Explorando soluções de gestão térmica para indústrias modernas

Introdução

No atual panorama tecnologicamente avançado, a procura incessante de mais potência, velocidade e eficiência deu origem a um desafio muitas vezes invisível mas crítico: o calor. Desde os poderosos processadores em centros de dados em expansão até aos sistemas de baterias compactas em veículos eléctricos, a gestão térmica eficaz já não é uma reflexão tardia sobre o design - é um pilar fundamental da indústria moderna. O calor não controlado pode degradar o desempenho, comprometer a fiabilidade e até levar a falhas catastróficas em várias indústrias.

Este guia foi concebido para os engenheiros, projectistas de produtos e decisores encarregados de resolver estes desafios térmicos. Iremos explorar os princípios fundamentais da transferência de calor, aprofundar os componentes essenciais de uma vasta gama de soluções de gestão térmica para diversas aplicações, comparar diferentes abordagens e destacar os principais intervenientes da indústria que oferecem soluções avançadas de gestão térmica. O nosso objetivo é fornecer um roteiro claro e abrangente para o ajudar a navegar neste campo complexo e a tomar decisões informadas que melhorem o desempenho e a longevidade dos seus produtos.

O que são soluções de gestão térmica nas indústrias modernas?

No fundo, um gestão térmica é um sistema concebido e projetado que é utilizado para regular e arrefecer a quantidade de calor em excesso produzido por um dispositivo ou processos mecânicos para permitir que este melhore dentro do seu intervalo de temperatura ideal. É uma forma abrangente de saber como o calor é produzido, a direção que toma, bem como a melhor forma de o transmitir ao ambiente para garantir um funcionamento fiável. As soluções incluem normalmente uma tecnologia avançada de transferência de calor baseada no sistema em geral para proporcionar a máxima fiabilidade e uma elevada eficiência energética.

A ciência por detrás da transferência de calor

Existem três princípios básicos de transferência de calor, que regem todos os locais das soluções de gestão térmica. Um design eficaz consolida engenhosamente os três.

• Condução: Trata-se do transporte direto de calor entre dois corpos sólidos. O calor desloca-se de locais quentes para locais frios, tal como a eletricidade se desloca num fio. Um exemplo num ambiente de fabrico é quando o fluxo de calor através de um material de interface térmica para um dissipador de calor de alumínio é causado por um processador que aquece. A condutividade térmica de um material define a eficiência da condução.
• Convecção: Pode ser definida como a transferência de calor através do movimento de fluidos (líquidos ou gases). Na convecção forçada, uma ventoinha sopra ar que transporta calor à volta de um dissipador de calor. A convecção natural ocorre quando o ar mais leve encontra o seu caminho para cima devido à sua temperatura. A convecção define a maioria dos sistemas de arrefecimento, onde é efectuado o processo de transferência de calor do dispositivo para o resto do ambiente.
• Radiação: Trata-se de um movimento de calor sob a forma de ondas electromagnéticas e principalmente de raios infravermelhos. O invólucro com acabamento preto mate vai irradiar mais e será melhor do que um invólucro metálico e brilhante. Embora a radiação seja normalmente um subproduto menor no arrefecimento por ar forçado, constitui um acréscimo importante em sistemas selados ou em recipientes sob vácuo onde não podem ocorrer transportes.

Porque é que são importantes?

O valor de uma estratégia térmica forte não pode ser sobrestimado. Esta tem uma influência direta em três importantes pilares do sucesso do produto:

