanti, evitando tempi di inattività costosi per l'azienda a causa di problemi legati alla temperatura.
Partendo dal presupposto che i sistemi di raffreddamento degli armadi devono essere efficaci e affidabili in condizioni difficili, i fattori più importanti, oltre ad altri, sono la scelta del meccanismo di raffreddamento corretto, che si tratti di convezione naturale, raffreddamento ad aria forzata, raffreddamento a liquido o dissipatori di calore.
Soluzioni di raffreddamento comuni per gli involucri elettronici
Per i contenitori elettronici sono state presentate diverse strategie di gestione termica. La scelta della strategia ideale è influenzata dal carico termico imposto dai componenti, dalle dimensioni dell'involucro e dall'ambiente in cui si trova. Vediamo alcune delle strategie di gestione termica dell'involucro:
Convezione naturale
Un metodo passivo di raffreddamento che si basa sul concetto di risalita dell'aria calda sopra l'aria fredda è la convezione naturale. Questo metodo utilizza le bocchette passive situate all'interno dell'involucro per espellere l'aria riscaldata e consentire l'ingresso di aria esterna più fredda.
In alcuni casi, vengono aggiunti camini passivi o strutture che favoriscono l'aumento della portata d'aria per aiutare il movimento dell'aria intorno all'involucro. Essendo una soluzione semplicistica e a basso costo, il sistema è efficace per gli involucri che producono un calore minimo e fornisce un raffreddamento sufficiente a garantire che il calore non superi un certo livello.
Tuttavia, è più adatto per applicazioni sensibili e che non richiedono l'uso di sistemi di ventilazione attiva, poiché è classificato solo per bassi differenziali di pressione. È sicuramente sconsigliato per le applicazioni che richiedono un'elettronica di potenza superiore alla media e per le custodie che operano in condizioni ambientali elevate.
Raffreddamento ad aria forzata
Nelle situazioni in cui la convezione naturale non è sufficiente per il raffreddamento, si ricorre al raffreddamento ad aria forzata. A tal fine, vengono installate delle ventole nell'involucro per far circolare l'aria all'interno dei componenti, migliorando la dissipazione del calore.
A seconda del metodo, è possibile utilizzare vari tipi di ventilatori: i ventilatori assiali possono essere collegati ai ventilatori centrifughi e i ventilatori a soffiante possono essere canalizzati fuori dall'unità. I gruppi di ventilatori, i filtri e la tecnologia di canalizzazione consentono di migliorare il flusso d'aria e di regolare in modo più uniforme la temperatura all'interno dell'involucro.
Questa tecnica adattabile consente di raffreddare i componenti meglio di quanto permetterebbe la convezione naturale, riducendo le possibilità di surriscaldamento ed evitando rischi relativamente elevati di guasti ai componenti.
Raffreddamento a liquido
Con il raffreddamento a liquido, un refrigerante liquido come l'acqua o qualsiasi altro refrigerante scorre attraverso un sistema composto da tubi o piastre fredde all'interno dell'involucro di un dispositivo. Attraverso questo processo di raffreddamento, il calore trattenuto dai componenti viene trasferito attraverso uno scambiatore di calore che lo cede all'atmosfera. Grazie alla maggiore capacità di trasferimento del calore che i liquidi possiedono, non c'è dubbio che il raffreddamento a liquido offra una capacità di raffreddamento nettamente migliore rispetto alle soluzioni basate sull'aria. Questo è perfetto per involucri molto densi, elettronica potente e qualsiasi sistema che richieda una grande regolazione della temperatura.
I sistemi di pompaggio, i serbatoi, le unità di distribuzione del refrigerante e i raccordi speciali possono essere coinvolti in un collettore di sistemi di raffreddamento a liquido. Tuttavia, il raffreddamento a liquido diretto al chip è il migliore, perché il refrigerante viene collocato direttamente sui componenti, garantendo così il raffreddamento più efficace. Un altro metodo, più semplice ma comunque utile, è il raffreddamento non diretto aria-liquido, che prevede uno scambiatore di calore a liquido per raffreddare l'aria nell'involucro.
