Controlo Térmico Ativo: Princípios e Aplicações

Há décadas que utilizamos o arrefecimento passivo conhecido como metal de forma inteligente (dissipadores de calor), que dissipa passivamente o calor para o ar. Mas estamos a bater numa parede. O arrefecimento passivo de potência densa está a aproximar-se dos limites à medida que os limites físicos são ultrapassados devido ao aumento vertiginoso das densidades de potência. Uma CPU normal pode conter mais de 100 W/cm^2, algo que a natureza não consegue mover sem convecção natural.

O seu projeto esgotou o orçamento térmico e um mero dissipador de calor já não é suficiente: O Controlo Térmico Ativo (ATC) é o domínio a explorar. Não se trata apenas de um caso de ventoinha, mas de uma mudança total na filosofia do controlo térmico, que até então deixava o calor escapar passivamente, mas agora está a ser expulso.

Este será um recurso de base alargada sobre os conceitos fundamentais do controlo térmico ativo, o contraste das principais tecnologias e uma análise aprofundada das utilizações práticas, quer se trate do frio vácuo do espaço ou da exigente eletrónica industrial do chão de fábrica.

O que é o Controlo Térmico Ativo (ATCS)?

Qualquer sistema de controlo térmico que consuma energia externa para mover e rejeitar calor é conhecido como um sistema de controlo térmico ativo (ou ATCS).

A palavra-chave é "ativo". Um sistema ativo é comparado a um dissipador de calor passivo, na medida em que o sistema ativo depende das leis físicas da convecção, condução e radiação, em vez de depender apenas da eletricidade para fornecer energia a um sistema (bombas, ventoinhas ou refrigeradores termoeléctricos).

Em certos sistemas complexos, podem também ser aplicados aquecedores para garantir que a temperatura se mantém a um nível mínimo, pelo que o sistema completo é um sistema de controlo térmico. Isto permite o processo de arrefecimento, que por sua vez permite ao processo de arrefecimento retirar uma quantidade infinitamente maior de calor (medido em watts) ou mesmo atingir uma temperatura mais baixa do que teria sido possível passivamente.

Os 3 princípios fundamentais do controlo térmico ativo

Independentemente da tecnologia, todos os ATCS se baseiam em três princípios, que criam um ciclo de funcionamento contínuo para controlar a carga térmica.

1. Aquisição de calor: A primeira é recolher o calor residual onde ele é gerado. É frequentemente a junção mais importante, por exemplo, uma matriz de uma CPU, a superfície de um transístor de potência ou um díodo laser. Esta aquisição é frequentemente feita através de interfaces condutoras, como uma placa fria ou uma junção com junta térmica, que oferece muita área de superfície para o calor entrar no ATCS.
2. Transporte de calor: Quando capturámos o nosso calor, ele não pode ser deixado lá. Nesta fase, esta energia térmica é transportada para um local onde possa ser eliminada em segurança e não na fonte sensível. Num sistema de arrefecimento por líquido, o calor é transportado por um fluido bombeado (como a água). Num sistema de ar forçado, o meio de transporte é o ar em movimento.
3. Rejeição de calor: Por último, o calor que está a ser transportado deve ser removido no limite do sistema para o espaço ambiente. Este é o "radiador" do seu automóvel, o permutador de calor gigante no chiller do seu centro de dados ou a pilha de alhetas de um dissipador de calor onde uma ventoinha expulsa o ar quente, arrefecendo o sistema do excesso de calor.

Controlo Térmico Ativo vs. Passivo

A decisão mais importante que um engenheiro de projeto pode tomar é o ponto em que deve colocar a linha entre o controlo térmico passivo e o seu equivalente ativo. Trata-se de um compromisso que afecta o custo, a fiabilidade, o desempenho e a dimensão física do sistema global.

Um sistema passivo é barato, simples e (na ausência de partes móveis) fiável por natureza. Um sistema ativo não é simples, é mais caro e apresenta um possível elemento de falha (como um motor de ventilador). Então, porquê escolher o ativo?

