Raffreddamento ad aria forzata: come scegliere la ventola più idonea

Sebbene la conduzione rappresenti il modo più semplice per rimuovere il calore da un sistema, nel caso in cui i componenti elettronici coinvolti siano racchiusi in un alloggiamento (come accade nel montaggio a rack), l'efficienza con cui il calore viene rimosso risulterà in qualche modo penalizzata. Per questo motivo, la quasi totalità dei sistemi per i quali è prevista la presenza di un alloggiamento ricorrerà al raffreddamento ad aria forzata che quindi richiederà la presenza di ventole per smaltire l'accumulo di calore. Poiché sul mercato è disponibile un'ampia gamma di ventole, sarà necessario scegliere con cura il modello più adatto per la particolare applicazione considerata.

Nel momento in cui un progettista si appresta a sviluppare una soluzione per la gestione termica, è senz'altro utile generare un profilo termico dettagliato del sistema elettronico in modo da individuare in punti in cui il calore viene generato e quali sono le quantità coinvolte. Un'operazione di questo tipo dovrebbe prendere in considerazione tutte le possibili condizioni operative. Un'accurata distribuzione di sensori di temperatura attorno alla scheda PCB e all'interno dell'alloggiamento dovrebbe consentire di acquisire tutti i dati necessari. Una volta terminata questa procedura, il progettista può individuare il posizionamento e la portata della soluzione di gestione termica necessari per il particolare sistema considerato. Oltre ad acquisire informazioni relative al calore generato dai singoli componenti elettronici, questa operazione di profilazione fornisce al progettista utili informazioni circa il flusso d'aria intorno al sistema e la presenza di eventuali impedenze.

La conoscenza dell'impedenza del sistema (in termini di caduta della pressione dell'aria osservata tra ingressi e uscite) è di fondamentale importanza per poter stimare in maniera accurata il flusso d'aria complessivo che la ventola deve generare. Per ricavare l'impedenza del sistema è possibile eseguire misure della caduta di pressione mediante sensori. Ponendo l'intero sistema in una camera per il test del flusso d'aria (air chamber) si ottengono risultati qualitativamente migliori. Nel caso di sistemi di maggiori dimensioni (come i moderni data center ad alta densità) è necessario ricorrere a più sofisticate tecniche di fluido-dinamica computazionale (CFD - Computational Fluid Dynamics). Grazie a questa tecnica è possibile determinare i profili termici con un più elevato grado di precisione.

L'implementazione di un meccanismo di gestione termica efficace nel rispetto dei vincoli imposti in termini di ingombri e di budget è un'operazione di bilanciamento abbastanza complessa. L'elemento chiave di questo processo è riuscire a individuare di quanto può aumentare la temperatura interna del sistema senza per questo provocare un incremento del rischio che si verifichi un guasto operativo. L'analisi del sistema e l'identificazione del componente "più critico" in relazione alla sua temperatura operativa consentirà di ottenere il valore della temperatura ambiente massima. La dissipazione di potenza combinata di tutti i componenti coinvolti (come MOSFET, microprocessori e così via) fornirà la potenza totale dissipata dal progetto complessivo. La potenza dissipata (espressa in W) equivale all'energia (Joule/s) che si manifesta sotto forma di calore. L'equazione 1 descrive la relazione che intercorre tra l'incremento di temperatura dovuto al funzionamento dei componenti elettronici del sistema e il flusso d'aria.

Equazione 1:

q = w x Cp x ΔT

dove:

q - quantità di calore assorbito dall'aria (W),
w - flusso massico dell'aria (kg/s)
Cp - calore specifico dell'aria (Joule/kg • K)
ΔT - aumento di temperatura dell'aria (°C)
Una volta note la massima temperatura ammissibile all'interno dell'alloggiamento e la quantità di calore generato (determinata sulla base della potenza/calore complessivo dissipato dai componenti) è possibile calcolare esattamente la quantità di flusso d'aria richiesto (Eq. 2).

Equazione 2:

Q = [q/(r x Cp x ΔT)] x 60

dove:

Q - flusso d'aria (m3/min),
q - quantità di calore da dissipare (W)
r - densità dell'aria (kg/m3)
Cp - calore specifico dell'aria (Joule/kg • K)
ΔT - aumento di temperatura dell'aria (°C)

Inserendo il valore delle costanti per Cp e r a una temperatura di 26°C si ottiene la seguente equazione di tipo generale per il calcolo del flusso d'aria:

Equazione 3:

Q = 0,05 x q/ΔT

Il valore del flusso d'aria corrispondente al sistema preso in considerazione può essere confrontato con le specifiche della ventola per individuare il prodotto più idoneo. I costruttori di ventole caratterizzano i loro prodotti mediante un grafico delle prestazioni in cui viene riportato il flusso d'aria in funzione della pressione statica, come visibile in figura 1.

