Introdução
Devido ao rápido avanço da eletrónica, a gestão térmica é fundamental para um desempenho ótimo e para a longevidade do produto. A gestão do calor no corpo de uma pessoa garante que qualquer desempenho está no seu ponto ótimo quando dura, evitando também qualquer efeito que o calor excessivo possa causar. Com este guia, o leitor fará uma viagem virtual ao domínio do arrefecimento eletrónico ᅳ onde serão abordados o seu significado, os princípios, as tecnologias existentes e as dicas de utilização que visam o funcionamento eficiente e eficaz dos dispositivos.
De acordo com o estudo realizado pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis, cada aumento de 10°C na temperatura pode significar a redução da vida útil dos componentes electrónicos em cinquenta por cento. É por esta razão que qualquer utilizador de dispositivos electrónicos e as pessoas que trabalham com eles têm de apreciar a necessidade e o valor do arrefecimento eletrónico. As estratégias de gestão térmica optimizadas melhorarão consideravelmente a eficácia e o grau de fiabilidade dos dispositivos, garantindo o seu elevado nível de funcionamento e durabilidade.
O que é o arrefecimento eletrónico?
O arrefecimento eletrónico é definido como a remoção de calor dos componentes electrónicos para além das suas temperaturas de funcionamento seguras. Essa exposição ao calor é devida ao fluxo de calor, através do qual o calor se move através ou para fora do dispositivo, que precisa de ser controlado para manter a sua eficiência energética e evitar interferências destrutivas.
O arrefecimento eletrónico está a introduzir uma série de outros métodos de transferência de calor e soluções de conceção para garantir o funcionamento fiável e eficaz do equipamento eletrónico, mesmo num ambiente complexo. Para tal, proporciona um meio de conter o excesso de calor, de modo a permitir que os dispositivos desempenhem as suas funções de forma eficaz, aumentando assim a sua durabilidade e reduzindo as probabilidades de quebra.
Como o calor afecta o desempenho e a vida útil da eletrónica
O calor é o pior inimigo dos aparelhos electrónicos. Durante o seu funcionamento, os componentes electrónicos aquecem devido às correntes que passam através dos dispositivos e a outros efeitos de interferência, como a resistência eléctrica, pelo que, para cada estado operacional, existe uma jiboia de calor. No entanto, a acumulação excessiva de calor, neste caso devido à falta de dispositivos de permuta de calor eficientes, pode causar uma série de problemas, tais como
Desempenho reduzido: Demasiado calor pode levar os dispositivos a reduzir a sua taxa de desempenho para evitar danos por sobreaquecimento. Isto significa baixa velocidade de processamento, baixa eficiência energética e baixo desempenho geral.
Redução do tempo de vida: O aumento da exposição ao calor durante o período de conceção aumenta o risco de avaria dos componentes electrónicos, levando à sua deterioração precoce e, consequentemente, à redução do tempo de vida útil. São acrescentados ao dispositivo componentes adicionais que se desgastam rapidamente devido à ausência de processos de arrefecimento eficazes, reduzindo assim o tempo de vida do precioso equipamento eletrónico.
Falhas de funcionalidade: Demasiado calor pode fazer com que algumas peças tenham um desempenho deficiente ou falhem completamente, fazendo com que o sistema falhe, o que leva à perda de dados ou a outros problemas de fiabilidade. Esta é a razão pela qual os sistemas de remoção de calor ou os sistemas de troca de calor entre meios devem ser feitos adequadamente para evitar avarias e mau funcionamento do equipamento eletrónico, cuja reparação pode ser dispendiosa.
Princípios fundamentais do arrefecimento eletrónico
Para arrefecer adequadamente um item eletrónico, é necessário compreender os princípios básicos da transferência de calor e da gestão térmica. Vamos aprofundar alguns destes conceitos fundamentais:
Noções básicas de transferência de calor
São evidentes três mecanismos de transferência de calor: Condução, convecção e radiação. Centrando-nos no arrefecimento eletrónico, é evidente que a condução e a convecção são os aspectos mais importantes da gestão da energia térmica.
