Enfriamiento por aire forzado impulsado por ventilador: ¿empujar o extraer el aire?

Aunque los diseñadores generalmente prefieren usar el enfriamiento natural por convección no forzado, muchas placas de circuitos, chasis, sistemas e instalaciones no pueden enfriarse adecuadamente con el flujo de aire que ofrece este método sencillo. En cambio, es común necesitar uno o más ventiladores para forzar el aire, a un volumen y una velocidad conocidos, a través del gabinete o el chasis para obtener el alivio térmico necesario para los componentes y sistemas calientes.

No faltan notas de aplicación buenas, claras y prácticas sobre cómo calcular el flujo de aire necesario para mantener el calor y la temperatura dentro del máximo permitido y cómo dimensionar los ventiladores para suministrar ese flujo de aire (Referencias 1 a 3). La decisión involucra más que solo el volumen y la tasa de flujo de aire necesarios. También contempla la posibilidad de usar un ventilador de mayor capacidad, como el CFM-4010V-070-273 de CUI Devices, una unidad de 40 × 40 milímetros (mm) y ocho pies cúbicos por minuto (ft3/min [CFM]) (Figura 1, izquierda), o dos ventiladores de menor capacidad del mismo contorno físico y apariencia similar, pero cada uno con aproximadamente la mitad del valor de CFM (4.22 CFM), como el CFM-4010C-050-195 de CUI Devices (Figura 1, derecha).

Figura 1: estos dos ventiladores tienen las mismas dimensiones rectangulares y apariencia general, pero el de la izquierda proporciona 8 CFM, mientras que el más delgado de la derecha proporciona alrededor de 4.22 CFM. (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Los ventiladores más pequeños se pueden usar en paralelo (uno al lado del otro) para aumentar el volumen del flujo de aire o en una cadena en serie (uno que conduce al otro) para aumentar la presión. El volumen y la presión están relacionados, ya que la presión del aire empuja el aire de enfriamiento, en volumen, a través de la impedancia de la ruta del flujo de aire.

¿Presión positiva o negativa?

Surge una pregunta obvia: ¿es mejor usar el ventilador para empujar aire fresco hacia la unidad (presión positiva) o es mejor colocar el ventilador en el lado de escape y extraer el aire caliente (presión negativa) para lograr la mejor ruta para el flujo de aire (Figura 2)?

Figura 2: en teoría, la ruta de flujo de aire preferida debería ir de adelante hacia atrás y de abajo hacia arriba, pero muchos diseños e instalaciones reales no permiten tal simplicidad. (Fuente de la imagen: voltcave.com)

Parece una pregunta bastante simple y debería tener una respuesta simple. El patrón del flujo de aire debe ser el mismo, independientemente del enfoque elegido. En otras palabras, ¿podría saber qué disposición se usó con solo mirar una imagen del flujo de aire tomada con un rastro de humo?

Sin embargo, como ocurre con la mayoría de los problemas de ingeniería, resulta que no hay una respuesta sencilla a esta simple pregunta. En cambio, hay dos respuestas algo contradictorias:

1. Realmente no importa
2. Depende de las circunstancias y los detalles de la aplicación

Siga a los jugadores

Investigué un poco sobre el enfriamiento por aire forzado usando ventiladores y, sorprendentemente, no encontré nada útil en las revistas académicas formales o incluso en los trabajos y proyectos menos formales de los estudiantes. Lo que encontré fue que muchos jugadores y overclockers de PC, y hay muchos por ahí, han investigado el problema (consulte las Referencias 4 a 13).

No es sorprendente ya que esos entusiastas suelen forzar bastante sus sistemas en términos de velocidad de reloj, lo que genera mayores demandas térmicas (ignoraremos el uso de refrigeración líquida). Sus informes y blogs iban desde suposiciones avanzadas hasta algunas pruebas reales, y sus sistemas tienen algunos atributos interesantes:

• Suelen ser unidades construidas en casa e independientes que no se montan en un bastidor o gabinete cerrado.
• No les preocupan las consideraciones de costos como sucede con los sistemas convencionales con mayores volúmenes de producción.
• Las mantienen cuidadosamente (son "mimadas").
• Tienen múltiples ubicaciones en el chasis para que los ventiladores se coloquen tanto para la entrada como para la salida, dirigiendo el aire de enfriamiento hacia o desde la ubicación interna que consideren más necesaria (Figura 3).