• Desempenho: Os componentes electrónicos, como o GPU e o CPU, devem funcionar dentro de um determinado intervalo de temperaturas. Incluem também mecanismos de auto-preservação em caso de sobreaquecimento para evitar danos, que incluem, entre outros, a limitação térmica, o que reduz consideravelmente a velocidade de processamento. Um estudo efectuado pela Google aos seus servidores de centros de dados em 2020 provou que pequenas alterações de temperatura resultariam numa diminuição mensurável do desempenho.
• Fiabilidade Tempo de vida: Um dos principais factores que conduzem ao envelhecimento dos componentes é o calor. A equação de Arrhenius, uma das pedras angulares da engenharia de fiabilidade, afirma que um aumento de temperatura de 10 o C no funcionamento de um dispositivo eletrónico pode reduzir a sua vida útil em 50 % ou mais. Isto significa que a gestão térmica é diretamente um investimento para a durabilidade do produto e para a redução das garantias a longo prazo dos componentes electrónicos críticos, que podem alimentar sistemas vitais.
• Segurança: As preocupações de segurança, como numa bateria de um veículo elétrico ou num equipamento médico, dependem da gestão térmica. Um aumento descontrolado do calor provocará a "fuga térmica", causando potencialmente um incêndio ou explosão das baterias de células de iões de lítio. Devem existir sistemas de arrefecimento eficientes para ajudar a evitar esses riscos e manter a quantidade de energia utilizada a níveis seguros e sustentáveis.

Desafios comuns de gestão térmica na indústria

Há sempre um conjunto de desafios que os engenheiros encontram na conceção de sistemas de refrigeração eficientes. Conhecer estes desafios principais será o passo inicial para encontrar uma solução resiliente.

Superar temperaturas ambiente elevadas

A temperatura (ambiente) em torno da maior parte das instalações industriais, incluindo pavimentos de fábricas, recintos exteriores ou locais de perfuração, já é, à partida, elevada. Este facto diminui a diferença de temperatura (ΔT) entre o dispositivo e a sua envolvente, e é muito mais difícil encontrar uma forma viável de permitir que o calor se dissipe naturalmente. Uma solução perfeitamente aceitável num laboratório a 25 °C pode ser desastrosa numa instalação no deserto a 50 °C, onde se torna uma atividade de missão crítica lidar com o excesso de calor.

Lidar com as limitações de propagação de calor

O mundo da eletrónica moderna está a tornar-se pequeno em tamanho, mas poderoso em conteúdo. Isto provoca pontos quentes, ou seja, regiões com um fluxo de calor elevado e concentrado. Não é apenas um problema de eliminar o calor global, mas também um problema de retirar o calor de uma pequena matriz (como uma CPU) e espalhá-lo por uma área maior, onde se encontra empobrecido. As temperaturas locais podem, assim, subir em flecha, embora a temperatura média do dispositivo possa ser relativamente amena.

Restrições materiais e questões de desempenho

O movimento do calor é determinado pelos materiais com que um determinado produto é fabricado. Os invólucros feitos de plástico são um bom isolante que retém o calor. Os metais conduzem ainda melhor, mas é necessário ter em conta o peso, o custo e a complexidade de fabrico. Além disso, a resistência térmica devida à interface entre componentes (por exemplo, um chip e o seu dissipador de calor) dificulta o fluxo de calor. Estas barreiras de material e de interface são lutas perenes de engenharia que têm implicações francas no desempenho térmico do sistema como um todo.

Componentes principais das soluções de gestão térmica

Uma solução térmica total é normalmente um conjunto de várias peças que têm funções diferentes. Existem aquelas que são mais comummente classificadas como passivas ou activas, e a forma como são utilizadas garante uma gestão térmica adequada do sistema como um todo.

Componentes de arrefecimento passivo: A base da dissipação de calor

Os componentes passivos não utilizam energia externa, pelo que apenas estão envolvidos os princípios de condução e de convecção/radiação natural. Estes elementos tendem a ser a principal proteção contra o calor excessivo quando existe uma fonte de energia limitada para o sistema.