A condução trata da transmissão de calor através do contacto direto de substâncias. Na eletrónica, por exemplo, os componentes quentes transferem calor para os dissipadores de calor ou outros materiais de interface térmica. Para uma aplicação eficaz da gestão do calor, os componentes dos dissipadores de calor passivos devem otimizar materiais de elevada condutividade térmica e eléctrica. Se a condução for melhorada, a energia térmica será evacuada mais rapidamente, reduzindo assim as hipóteses de sobreaquecimento.
A convecção, no entanto, é um método de transferência de calor em que o fluxo de fluidos ou gases é deslocado para efetuar a transferência de calor. A convecção, tal como aplicada no arrefecimento de dispositivos electrónicos, pode ser induzida por ventoinhas ou outros sistemas de arrefecimento activos. Assim, esses circuitos podem ter líquidos ou refrigerantes de ar em circulação que ajudam a atenuar o calor dos componentes, aumentando assim a capacidade de arrefecimento. Por exemplo, alguns dos sistemas de arrefecimento de alto desempenho utilizam arrefecimento líquido, uma vez que os líquidos de arrefecimento têm uma capacidade de remoção de calor muito superior à do ar.
Termodinâmica e eficiência de arrefecimento
Sem dúvida, a termodinâmica é essencial para compreender e melhorar a eficiência de arrefecimento da eletrónica. A segunda lei da termodinâmica afirma que a energia térmica fluirá sempre espontaneamente da região quente para a região fria. Este é o princípio subjacente à maioria das técnicas de arrefecimento.
Há uma série de critérios que determinam a eficácia de um sistema de arrefecimento eletrónico, para mencionar apenas alguns, o diferencial de temperatura alcançado entre as partes quentes do sistema e o meio de arrefecimento utilizado, os materiais utilizados e as suas condutividades térmicas, bem como os tipos de mecanismos de transferência de calor utilizados. A quantidade de efeito de arrefecimento é muito maior com uma maior diferença de temperatura e os materiais mais eficazes utilizados na transmissão de energia térmica tornam mais fácil e mais rápida a saída do calor do sistema, proporcionando melhores resultados globais.
Tecnologias comuns de arrefecimento eletrónico
Existem vários métodos de arrefecimento da eletrónica, cada um com pontos fortes e fracos. Nesta secção, vamos concentrar-nos em alguns dos métodos mais comuns:
Arrefecimento do ar
O arrefecimento por ar é o método mais simples e mais geral de arrefecimento eletrónico. Este método tende a utilizar ventoinhas ou dispositivos de arrefecimento, como ventiladores, que sopram sobre as superfícies de componentes aquecidos com a intenção de libertar ar quente. O arrefecimento por ar é bastante fácil, barato e eficaz para uma série de aplicações.
No entanto, o arrefecimento a ar tem algumas desvantagens. Provavelmente, a mais importante é o ruído criado, que é particularmente notório quando as ventoinhas de alta velocidade e de arrefecimento múltiplo são incorporadas em sistemas de arrefecimento eletrónico de desempenho relativamente elevado. Este facto é desagradável em escritórios ou home theaters, onde se preferem níveis de ruído mais baixos.
Arrefecimento líquido
O arrefecimento por líquido implica a aplicação de um líquido de arrefecimento à volta ou em forma líquida, de modo a absorver o calor dos componentes electrónicos quentes. Os sistemas típicos de arrefecimento líquido são constituídos por uma bomba, um permutador de calor e um sistema de tubos ou canais através dos quais o líquido de arrefecimento é bombeado.
Entre os métodos de sistemas de arrefecimento, o arrefecimento por líquido oferece ao utilizador várias vantagens em comparação com o arrefecimento por ar. O seu desempenho resulta de uma maior capacidade de arrefecimento, de uma maior condutividade térmica e da capacidade de se concentrar em pontos quentes específicos do dispositivo eletrónico. Trata-se de um método eficiente para aplicações avançadas como centros de dados, PCs para jogos e eletrónica de potência.