Dissipatori di calore
I dissipatori di calore sono dispositivi passivi realizzati in alluminio o rame che presentano un'elevata conduttività termica. Questi dispositivi hanno la capacità di rimuovere il calore dai componenti grazie al loro contatto e quindi di aumentare l'area disponibile per il raffreddamento. Grazie all'aumento dell'area, il calore può essere trasferito rapidamente all'aria circostante, utilizzando la convezione naturale o l'aria forzata. Per migliorare l'effetto di raffreddamento del dissipatore di calore, aumentando l'area e il flusso d'aria, sono stati ideati diversi modelli di alette e la loro disposizione. I dissipatori di calore vengono anche combinati con altri metodi, come il raffreddamento tramite ventole, per ottenere un effetto di raffreddamento maggiore e un raffreddamento più efficace delle parti delicate del dispositivo.
| Metodo di raffreddamento | Vantaggi | Svantaggi | Applicazioni ideali |
| Convezione naturale | Economico, semplice. | Meno efficiente, insufficiente per l'elettronica ad alta potenza. | Involucri a basso calore, generazione di calore minima. |
| Raffreddamento ad aria forzata | Più efficiente della convezione naturale, gestisce carichi di calore più elevati. | Richiede più energia rispetto alla convezione naturale, può essere rumoroso. | Versatile, adatto a un'ampia gamma di applicazioni con carichi termici moderati. |
| Raffreddamento a liquido | Elevata capacità di raffreddamento, ideale per gli armadi ad alta densità. | Complesso, costoso, richiede manutenzione. | È necessaria un'elettronica ad alta potenza, involucri ad alta densità, un controllo preciso della temperatura. |
| Dissipatori di calore | Migliora l'efficienza del raffreddamento, può essere utilizzato con altri metodi. | Capacità di raffreddamento limitata da sola. | Utilizzato in combinazione con altri metodi per migliorare il raffreddamento. |
Fattori che influenzano il raffreddamento dell'involucro
Diversi fattori influenzano in modo significativo l'efficacia dei sistemi di raffreddamento degli armadi. La comprensione di questi fattori è fondamentale per progettare e implementare una soluzione di raffreddamento ottimale che garantisca la longevità e le prestazioni delle apparecchiature elettroniche.
Design dell'involucro
Il design dell'involucro, comprese le dimensioni, la forma e la composizione dei materiali, svolge un ruolo fondamentale nella gestione efficace del calore. Gli involucri con superfici più ampie hanno una maggiore capacità di dissipare il calore. Ad esempio, un involucro più grande può offrire maggiori opportunità per il flusso d'aria e lo scambio di calore, che è fondamentale per evitare l'accumulo di calore all'interno.
Dimensioni e forma: Gli involucri compatti o di forma irregolare possono limitare il flusso d'aria, intrappolando il calore all'interno. Al contrario, gli armadi rettangolari o quadrati consentono un flusso d'aria più uniforme e sono più facili da raffreddare. Anche la disposizione interna dell'involucro è importante: componenti ben distanziati consentono una migliore circolazione dell'aria di raffreddamento.
Selezione del materiale: Per le custodie si preferiscono materiali ad alta conducibilità termica, come l'alluminio, che favoriscono un migliore trasferimento del calore. Metalli come l'alluminio o il rame sono spesso utilizzati perché consentono di trasferire il calore dai componenti interni all'ambiente esterno in modo più efficiente. Ad esempio, l'alluminio ha una conducibilità termica di circa 205 W/mK, che lo rende ideale per la dissipazione del calore.
Una struttura di raffreddamento ben progettata garantisce l'ottimizzazione dei percorsi del flusso d'aria e l'efficiente rimozione del calore. Inoltre, l'uso di dissipatori di calore e di cuscinetti termici può contribuire ulteriormente a ridurre la temperatura all'interno dell'involucro.
Temperatura ambiente
La temperatura ambiente, ovvero la temperatura dell'ambiente circostante, influisce direttamente sulla capacità del sistema di raffreddamento di dissipare il calore. Questo fattore è fondamentale perché la differenza tra la temperatura all'interno dell'involucro e quella dell'ambiente circostante (nota come differenziale di temperatura) è ciò che determina il processo di dissipazione del calore.
Temperature ambientali elevate: Con l'aumento della temperatura ambiente, il differenziale di temperatura tra l'interno dell'involucro e l'ambiente diminuisce, rendendo più difficile per i sistemi di raffreddamento mantenere uno scambio termico efficace. Ad esempio, in ambienti industriali o in applicazioni esterne, dove le temperature possono superare i 40°C, i sistemi di raffreddamento tradizionali basati su ventole possono avere difficoltà a fornire un raffreddamento adeguato.
Limitazioni del raffreddamento: Se la temperatura ambiente è significativamente più alta della temperatura interna dell'involucro, possono essere necessari metodi di raffreddamento aggiuntivi, come sistemi di condizionamento o di raffreddamento a liquido. Ad esempio, i centri dati operano spesso a una temperatura ambiente controllata di circa 20-22°C (68-72°F) per mantenere le condizioni ottimali per le apparecchiature elettroniche.
La comprensione delle condizioni ambientali locali, comprese le variazioni di temperatura stagionali e l'esposizione a fonti di calore, è fondamentale per la progettazione di un sistema di raffreddamento.
Densità dei componenti
Il numero e il tipo di componenti elettronici all'interno dell'involucro sono fattori chiave nel determinare il carico termico totale generato. Una maggiore densità di componenti comporta una maggiore generazione di calore, che richiede una soluzione di raffreddamento più potente o più sofisticata.