• Dissipadores de calor: Os elementos passivos mais comuns são dissipadores de calor. São peças em forma de cubo (alumínio ou cobre) que são esculpidas com aletas para que tenham uma área de superfície muito maior para transferir o calor para o ar. São normalmente utilizados para arrefecer as partes importantes como CPU, GPU e transístores de potência.
• Tubos de calor e câmaras de vapor: São dissipadores de calor de elevada eficiência. Mantêm o fluido de trabalho num recipiente selado por vácuo. O líquido arrefece através do calor para vaporizar e gravita sobre a corrente de temperatura mais baixa para condensar e, subsequentemente, regressar ao longo do caminho da fonte de calor. Podem transportar calor com uma condutividade térmica muito boa, centenas de vezes superior à do cobre sólido, pelo que são muitas vezes essenciais para facilitar o controlo rigoroso das temperaturas exigido pelos projectos miniaturizados.
• Materiais de Interface Térmica (TIMs): Duas superfícies sólidas nunca estão em contacto perfeito ao nível microscópico, pois têm fendas preenchidas por ar com a capacidade de arrefecer qualquer coisa. Estas fendas são normalmente seladas por TIMs, que podem ser massa térmica, almofadas ou adesivos para proporcionar um caminho condutor entre um elemento de aquecimento e o seu dissipador de calor. Ajudam a reduzir a resistência térmica e a melhorar o desempenho total da transferência de calor.

Componentes de arrefecimento activos: Aumentar o desempenho térmico

Os componentes activos consomem energia externa para proporcionar uma capacidade de remoção de energia muito maior, sendo necessária a sua utilização numa aplicação em que as aplicações de média a alta potência estariam fora das capacidades de remoção térmica apenas dos componentes passivos, devido à acumulação excessiva de calor.

• Ventiladores e sopradores: Estes são o núcleo da maioria dos sistemas activos de arrefecimento a ar. Também provocam a convecção forçada do fluxo de ar, o que aumenta drasticamente a quantidade de calor removido por um dissipador de calor. Um ventilador axial produz um fluxo de ar ao longo do eixo de rotação (o que é favorável na maioria dos fluxos de ar gerais), e um ventilador (ou ventilador centrífugo) expele ou força o ar numa direção de 90 graus, produzindo uma pressão mais elevada para ultrapassar a impedância do sistema em caixas estreitamente espaçadas. Uma utilização eficiente do controlo de temperatura requer seleção e colocação.
• Sistemas de arrefecimento líquido: Níveis extremamente elevados de cargas de calor utilizam o arrefecimento líquido em sistemas líquidos. Uma fonte de calor utiliza uma placa fria ligada a um líquido de arrefecimento (como uma fórmula de glicol ou água). Este fluido quente é então passado através de um radiador onde uma ventoinha o arrefece, que por sua vez é recirculado. Um caso em questão pode ser normalmente visto em computação de alto desempenho, lasers médicos e arrefecimento de baterias de veículos eléctricos, em que é necessário arrefecer o componente específico com transferência de calor localizada suficiente para conseguir uma gestão térmica desobstruída do sistema completo.
• Refrigeradores termoeléctricos (TECs): Também chamados dispositivos Peltier, são um tipo de dispositivo de estado sólido que actua como uma bomba de calor em miniatura. Quando a corrente contínua é aplicada, uma metade torna-se fria e a outra quente. São aplicados para fins de arrefecimento pontual mais fino e são frequentemente menos eficientes do que os sistemas de compressão de vapor.

Escolher as soluções de gestão térmica corretas: Um olhar comparativo

A seleção da solução certa envolve um compromisso entre desempenho, custo, complexidade e fiabilidade. Não existe uma resposta única para todos os casos, mas é fundamental compreender as soluções de compromisso.

Como se pode ver na tabela, o arrefecimento por ar forçado encontra-se no ponto ideal de uma enorme quantidade de aplicações industriais e electrónicas. A um custo e complexidade acessíveis, representa uma melhoria significativa do desempenho em relação ao arrefecimento passivo, a um nível de custo e complexidade gerível e não compromete o nível de fiabilidade dos sistemas industriais. Isto faz com que a seleção de uma ventoinha adequada seja uma escolha de conceção vital.

Principais fornecedores de soluções de gestão térmica a observar

No mercado dos fornecedores, pode ser esmagador. Existem três empresas que pertencem a vários pontos fortes do ecossistema de gestão térmica para encontrar um parceiro que se adapte às suas necessidades exactas.