No entanto, a instalação de sistemas de refrigeração líquida é bastante complexa, cara e requer muita manutenção do que os sistemas de refrigeração a ar. Têm também a desvantagem de haver fugas nas mangueiras de líquido, que podem danificar partes dos componentes electrónicos utilizados.
Arrefecimento termoelétrico
O arrefecimento termoelétrico, que é o chamado efeito Peltier, é uma tecnologia de arrefecimento de estado sólido em que o efeito de dissipação de calor é conseguido através de uma corrente eléctrica colocada num arrefecedor termoelétrico que aquece um lado e condensa o outro lado. Quando a corrente passa pelo módulo, um dos seus lados (lado frio) absorve o calor, enquanto o lado quente dissipa o calor.
No entanto, o arrefecimento termoelétrico proporciona ao utilizador alguns pontos de diferenciação específicos em comparação com os restantes métodos disponíveis no mercado, que incluem uma gestão precisa da temperatura ao nível necessário, dimensões reduzidas e até temperaturas de arrefecimento abaixo das condições ambientais. É principalmente aplicado em casos em que é necessário um foco de arrefecimento, como em pequenos aparelhos electrónicos, sensores e aparelhos médicos.
No entanto, a eficiência do arrefecimento termoelétrico é bastante baixa quando comparada com outras técnicas de arrefecimento e também requer muita energia eléctrica para o seu funcionamento. Além disso, também está limitada à quantidade de calor que pode ser removida de forma eficiente.
Factores que afectam o desempenho do arrefecimento
O desempenho e a eficiência de um sistema de arrefecimento eletrónico podem ser afectados por vários factores. É importante compreender estes factores para encontrar as estratégias de arrefecimento mais adequadas:
Temperatura ambiente
Um dos factores mais importantes no arrefecimento eletrónico é a temperatura ambiente ou a temperatura ambiente da área que rodeia o dispositivo. O efeito do calor, a condução, a transferência de calor e a remoção de calor dos componentes electrónicos tornam-se mais difíceis à medida que mais calor é retido na sala. As estratégias de arrefecimento implementadas podem ser mais potentes, uma vez que o ambiente em que certos dispositivos são instalados tem uma temperatura mais elevada do que o normal e é necessário remover mais calor para que o dispositivo funcione eficazmente.
Condutividade térmica dos materiais
Os materiais de construção dos aparelhos electrónicos e os respectivos sistemas de arrefecimento determinam a taxa de transferência de calor, bem como a taxa de perda de calor. Normalmente, os materiais metálicos com elevada condutividade térmica, como o cobre e o alumínio, são utilizados sobretudo em dissipadores de calor e noutros componentes de arrefecimento para dissipar rapidamente o calor.
Num outro exemplo, o arrefecimento pode ser inibido por materiais de baixa condutividade térmica, como o ar, ou alguns plásticos que constituem barreiras térmicas, impossibilitando assim a transferência de calor.
Geração de calor e dissipação de calor
O calor gerado pelos componentes electrónicos e a taxa de exaustão do calor são parâmetros importantes para compreender a capacidade de arrefecimento necessária. Os processadores e as placas gráficas são dispositivos de alta potência que produzem muito calor, pelo que têm de ser dotados de mecanismos de remoção de calor.