Uma vez que o controlo ativo é a capacidade de quebrar os limites físicos que ligam as concepções passivas.

O desempenho de um sistema passivo depende diretamente de $Tambiente (temperatura ambiente). Não só um sistema ativo pode absorver uma carga térmica muito elevada à mesma T{ambiente}, como certas formas podem mesmo arrefecer um componente até abaixo da temperatura ambiente, proporcionando uma grande diferença de temperatura.

Este quadro apresenta as principais soluções de compromisso:

A conclusão: Escolhe-se o passivo pela fiabilidade e pelo custo, até que a física o obriga a escolher o ativo pelo puro desempenho.

Tecnologias-chave no Controlo Térmico Ativo

Controlo térmico ativo é um termo geral. A tecnologia a utilizar dependerá do seu objetivo: tem de lidar com cargas de calor ou tem de manter um laser a 0,1 °C?

As tecnologias mais difundidas no conjunto de ferramentas do engenheiro de ATC são as seguintes

Circuitos de fluido bombeado (PFLs) e arrefecimento líquido

Este é o campeão da gestão térmica. Um PFL opera uma bomba para bombear um fluido de trabalho (normalmente uma mistura de água-glicol, ou amoníaco no espaço) num circuito fechado de mangueiras. Uma placa fria faz com que o fluido ganhe calor, e um radiador elimina-o.

• Pontos fortes: Não há igual capacidade de aquecimento. O calor específico da água é de aproximadamente 4.184 J/kgK, o que é milhares de vezes superior ao do ar. Isto permite que os PFLs transfiram quilowatts de calor numa forma de alta densidade para um radiador distante, o que vale a pena em centros de dados ou supercomputadores.
• Pontos fracos: Complicado e perigoso. As bombas são um problema de fiabilidade e a possibilidade de fugas de fluido, particularmente em torno de componentes electrónicos de alta tensão, é uma questão de conceção importante.

Refrigeradores termoeléctricos (TECs)

Os TECs ou dispositivos Peltier são mágicos numa sanduíche de estado sólido. Fazem funcionar uma corrente contínua através de uma junção entre semicondutores diferentes, gerando assim um gradiente de temperatura, em que um lado fica frio e o outro fica quente.

• Pontos fortes: A capacidade de arrefecimento a uma temperatura inferior à temperatura ambiente. São minúsculos, não têm componentes móveis e a sua capacidade de arrefecimento pode ser ajustada com precisão através do ajuste da tensão de entrada. São mais adequados para dispositivos científicos e arrefecimento de díodos laser, em que a transferência de calor em massa não é tão crucial como a regulação da temperatura.
• Pontos fracos: Ineficiência grosseira. Um TEC tem um "Coeficiente de Desempenho" (COP) baixo, o que significa que gera muito mais calor residual no seu "lado quente" do que aquele que efetivamente "move" do seu "lado frio". Um TEC que movimenta 10W de calor pode consumir 50W de energia, criando um novo problema térmico de 60W para resolver.

Convecção forçada

É o tipo de Controlo Térmico Ativo mais prevalecente, económico e forte do mundo. A ideia subjacente é fácil: soprar uma ventoinha num dissipador de calor passivo.

• Pontos fortes: Uma melhoria de desempenho muito necessária a um custo mínimo. Uma ventoinha remove uma camada de ar quente que se move lentamente, designada por camada limite, substituindo-a por ar fresco e frio, o que resulta num enorme aumento do coeficiente de transferência de calor, permitindo a gestão de um novo fluxo de calor (W/cm 2 ) muito maior. Isto pode melhorar o desempenho de um dissipador de calor em 5x -10x em comparação com o da convecção natural apenas.
• Pontos fracos: É também limitado pela T{ambient} (não pode arrefecer a uma temperatura inferior à temperatura ambiente), acrescenta ruído e um ciclo de vida definido (o motor da ventoinha).