1. Vertiv

No mercado dos fornecedores, pode ser avassalador. Existem três actores principais no panorama que vamos destacar para o fazer compreender o panorama, que reflecte um segmento diferente mas também importante no cenário da gestão térmica. Desde sistemas para toda a instalação até peças flexíveis de grande volume e especialistas no assunto, a apreciação das suas capacidades guiá-lo-á para encontrar o tipo de empresa adequado para o ajudar a resolver o seu problema único.

A Vertiv é altamente competente em oferecer sistemas de gerenciamento térmico abrangentes e completos para sites de missão crítica em escala comercial, como data centers, sites de co-localização e redes de telecomunicações. A sua linha de produtos é enorme e inclui arrefecimento a ar de precisão, sistemas de arrefecimento a líquido topo de gama e sistemas de controlo e monitorização capazes de otimizar todo o ecossistema térmico para proporcionar o máximo em eficiência energética e fiabilidade.

Oferecem várias linhas de produtos estabelecidas, que são o arrefecimento em linha e o arrefecimento de perímetro orientados para aplicações de alta densidade. Também lideram o processo de arrefecimento líquido da computação da próxima geração, que fornece unidades de distribuição de refrigerante (CDU) e outras técnicas para lidar com a enorme geração de calor por IA e cargas de trabalho de computação de alto desempenho (HPC).

A Vertiv é mais adequada para o tomador de decisões de nível empresarial, operador de data center e gerente de infraestrutura de TI que precisa de uma solução térmica de alta potência, escalável e altamente gerenciada. Quando o seu problema é resfriar uma sala, um prédio inteiro ou um grande cluster de servidores concentrados e otimizar o custo de operação e o consumo de energia, a aplicação no nível do sistema é inigualável com o uso da Vertiv.

2. Delta

O Grupo Delta é uma empresa global de gestão de energia e térmica conhecida pela sua capacidade de engenharia de longa data e pela enorme escala de produção

A sua gama de produtos é extremamente vasta. Abrange ventiladores de alto desempenho para veículos de energia nova (NEV), ventiladores de ventilação ultra-eficientes para edifícios ecológicos inteligentes e soluções térmicas para equipamento de telecomunicações e servidores3. Oferecem também sistemas avançados de controlo climático para armários industriais, salvaguardando a eletrónica delicada no chão de fábrica.

Engenheiros e gerentes de compras que precisam de uma grande variedade de peças térmicas de desempenho confiáveis e de alta qualidade para fornecer um grande número de produtos precisam da Delta como fornecedor. Não apenas para projetar um novo laptop, mas também para projetar uma estação base de telecomunicações ou uma unidade de controle automotivo, a Delta fornece todas as peças de que você pode precisar e com qualidade de grande volume, o que a torna um fornecedor sério. Fornecem a espinha dorsal às empresas que necessitam de peças estabelecidas, prontas a usar ou semi-personalizadas para serem incorporadas nas suas linhas de produção.

3. ACDCFAN

Embora os problemas dos sistemas de grande escala se resolvam à escala das instalações, muitos problemas podem ser ultrapassados ao nível dos componentes. É para isso que serve um perito especializado como o ACDCFAN. Tendo passado mais de duas décadas na tarefa exclusiva de desenvolver ventiladores de arrefecimento AC, DC e EC, oferecem um destaque muito sólido aos projectistas e engenheiros que se dedicam ao grau de tolerância e desempenho dos componentes.