Carico termico: Ogni componente elettronico genera una certa quantità di calore in base al suo consumo energetico. Ad esempio, una CPU o un'unità di alimentazione (PSU) ad alte prestazioni possono generare calore al ritmo di 10-30 W per unità, a seconda del carico di lavoro. Negli alloggiamenti ad alta densità, dove sono presenti numerosi componenti ad alta potenza, il calore totale generato può superare rapidamente la capacità delle soluzioni di raffreddamento di base.
Strategie di gestione termica: Gli alloggiamenti ad alta densità possono richiedere strategie di raffreddamento avanzate, come sistemi di raffreddamento attivo (ventole o soffianti), raffreddamento a liquido o tecnologia heat pipe. Ad esempio, nei data center dove i componenti come i server, i router e i dispositivi di archiviazione sono densamente imballati, i sistemi di raffreddamento sono progettati per gestire carichi termici di 5 kW o più per rack. Al contrario, gli involucri più piccoli, come quelli utilizzati per l'elettronica di consumo, possono richiedere solo soluzioni di raffreddamento passivo come dissipatori di calore o piccole ventole.
Per determinare i requisiti di raffreddamento, è essenziale un'attenta analisi del carico termico specifico generato da ciascun componente. I sistemi di raffreddamento efficaci tengono conto di questi carichi e progettano una distribuzione del flusso d'aria che massimizza l'efficienza del raffreddamento.
La chiave per un raffreddamento efficiente: Scegliere la ventola di raffreddamento giusta
Ventole di raffreddamento: il cuore dei sistemi di raffreddamento degli involucri
Esistono diversi tipi di sistemi di raffreddamento, tra cui i sistemi di raffreddamento ad aria forzata che utilizzano ventole di raffreddamento per funzionare. Si tratta di componenti integrali del sistema di raffreddamento che aiutano ad allontanare il calore dalle parti sensibili dei dispositivi grazie al flusso d'aria che creano. Se non si sceglie una ventola di raffreddamento adeguata, l'apparecchiatura non si riscalda a causa del surriscaldamento e di altri problemi che ne compromettono l'affidabilità. Per questo motivo, la scelta di una ventola appropriata è fondamentale per ottenere la massima efficienza dell'intero sistema di raffreddamento.
Le ventole di raffreddamento per armadi hanno molti vantaggi e sono molto diffuse tra i dispositivi elettronici. Eccone alcuni: Forniscono vantaggi aggiuntivi rispetto ad altri sistemi di raffreddamento, come il raffreddamento passivo, i dissipatori di calore o i sistemi di raffreddamento a liquido.
Economico ed efficiente dal punto di vista energetico: In genere, i ventilatori di raffreddamento, rispetto alle unità di refrigerazione o ai sistemi di raffreddamento a liquido, sono molto più economici sia a livello di capitale che di installazione. Inoltre, non richiedono una grande quantità di energia elettrica, soprattutto i ventilatori DC o EC, il che li rende ideali per la maggior parte degli armadi.
Trasferimento di calore rapido ed efficiente: I ventilatori sono noti come "ventole" di raffreddamento e forniscono una convezione forzata, spingendo l'aria sulle parti interne dell'involucro. Ciò aumenta l'efficienza del trasferimento di calore, poiché la convezione forzata è più efficace rispetto alla convezione naturale, come avviene nelle tecniche di raffreddamento passive.
Integrazione e modifica migliorate: La maggior parte dei dispositivi di raffreddamento a ventola può essere inserita senza problemi in qualsiasi configurazione di armadio grazie a numerosi metodi di montaggio (ventole assiali, centrifughe o soffianti). Inoltre, le dimensioni variano, per cui è facile trovare un ventilatore che soddisfi le specifiche del vostro sistema.
Compatto e poco ingombrante: A differenza dei sistemi di raffreddamento a liquido, che possono richiedere pompe, tubi e radiatori di grandi dimensioni, le ventole di raffreddamento sono compatte e possono essere integrate anche negli involucri più piccoli. I loro vantaggi in termini di spazio le rendono molto utili nei casi in cui le dimensioni sono molto ridotte, come nel caso dell'elettronica di consumo, dei dispositivi medici e delle macchine industriali.
Le innovative ventole di raffreddamento ACDCFAN per le soluzioni in ambienti chiusi
Per ogni particolare esigenza di raffreddamento di un armadio, ACDCFAN dispone di una serie di ventole di raffreddamento prodotte per soddisfare tali esigenze individuali. Offriamo un'ampia gamma di tipi di ventole, tra cui Ventilatore assiale CA, ventilatore centrifugo CA (noto anche come radiale), Ventilatore assiale CC, ventilatore radiale CC, Ventilatore assiale EC. Grazie a queste ampie categorie, sono in grado di supportare involucri di dimensioni diverse, flusso d'aria e potenza richiesti.