Tubos de calor avançados

Os tubos de calor normais, que funcionam com base numa estrutura de mecha capilar para transportar passivamente um fluido de trabalho, são maravilhas da engenharia. São materiais de elevada condutividade térmica porque a sua condutividade térmica efectiva é extremamente elevada. Nos ATCS topo de gama, são implementados modelos sofisticados, como os tubos de calor de condutância variável (VCHPs) e os tubos de calor em anel (LHPs). Estas máquinas podem ser ligadas ou desligadas com a ajuda de pequenos aquecedores, que podem controlar a dinâmica dos fluidos no interior destas máquinas e, assim, permitir-lhes manter uma temperatura específica ou mesmo ligar e desligar de acordo com os requisitos.

Mergulho profundo nas aplicações (1): Aeroespacial e Defesa

Num relance, a indústria aeroespacial revela as capacidades surpreendentes do ATC. A indústria aeroespacial tem o ambiente térmico mais exigente, uma vez que todas as naves espaciais operam em órbita terrestre baixa (LEO). Na LEO, as naves espaciais podem ser vítimas de condições térmicas extremas, como a radiação solar total (> 120 °C). Assim como sombras no espaço profundo tão baixas como (<- 150 °C). While in space, convection is nonexistent due to the vacuum of space. This is the daily reality for spacecraft in Low Earth Orbit (LEO).

O Estação Espacial Internacional (ISS) é o estudo de caso definitivo, e NASA Os documentos sobre o seu ATCS são fundamentais para o domínio.

• O sistema: Utiliza circuitos de amoníaco a alta pressão, com 6,6 milhas de comprimento, como fluido de trabalho.
• O processo: As placas frias absorvem o calor emitido por toda a eletrónica de bordo. Este calor é transportado para enormes radiadores de 75 pés de comprimento pelo amoníaco bombeado, que rejeita o calor para o espaço.
• A balança: O sistema controla dezenas de quilowatts de calor, o que mantém a estação e a tripulação vivas.

A mesma dificuldade está presente em grupos de pequenos satélites, onde a capacidade de gerir as cargas térmicas de cargas delicadas dentro de um pequeno chassis é um fator chave de conceção. O isolamento passivo de muitos sistemas é baseado em materiais como o Kapton, embora o controlo ativo seja utilizado com componentes de alta potência.

Mergulho profundo nas aplicações (2): Eletrónica e Industrial

Embora o sector aeroespacial seja um campo fascinante, os princípios do ATC que fazem funcionar a ISS são reduzidos para resolver problemas térmicos na tecnologia que utilizamos diariamente. Neste caso, não se trata necessariamente de vácuo, mas sim de densidade de potência e alta temperatura, condições extremas.

Computação de alto desempenho e centros de dados

O centro de dados está em guerra térmica. Um rack de servidor pode atrair mais de 50 kW, e o ar condicionado tradicional baseado em salas já não é eficaz. Isto obrigou a uma mudança para PFLs e à substituição do arrefecimento líquido "Diret-to-Chip" (DTC) pelos novos CPUs e GPUs topo de gama para manter um elevado desempenho.

Automação industrial e arrefecimento de armários

É aqui que o ATC se torna parte do mundo real. Os pisos das fábricas são quentes, poeirentos, oleosos e implacáveis. Caixas importantes, como PLCs, inversores de sistemas de energia renovável e variadores de frequência (VFDs), são fechadas em caixas com classificação NEMA caixas ou caixas com classificação IP para evitar danos. Uma hotbox é um invólucro passivo; é necessário ATC, normalmente sob a forma de filtros-ventiladores ou de aparelhos de ar condicionado montados no invólucro.

Dispositivos médicos

É aqui que o ATC se torna parte do mundo real. Os pisos das fábricas são quentes, poeirentos, oleosos e implacáveis. Caixas importantes, como PLCs, inversores de sistemas de energia renovável e variadores de frequência (VFDs), são fechadas em caixas com classificação NEMA ou IP para evitar danos. Uma hotbox é um invólucro passivo; é necessário ATC, normalmente sob a forma de filtros-ventiladores ou de aparelhos de ar condicionado montados no invólucro.