O dispositivo eletrónico na sua montagem pode também contribuir para a dissipação do calor. Há muitos aspectos, como a disposição dos componentes, os caminhos do fluxo de ar, os componentes de arrefecimento e um grande número deles dispersos numa pequena área.
| Fator | Descrição | Impacto no desempenho de arrefecimento |
| Temperatura ambiente | A temperatura do ambiente que rodeia o dispositivo afecta a eficiência da transferência de calor. | As temperaturas ambiente mais elevadas reduzem a eficácia do arrefecimento, exigindo sistemas de arrefecimento mais robustos. |
| Condutividade térmica dos materiais | A capacidade dos materiais para conduzir o calor afecta a rapidez com que o calor é dissipado dos componentes. | Os materiais com maior condutividade térmica, como o cobre, melhoram a dissipação de calor e o desempenho. |
| Geração e dissipação de calor | O calor total produzido pelos componentes e a capacidade do sistema para o dissipar. | Uma fraca dissipação de calor pode provocar o sobreaquecimento dos componentes, levando à falha do sistema ou à redução do seu tempo de vida útil. |
| Disposição do sistema e fluxo de ar | A disposição dos componentes e as trajectórias do fluxo de ar no interior do dispositivo. | A má disposição e o fluxo de ar bloqueado conduzem a um arrefecimento ineficaz, enquanto os designs optimizados melhoram o desempenho. |
Como escolher o método de arrefecimento ideal para o seu design eletrónico
Os equipamentos electrónicos adequadamente concebidos geram muito calor, mas é nos dispositivos mais pequenos que este calor ultrapassa um determinado limite, pelo que o arrefecimento dos componentes electrónicos é importante. Os factores disponíveis incluem: os requisitos tecnológicos da aplicação, a densidade de potência dos componentes electrónicos, os factores ambientais e as limitações dimensionais. Estes incluem:
Densidade de potência: Para dispositivos em que as caraterísticas de potência são baixas, o arrefecimento pode ser passivo, utilizando dissipadores de calor ou convecção natural. Mas quando a densidade de potência aumenta, o arrefecimento ativo com ventoinhas ou sistemas de arrefecimento líquido é rapidamente adotado.
Limitações de espaço: Os métodos de arrefecimento a adotar serão influenciados pelo espaço disponível no dispositivo eletrónico. Os dispositivos pequenos necessitam de dissipadores de calor de baixo perfil ou, se for utilizada uma ventoinha, de ventoinhas compactas, ao passo que os sistemas de grandes dimensões poderão instalar dispositivos de arrefecimento maiores.
Ambiente de funcionamento: Ao selecionar um método de arrefecimento, tenha em consideração factores como a temperatura ambiente, a humidade e outros factores ambientais. As condições de trabalho poeirentas, húmidas ou quentes podem necessitar de soluções de arrefecimento de elevado desempenho que sejam também seladas ou robustas para evitar o desgaste.
Fiabilidade e manutenção: Examinar os factores de fiabilidade e manutenção associados aos diferentes métodos de arrefecimento . Por exemplo, o desempenho destes sistemas na sequência de um esforço de dissipação de calor. Os sistemas de arrefecimento por ar empoeirado podem necessitar de limpeza de tempos a tempos; por outro lado, os sistemas em que são utilizados fluidos para o arrefecimento podem necessitar de recursos como a substituição e a verificação de fugas de fluido de vez em quando.
Custo e complexidade: Deve também ter em conta os diferentes custos e a complexidade da aplicação e manutenção dos diferentes sistemas de arrefecimento. Embora outros sistemas, como os sistemas de arrefecimento líquido, possam ter um melhor desempenho em relação aos sistemas de arrefecimento a ar, são mais difíceis e mais dispendiosos de instalar e manter do que os sistemas de arrefecimento a ar, que são mais fáceis e menos dispendiosos.
Ventoinhas de arrefecimento no arrefecimento eletrónico
Em quase todos os esquemas de gestão térmica, as ventoinhas de arrefecimento são utilizadas para transferir ativamente o calor, induzindo o fluxo de ar para fora dos componentes. Vamos compreender os tipos de ventoinhas de melhoramento e a sua finalidade no controlo térmico da eletrónica:
Tipos de ventoinhas de arrefecimento (axiais, centrífugas, DC sem escovas)
Existem vários tipos de ventoinhas de arrefecimento normalmente utilizadas em aparelhos electrónicos:
Ventilador axial: Ventiladores mais comuns com pás rotativas em torno de um cubo cujo movimento empurra um determinado fluxo colhido na direção axial. São baratos e bastante simples, mas têm encontrado numerosas aplicações em sistemas informáticos, servidores e outros aparelhos electrónicos.