Fig.1 - Esempio di grafico che rappresenta la curva delle prestazioni di una ventola

Il grafico in questione è relativo alle ventole della serie CFM-HYPERLINK 120 di CUI. Queste ventole assiali con dimensioni del telaio pari a 120x120 mm prevedono l'uso di un doppio cuscinetto a sfera e supportano velocità di 4600 RPM. A questo punto è utile tener presente che l'equazione 3 si riferisce a una rappresentazione idealizzata, nella quale non sono stati presi in considerazione effetti come ad esempio la contropressione dovuta all'alloggiamento. In realtà ci sarà sempre un'impedenza di sistema (come discusso in precedenza) da tenere in considerazione. Per determinare i requisiti reali della ventola è importante calcolare l'impedenza del sistema. La curva relativa a questa impedenza può essere riportata graficamente sulla curva delle prestazioni della ventola: l'intersezione tra le due curve determina il punto di funzionamento della ventola (si faccia riferimento alla figura 2).

Fig.2 - L'intersezione tra la curva di impedenza del sistema e la curva delle prestazioni della ventola determina il punto di funzionamento

La misura del flusso d'aria attraverso un alloggiamento, come menzionato in precedenza, può essere effettuata utilizzando una camera per il test del flusso d'aria. Se ciò non fosse possibile, l'approccio alternativo è stabilire un punto di funzionamento posto al di sopra di quello determinato in base all'equazione 3 in modo da avere un buon margine di sicurezza in termini di flusso d'aria supportato. Durante la fase di progettazione è necessario implementare tutte le metodologie atte a minimizzare l'impedenza del sistema in quanto questo parametro influenzerà la scelta del ventilatore; è ovvio che un basso valore di impedenza consentirà di optare per un ventilatore con specifiche meno spinte. Per quanto possibile, è consigliabile lasciare le aree nelle vicinanze degli ingressi e delle uscite della ventola libere da componenti. Il posizionamento dei componenti sulla scheda PCB dovrebbe essere tale da favorire il flusso d'aria verso/attorno ai componenti, utilizzando quando necessario apposite guide atte a favorire questo processo. Inoltre, è necessario adottare opportuni accorgimenti nel caso in cui il sistema venga utilizzato ad alta quota (come nel caso delle applicazioni aerospaziali). Nelle equazioni riportate in precedenza si è fatta l'ipotesi che la densità dell'aria sia quella calcolata a livello del mare. Nel momento in cui la densità dell'aria si riduce a causa dell'altezza, è necessario prevedere un significativo aumento del flusso d'aria.

Scelta della ventola

Le ventole, oltre a essere disponibili in versioni per il funzionamento in continua (DC) e in alternata (AC), sono suddivise in diverse categorie a seconda della modalità con cui l'aria entra ed esce dall'unità. Nel caso delle ventole assiali l'aria uscirà sul medesimo piano dal quale è entrata (in pratica aspira l'aria da un laro e la espelle dall'altro), mentre le ventole centrifughe (dette anche soffiatori) sono realizzate in modo tale che il flusso d'aria viene reindirizzato e lascia l'unità su un piano completamente differente. Queste ultime possono effettivamente comprimere l'aria, garantendo un flusso d'aria costante per valori di pressione differenti. Il volume del flusso d'aria richiesto e la pressione statica del sistema determineranno la tipologia di ventola più idonea per soddisfare i requisiti della particolare applicazione considerata. Le ventole assiali sono più adatte per sistemi che richiedono un elevato flusso d'aria in presenza di bassi valori di pressione statica. Le ventole centrifughe, viceversa, forniscono un flusso d'aria inferiore ma sono in grado di erogarlo in presenza di livelli di pressione statica più elevata.