Telecomunicações

O equipamento de telecomunicações moderno está bem embalado e pode ser montado em postes e telhados, em vez de ser montado no interior, não só nas estações de base 5G, mas também nas unidades de rádio remotas (RRU). Estes equipamentos fechados devem ser capazes de resistir à chuva, ao sol e ao pó. Baseiam-se num híbrido de tubos de calor avançados e convecção forçada (ventoinhas) de elevada fiabilidade que se destinam a funcionar 24/7/365 durante anos e anos.

O papel crítico da convecção forçada: Dimensionamento do ATC para o seu projeto

Já vimos os extremos: Circuitos de amoníaco com vários quilómetros de comprimento na ISS e complicados sistemas líquido-para-chip de bastidores de centros de dados de 100 kW.

No entanto, na maioria dos sistemas industriais, médicos e de telecomunicações, um PFL é excessivo. É demasiado complicado, demasiado dispendioso e causa riscos inadmissíveis (fugas, manutenção). A convecção forçada avançada é a melhor solução ATCS, escalável e económica para estes projectos.

Porque é que os ventiladores são o cavalo de batalha do ATC eletrónico moderno

A ventoinha é também a parte ativa da convecção forçada. No entanto, uma ventoinha de arrefecimento moderna não é apenas um motor com pás; é uma peça inteligente e projectada que faz o cérebro do sistema térmico e permite que o elevado desempenho seja fiável.

• Custo para o desempenho: Não existe nenhuma tecnologia semelhante disponível que ofereça um aumento semelhante no desempenho de arrefecimento ao mesmo preço.
• Escalabilidade: A solução é perfeitamente dimensionada. Um switch de rede pode ser arrefecido com uma pequena ventoinha de 40 mm e um conjunto de ventoinhas de 120 mm pode ser utilizado para arrefecer um servidor de 5 kW.
• Fiabilidade: A bomba, os acessórios e o fluido têm áreas de falha nos principais componentes de um A PFL. As ventoinhas contêm uma única peça móvel, e a tecnologia das ventoinhas no mundo moderno transformou esse ponto para ser altamente fiável.
• Controlo inteligente: Os ventiladores DC e EC (Electronically Commutated) são agora concebidos com PWM (Modulação de largura de pulso) controlo de velocidade. Isto permite que a ventoinha seja acoplada a sensores no sistema, oferecendo um sistema realmente ativo que lhe proporciona refrigeração a pedido, uma vez que o sistema funciona silenciosamente com cargas baixas e apenas quando é necessário estar na potência máxima.

O seu parceiro para um ATC fiável: Acdcfan's Advantage

O ventilador já não é um bem de consumo; é agora um elemento essencial quando o seu projeto assenta na convecção forçada. É necessário selecionar o ventilador adequado e também o parceiro adequado.

Os engenheiros industriais, médicos e de telecomunicações são confrontados com um conjunto diferente de desafios que transcendem o mero caudal de ar (CFM). Normalmente, têm um tamanho pequeno que produz muito calor e uma falha térmica tem um grande impacto nas operações.

• O desafio da fiabilidade: Quando um PLC de fábrica falha, ou mesmo uma estação de base 5G, não é um incómodo; é um desastre de perda de receitas. É preciso ter um sistema ATC à prova de bala. É por isso que fabricamos os nossos ventiladores com rolamentos de esferas de alta precisão, para que possamos ter um sistema ATC à prova de bala. MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 70.000 horas.
• A questão do ambiente: O que dizer do recinto empoeirado da fábrica ou do poste de telecomunicações encharcado pela chuva? A Acdcfan é especialista no fornecimento de soluções para esses ambientes da vida real e fornece ventiladores com vedação IP68 contra poeiras e à prova de água que garantem um desempenho ótimo nos ambientes mais severos.
• O desafio da eficiência: O seu sistema não funciona com 100% de carga e 100% de tempo. Controlo de velocidade inteligente PWM. As nossas ventoinhas estão integradas no seu ATCS e oferecem um arrefecimento inteligente a pedido, silencioso e com baixo consumo de energia em cargas baixas, mas capaz de aumentar instantaneamente.