Ventiladores centrífugos: Classificados como ventiladores, são constituídos por uma hélice que roda, aspirando ar de uma direção e descarregando ar de outra direção num ângulo de 90 graus. Estes ventiladores são adequados para utilização em aplicações de elevada pressão estática, como a redução do fluxo de ar em espaços confinados cheios de aparelhos electrónicos.
Ventiladores DC sem escovas: Também designados por BLDC, estes ventiladores funcionam com um motor desprovido de cerdas e rolamentos de bronze, aumentando assim o desempenho, a fiabilidade e a vida útil dos ventiladores. Além disso, permitem um controlo fino da velocidade e são mais adequados para utilização em sistemas de refrigeração electrónicos modernos.
O papel das ventoinhas de arrefecimento no arrefecimento eletrónico
A utilização de ventoinhas de arrefecimento é essencial para o arrefecimento eficaz do equipamento eletrónico. Estas ventoinhas são fundamentais para fornecer convecção forçada, o que melhora o arrefecimento convectivo de peças importantes através da remoção de calor.
Como as ventoinhas de arrefecimento aspiram continuamente ar frio e sopram ar quente, promovem um diferencial de temperatura para facilitar a transferência de calor para fora dos componentes electrónicos. O objetivo é evitar condições de descontrolo, garantir temperaturas uniformes em torno do funcionamento do dispositivo e, de um modo geral, permitir um funcionamento eficiente do dispositivo.
As ventoinhas de arrefecimento também podem ser adaptadas através de alguns processos subsequentes, como o fabrico, para dar lugar a preocupações adicionais, como a proteção contra a água, o pó e até mesmo a névoa salina. Estas ventoinhas de arrefecimento são concebidas para serem utilizadas principalmente em condições em que o equipamento eletrónico está sujeito a condições atmosféricas adversas ou a poeiras e outros factores.
O posicionamento das ventoinhas de arrefecimento em relação à placa e aos componentes do dispositivo eletrónico pode ser feito de forma a cobrir pontos quentes localizados ou para criar um padrão de fluxo de ar que melhore o arrefecimento. Na maioria dos casos, não é invulgar encontrar várias ventoinhas em conjunto com outros componentes de transferência de calor, como dissipadores de calor, tubos de calor e muitos outros, na tentativa de fornecer um sistema de arrefecimento eletrónico.
Conclusão
O arrefecimento eletrónico é um aspeto crítico para garantir o melhor desempenho, fiabilidade e longevidade dos dispositivos. Através da análise termodinâmica, do conhecimento dos métodos de arrefecimento comuns, da consideração dos factores de desempenho global e da sua aplicação na conceção e/ou seleção razoável de sistemas de arrefecimento eletrónico, os designers e utilizadores estarão bem posicionados.
Independentemente do método escolhido, seja arrefecimento a ar ou outro, o objetivo continua a ser o mesmo: dissipar eficazmente o calor e controlar as temperaturas de funcionamento dos seus componentes e sistemas electrónicos. Esta estratégia de arrefecimento utiliza eficazmente as reservas de calor e evita o aumento das temperaturas de todos os componentes do sistema acima dos limites aceitáveis, a fim de evitar o sobreaquecimento, ou seja, a danificação desses componentes.
Uma vez que os sistemas electrónicos de potência estão a ser cada vez mais concebidos para terem mais potência e mais funcionalidade, as tecnologias de gestão térmica, tais como os dissipadores de calor, irão crescer em importância. Há uma procura constante de novas ideias relativamente ao processo de arrefecimento e de novas formas de remoção de calor que estejam de acordo com os dispositivos actualizados. As tecnologias de arrefecimento irão expandir-se à medida que se conhecem as novidades nestas questões de arrefecimento que não mudam com o tempo, para garantir que os seus aparelhos electrónicos serão frescos, eficazes e fiáveis durante muitas folhas.