Un altro aspetto da tenere in considerazione è il problema del rumore (sia quello udibile sia quello di natura elettrica). Anche se le ventole in continua possono essere caratterizzate da specifiche particolarmente spinte, il rumore udibile associato al loro utilizzo può rappresentare un problema nel progetto di determinati sistemi. Le ventole assiali, in generale, producono un rumore udibile inferiore rispetto a quelle centrifughe. Come già ricordato, la riduzione dell'impedenza di un sistema contribuirà a diminuire il flusso d'aria necessario con una conseguente riduzione del rumore udibile. Le ventole in DC, inoltre, generano anche interferenze elettromagnetiche (EMI) che devono essere eliminate. Allo scopo è possibile utilizzare nuclei di ferrite, schermature o dispositivi di filtraggio.

Tecnologia di controllo attivo

Grazie a caratteristiche quali funzionamento a basso consumo, dimensioni compatte ed elevato flusso d'aria, le ventole assiali sono ampiamente utilizzate negli alloggiamenti per montaggio a rack. In molti casi sono previste funzionalità aggiuntive che permettono di incrementare ulteriormente le prestazioni grazie a un maggior controllo della velocità di funzionamento. Ciò significa che è possibile minimizzare il loro impatto sul consumo di potenza complessivo. Come già evidenziato in precedenza, il calcolo della velocità minima del flusso d'aria richiesto per raffreddare adeguatamente un PCB popolato di componenti racchiuso all'interno di un alloggiamento consentirà ai progettisti di scegliere una ventola capace di garantire il raffreddamento necessario in tutte le condizioni operative. Ciò presuppone che la ventola funzioni costantemente anche quando non è richiesto il massimo raffreddamento. Anche se una situazione di questo tipo non dovrebbe comportare l'insorgere di guasti, la modalità di funzionamento adottata deve sempre essere quella relativa al caso peggiore (worst case): ovviamente si tratta di una modalità inefficiente dal punto di vista del sistema che comporta una sensibile riduzione della vita operativa della ventola. Per questo motivo ora si preferisce monitorare la temperatura all'interno dell'alloggiamento e avviare la relativa ventola solo quando necessario. Un approccio di questo tipo, anche se consente di aumentare la durata della ventola e ridurre il rumore udibile, può portare a problemi legati all'inerzia termica.

Inoltre, esiste la probabilità che venga segnalata una condizione di guasto nel caso in cui, a causa di un'ostruzione, la ventola non si avvia. Per risolvere problemi di questo tipo, le attuali ventole assiali in continua, come quelle della serie CFM di CUI, integrano una funzionalità di protezione contro il riavvio automatico. Essa rileva quando il motore della ventola non gira e interrompe automaticamente la corrente di pilotaggio. Le ventole presenti in questa famiglia, come il diffuso modello CFM-60, prevedono controlli opzionali come ad esempio tachimetro e sensori per il rilevamento della rotazione. Il tachimetro misura la velocità di rotazione del motore della ventola e produce un'uscita impulsiva che può essere usata all'interno del circuito di controllo (si faccia riferimento alla figura 3).

Fig.3 - Schema che esemplifica il modo con cui il segnale supporta il rilevamento della velocità

Se il motore si arresta, l'uscita non emette più alcun impulso e rimane nello stato logico alto oppure basso. La funzione di rilevamento della rotazione serve anche da sensore di blocco in modo tale che se il motore della ventola si blocca l'uscita è pilotata nello stato logico alto mentre resta nello stato logico basso durante il funzionamento normale (fig.4).

Fig.4 - Lo schema mostra il segnale di uscita che indica un guasto imputabile a una condizione di stallo/blocco

In definitiva, al crescere della complessità dei dispositivi a semiconduttore e della densità, a livello di componenti, delle schede PCB, aumentano le problematiche legate alla gestione termica. Per dissipare il calore dalle schede PCB ospitate all'interno di un alloggiamento il metodo più efficiente è il raffreddamento ad aria forzata. Una corretta definizione delle specifiche e una scelta della ventola in grado di soddisfare i requisiti del sistema garantiranno un funzionamento per un lungo periodo senza guasti. Viceversa, nel caso il raffreddamento ad aria forzata non risulti adeguato ai requisiti del sistema, la ventola sarà quasi certamente responsabile del guasto del sistema, anche se quest'ultimo avrà origine in un altro componente critico del sistema. La scelta della ventola è un processo che deve essere effettuato con cura e attenzione, in modo da poter individuare il dispositivo più idoneo in tempi brevi e a costi ragionevoli. Mouser e CUI cooperano attivamente per offrire ai progettisti i prodotti più avanzati per il raffreddamento ad aria forzata ottimizzati per soddisfare le loro specifiche esigenze.

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