Uno dei principali vantaggi di ACDCFAN è la possibilità di personalizzare i propri prodotti. I nostri servizi di personalizzazione sono piuttosto flessibili, il che significa che le ventole possono essere realizzate in base alle specifiche dell'applicazione. Ciò include personalizzazioni di ventole quali, a titolo esemplificativo, le dimensioni, la forma/il design della ventola, la tensione di funzionamento, il flusso d'aria e altri fattori significativi. Questa flessibilità è particolarmente utile quando si utilizza un tipo specifico o un tipo di involucro specializzato o in condizioni operative severe.
Che si tratti di un armadio elettronico di piccole dimensioni o di un contenitore industriale di grandi dimensioni che necessita di raffreddamento, ACDCFAN può aiutarvi a progettare e realizzare lo spazio necessario. La capacità di occuparsi di tutti i tipi di armadi e di tutte le esigenze di raffreddamento ci rende un buon partner per le soluzioni di gestione termica.
Conclusione
Per ogni soluzione di raffreddamento è fondamentale dissipare il calore generato dai componenti elettronici in modo da garantirne il normale funzionamento per lungo tempo. Esistono diverse tecniche di raffreddamento, tra cui la convezione naturale per i piccoli sistemi che generano calore e il raffreddamento a liquido per i sistemi di grande potenza. A seconda della geometria dell'involucro, dell'atmosfera circostante e della compattezza dei componenti, viene scelto un approccio di raffreddamento adeguato.
L'implementazione di un adeguato sistema di raffreddamento dell'involucro e la scelta corretta delle ventole di raffreddamento dell'involucro sono due fattori iniziali e cruciali per mantenere le temperature operative dei dispositivi e per prolungarne la durata. Altri accessori che favoriscono il raffreddamento sono i raffreddatori termoelettrici e i compressori CC.
L'adozione di efficaci sistemi di raffreddamento degli armadi consentirebbe alle aziende di ridurre i costosi guasti e di migliorare il funzionamento dei sistemi, oltre a proteggere importanti dispositivi elettronici. La scelta di un sistema di raffreddamento adeguato migliorerà notevolmente le prestazioni di un'organizzazione che dipende in larga misura da apparecchiature elettromeccaniche. La gestione dell'energia dovrebbe essere sempre la priorità assoluta, in quanto garantirebbe un migliore controllo delle risorse di un'azienda e prestazioni costanti.
Domande
Come si fa a determinare le dimensioni di un sistema di raffreddamento per armadi adatto alle proprie esigenze?
I fattori che determinano la capacità del sistema di raffreddamento di un armadio possono essere numerosi. Uno dei fattori principali è rappresentato dai carichi di calore prodotti dai componenti interni dell'involucro. Anche l'ubicazione e la temperatura all'interno dell'armadio e gli aspetti ambientali incidono. Per verificare i requisiti di raffreddamento di una particolare applicazione, si può scegliere di rivolgersi a professionisti del settore o di utilizzare programmi di modellazione termica.
Esistono opzioni ad alta efficienza energetica per i sistemi di raffreddamento degli armadi?
Sì, esistono diverse unità di alimentazione che possono essere utilizzate per raffreddare in modo efficiente un armadio. I ventilatori a velocità variabile con controllo della temperatura possono ridurre facilmente il consumo energetico, funzionando a velocità inferiori quando non è richiesta la massima potenza di raffreddamento. I ventilatori compatti e leggeri, ma che funzionano ad alte velocità, richiedono meno energia.
Inoltre, possono controllare gli angoli del rotore EC e le correnti del motore, il che rende i ventilatori a commutazione elettronica (EC) un'ottima soluzione per il risparmio energetico. Possono funzionare in corrente alternata o in corrente continua, ma combinano le due tecnologie consentendo una velocità controllata e quindi un'efficienza piuttosto elevata. Utilizzando l'elettronica incorporata per pilotare il motore, i ventilatori EC riducono il consumo di energia e la perdita di calore molto più dei ventilatori CA standard. Questo li rende un progetto affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico, applicabile a un'ampia gamma di sistemi di raffreddamento per armadi.
Anche l'accensione delle ventole di raffreddamento e l'ottimizzazione della configurazione dell'involucro per la dissipazione del calore possono essere efficienti dal punto di vista energetico. In particolare, nel caso di involucri di piccole dimensioni o quando è richiesto il raffreddamento solo di alcune parti, anche i raffreddatori termoelettrici sono abbastanza efficienti dal punto di vista energetico.
English 
Spanish 
French 
Russian 
Japanese 
German 
Portuguese 
Italian