Perguntas frequentes:
Como escolher a solução de arrefecimento correta para a minha aplicação?
A seleção de uma solução de arrefecimento eletrónico adequada para uma determinada aplicação dependerá de uma variedade de factores de conceção, como a densidade de potência dos componentes e o seu volume disponível, o ambiente em que vão funcionar, os seus requisitos de fiabilidade e os seus custos. Por exemplo, comece por procurar a área de aplicação específica que pretende arrefecer e, em seguida, procure os métodos aplicáveis e recomende-os com base na eficácia, facilidade de utilização e praticidade.
Verificar o calor que se espera gerar e a temperatura que tem de ser mantida, bem como quaisquer limitações em relação à área disponível ou ao ambiente. Procurar aconselhamento profissional de pessoal de engenharia especializado em arrefecimento ou diretrizes gerais ou normas industriais em sistemas de arrefecimento.
Tenha em mente que, em cenários como estes, pode ser uma ou duas ou todas as técnicas possíveis de classificação de arrefecimento que são incorporadas nas artérias. Não tenha receio de experimentar diferentes disposições e configurações, ou de pedir ajuda para obter o arrefecimento mais eficaz e mais económico para a tarefa específica que está a realizar.
Quais são os erros mais comuns a evitar na conceção de um sistema de arrefecimento eletrónico?
Há alguns erros comuns que devem ser evitados ao conceber um sistema de arrefecimento eletrónico: Conceção do sistema sem uma compreensão clara das necessidades de arrefecimento: O problema essencial é que os projectistas não avaliam as capacidades de geração ou dissipação de calor de certos componentes electrónicos. Mais uma vez, o projetista deve testar e escolher os parâmetros, caso contrário, em alguns sistemas de arrefecimento, os componentes sobreaquecerão.
Ignorar o fluxo de ar e resistência térmica: Controlo das temperaturas mesmo quando são utilizados refrigeradores - o elemento mais crucial de um projeto. Durante a conceção, certifique-se de que existem caminhos adequados para as condutas e de que não existem obstruções ou restrições que aumentem as fugas ou a resistência ao fluxo de calor. Além disso, avalie a resistência térmica estratégica nas junções dos componentes e dos dispositivos de dissipação de calor, como o material da interface térmica e os dissipadores de calor.
Suposição incorrecta das condições de funcionamento: As condições de funcionamento podem desempenhar um papel importante na eficácia do arrefecimento. Condições como a temperatura ambiente, a humidade, o pó ou a vibração influenciam a escolha e a conceção das soluções de refrigeração. Ignorar estas condições pode levar a um arrefecimento ineficaz ou mesmo à avaria dos componentes antes do momento certo.
Concentrar-se apenas no arrefecimento ativo: Este também considera a abordagem do arrefecimento no design de peso e fornece refrigerantes activos, tais como ventoinhas e sistemas de arrefecimento líquido - que são uma boa opção. A utilização de tubos de calor e a conceção correta dos componentes permitem melhorar os sistemas de arrefecimento adicionais e a sua eficiência.
Sem ter em conta a manutenção e a fiabilidade: Não se pode esquecer o facto de que todos os sistemas de arrefecimento electrónicos necessitam regularmente de uma manutenção adequada ao longo do tempo. Esta manutenção, neste caso, consiste na mudança e limpeza dos filtros e dos fluidos utilizados no arrefecimento. A não realização regular de tais trabalhos finos pode diminuir a eficácia do arrefecimento e, mais ainda, há o risco de fiabilidade.
Ter em mente os lembretes mencionados e tentar evitá-los ajudará a criar produtos químicos que satisfaçam melhor os requisitos térmicos, construindo uma avaliação futura da fiabilidade e durabilidade dos sistemas de arrefecimento eletrónico inteligentes.
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