Sabemos que não existem dois projectos semelhantes. Não estamos a vender peças; estamos a conceber clientes. Colaboramos com a sua equipa para desenvolver e fornecer um sistema que satisfaça os seus requisitos térmicos únicos, e as soluções podem estar disponíveis em apenas 10 dias.

Assim, vamos além de um simples ventilador e passamos a ser um componente de controlo térmico ativo da sua estratégia ativa.

Principais considerações de design para o seu sistema ATC

Está convencido. O seu projeto deve deixar de ser passivo e tornar-se ativo. As três grandes questões a que tem de responder antes de criar um briefing para a sua própria equipa ou de executar algoritmos de simulação térmica mais sofisticados são as seguintes.

Cálculo da carga térmica (orçamento de calor)

Não se pode controlar nada que não se tenha medido. O primeiro é um orçamento térmico.

• O que fazer: Descubra todos os principais componentes que produzem calor (CPUs, FPGAs, transístores de potência).
• Dados essenciais: Não utilize o TDP (Thermal Design Power) típico numa folha de dados. Determine o consumo de energia mais baixo da vida real em plena carga. Aqui é o Q (carga térmica) que o seu ATCS deve ser capaz de suportar por condução, convecção e radiação.
• A equação: Tjunção = Tambiente + (Q * R_theta_j-a), e R_theta_j-a é a soma das resistências térmicas. O seu trabalho como projetista é utilizar um ATCS para tornar a R_theta_j-a (resistência junção-ambiente) tão baixa quanto possível.

Compreender os condicionalismos ambientais (temperatura, humidade, poeiras)

A variável mais importante no seu cálculo é T{ambient}, e quase nunca é a temperatura ambiente.

• Ambiente interno: É o ar quente no interior da caixa que constitui o ar ambiente para a ventoinha da CPU. O seu sistema deve ser desenvolvido para funcionar em qualquer uma das gamas de temperatura descritas e, em particular, neste ambiente interno elevado.
• Ambiente externo: Este dispositivo tem de ser utilizado numa fábrica com pó (nesse caso, os componentes têm de ter classificação IP)? Numa região húmida à beira-mar (necessita de imunidade à corrosão? Ou em alturas muito elevadas (quando o ar é menos agradável para arrefecer)?

Equilíbrio entre desempenho e SWaP (tamanho, peso e potência)

O compromisso padrão da engenharia é o SWaP, ou seja, Tamanho, Peso e Potência.

• Potência: O seu ATCS é parasita. A energia que os seus ventiladores ou bombas estão a consumir deve ser incluída no seu orçamento de consumo de energia.
• Tamanho/Peso: Um circuito de líquido é uma adição pesada e requer espaço para bombas e radiadores. A solução de ar forçado não é pesada e necessita de vias desobstruídas para o fluxo de ar.
• A regra: O ATCS mais adequado é aquele que pode ser construído ao preço mais barato e que satisfaz as condições térmicas com um nível razoável de segurança. Não se deve fazer uma engenharia excessiva.

Conclusão

O Controlo Térmico Ativo já não é um produto de nicho dos engenheiros aeroespaciais; é hoje uma necessidade essencial da eletrónica de alta potência. Passámos do mundo primitivo e adormecido de deixar escapar o calor para o mundo moderno e dinâmico de o controlar.

Vimos que o ATC não é só tecnologia, mas uma enorme variedade de soluções - PFLs gigantes na ISS e TECs de estado sólido num laboratório, e os ventiladores inteligentes e altamente fiáveis que ventilam a nossa rede mundial de telecomunicações.

O truque por detrás de uma conceção bem sucedida não é selecionar a solução mais forte, mas sim a mais adequada. O desafio subjacente é fazer corresponder a tecnologia ATC correta aos seus objectivos específicos de carga térmica, orçamento e fiabilidade.

E com a necessidade de conceber uma solução forte, escalonada e inteligente de convecção forçada, precisa de um parceiro que tenha experiência baseada em aplicações da vida real para levar o seu projeto da prancheta para a realidade.