• Fiabilidade e durabilidade superiores: A fiabilidade é essencial nas condições difíceis das práticas industriais. O ventilador ACDCFAN foi concebido para ter uma vida útil garantida de 70 000 horas a 40 °C. Foram concebidos para proporcionar um tempo médio entre falhas (MTBF) de mais de 3 anos, três vezes superior ao padrão da indústria, projectando a estabilidade do desempenho durante longos períodos em aplicações exigentes a grande altitude.
• Material de elevada qualidade e desempenho: O ACDCFAN é construído utilizando uma estrutura de liga de alumínio de excelente qualidade com inserção de cobre, o que proporciona um desempenho de funcionamento da ventoinha mais estável em 30 por cento. Juntamente com as certificações internacionais (CE, UL, RoHS), esta atenção à qualidade do material torna o desempenho uniforme e fiável logo à partida.
• Soluções para ambientes agressivos: Também sabem que nem todas as aplicações envolvem uma sala limpa, pelo que fornecem soluções altamente protegidas até uma classificação IP68. Isto assegurará que as suas ventoinhas podem funcionar de forma fiável em ambientes poeirentos, húmidos ou molhados, onde as unidades normais desistiriam com raiva.
• Parceiro de confiança: Ao integrar esta qualidade superior com os seus preços moderados e assistência flexível, a ACDCFAN constitui um parceiro ideal para qualquer projeto, independentemente da sua dimensão. Oferece o know-how de uma pequena empresa e a relação de trabalho necessária para encontrar o componente de arrefecimento a ar ideal para aplicações de gestão térmica, sem as limitações de produção em massa dos grandes fornecedores.

Aplicações da gestão térmica em todos os sectores

Fabrico de eletrónica e de semicondutores: A precisão nesta indústria é essencial. A gestão térmica proporciona a fiabilidade dos processos de fabrico e faz com que os produtos finais, desde o mais pequeno microchip até ao mais densamente povoado placas de circuitos impressos (PCB)estável. É importante que os componentes importantes do equipamento eletrónico tenham um arrefecimento adequado para evitar qualquer desgaste no desempenho, bem como a estabilidade de funcionamento a longo prazo do produto.

Sectores automóvel e dos transportes: A gestão térmica automóvel é um dos temas quentes provocados pelo aparecimento dos veículos eléctricos (VE). Desempenha um papel fundamental na preservação da saúde da bateriaO controlo da temperatura em componentes electrónicos vitais, como os sistemas electrónicos de potência e os sistemas de controlo, é considerado vital para garantir a segurança rodoviária e o desempenho dos veículos. O controlo da temperatura em componentes electrónicos vitais, como os sistemas electrónicos de potência e de controlo, é considerado vital para garantir a segurança e o desempenho rodoviário.

Aeroespacial, Defesa e Energias renováveis: Os sectores aeroespacial, da defesa e das energias renováveis são os mais importantes, onde os sistemas têm de ser perfeitos em condições severas. As soluções térmicas desempenham um papel importante no arrefecimento de aviónicos sensíveis, eletrónica de nível militar e inversores a utilizar em centrais de energia solar e eólica.

Aplicações industriais: A robótica e a automação nas fábricas, incluindo as máquinas-ferramentas pesadas, as aplicações industriais devem ter uma boa gestão térmica para manter o tempo de funcionamento do sistema, aumentar a vida útil do equipamento e evitar lesões nos trabalhadores em condições de calor.

Conclusão

O controlo térmico evoluiu de uma questão simples de simplesmente colocar um dissipador de calor para uma competência de engenharia complicada e que sustenta a vida. Trata-se, de facto, de uma área de compromisso que podemos analisar: desempenho versus custo, tamanho versus fiabilidade. A solução mais potente quase nunca é a mais adequada, mas é a mais adequada para a solução específica, para o ambiente em que funciona e para os objectivos comerciais que alcança.

Na maioria destas aplicações, um sistema de arrefecimento de ar forçado corretamente concebido continua a ser a solução mais sólida, fiável e económica. Quando bem planeadas, tendo em consideração todo o sistema e os seus requisitos futuros, especialmente no que diz respeito aos requisitos de refrigeração, estas soluções de refrigeração eficientes podem trazer muitos benefícios operacionais e financeiros.

É por isso que no próximo projeto o encorajamos a ir além da folha de especificações e a ver o valor a longo prazo da sua solução térmica. Quando se decide utilizar uma data de qualidade e uma fonte de fornecimento empenhada em fornecer qualidade e consistência juntamente com serviço e apoio, não está apenas a arrefecer uma peça, está a investir no desempenho, na durabilidade e até no sucesso global do seu produto.