Figura 3: una PC para juegos disipa grandes cantidades de energía, lo que requiere un enfriamiento prolongado. Por lo general, tiene múltiples ventiladores situados alrededor de su periferia para maximizar y dirigir el flujo de aire, con algunos ventiladores que empujan el aire hacia adentro mientras que otros lo extraen. (Fuente de imagen: Appuals.com)

Por el contrario, muchas unidades comerciales de producción estándar a menudo se limitan a tener ventiladores ubicados solo en un lado o en dos lados opuestos y se montan en un bastidor o se colocan en un gabinete cerrado.

Diferencias entre el empuje y la extracción

¿Por qué es importante diferenciar el empuje de la extracción? No se debe únicamente a la ruta o la eficacia del flujo de aire, sino principalmente a la razón muy práctica de la acumulación de polvo en el filtro de polvo y las aspas del ventilador. En función de la disposición física del ventilador y la ruta del flujo de aire, cuando un ventilador empuja el aire en el extremo frontal, el polvo se acumulará en gran medida en la rejilla del filtro y, en menor medida, en las aspas. El resultado es una disminución del flujo de aire que va desde un pequeño porcentaje para un poco de polvo en los bordes de las aspas hasta una disminución de dos dígitos si la rejilla se obstruye. Afortunadamente, la rejilla es relativamente fácil de quitar y limpiar en la mayoría de los diseños.

Por el contrario, si el ventilador está en el puerto de escape y está extrayendo aire, es más probable que se acumule polvo en los componentes internos, ya que no hay filtro en el lado de entrada. Esa acumulación forma una manta aislante sobre los componentes y aumenta la impedancia térmica entre los componentes y el aire que pasa, lo que degrada la eficacia de enfriamiento del flujo de aire. La situación se complica aún más, ya que es probable que una carcasa de computadora o un chasis de producto típico tenga muchas aberturas pequeñas, grietas y hendiduras a través de las cuales el ventilador puede aspirar polvo.

Algunos de los jugadores que preferían un extractor de aire para sacar el aire intentaron resolver el problema del polvo agregando filtros alrededor de la carcasa de la PC por donde entra el aire, pero las numerosas aberturas pequeñas de la carcasa hicieron que no fuera efectivo. Otra preocupación era que extraer aire en lugar de empujarlo podría crear "zonas de vacío" localizadas detrás de algunos componentes más grandes, lo que disminuiría el enfriamiento en esos sitios.

Por el contrario, si el ventilador empuja el aire después de filtrarlo, los componentes internos permanecerán limpios. Por otro lado, el ventilador agrega carga de calor adicional a los componentes si empuja aire hacia adentro, pero no agrega carga de calor al componente si se extrae aire. ¡Es un mundo de confusión y contraindicaciones!

Mi siguiente pensamiento fue: ¿por qué no simplemente simular la situación del flujo de aire de empujar contra extraer utilizando la sofisticación de uno de los muchos paquetes de modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) disponibles (Figura 4)?

Figura 4: el modelado CFD puede analizar las situaciones del flujo de aire y de temperatura resultantes en detalle, pero no parece abordar la cuestión de empujar/extraer. (Fuente de imagen: SEACAD Technologies)

Eso parece bastante lógico, pero, al revisar varias docenas de análisis relevantes, no pude encontrar a nadie que hubiera hecho esto y publicado sus resultados. Incluso los proveedores de modelado térmico y de aplicaciones de enfriamiento no tenían nada que pudiera encontrar sobre el tema, lo cual fue bastante sorprendente.

La pregunta de empuje versus extracción y mi posterior búsqueda de respuestas me llevaron a tres conclusiones:

• Primero, haga cualquier cosa que tenga sentido en la ubicación física con respecto al empuje y la extracción, a menos que tenga pruebas sólidas de un enfoque sobre el otro, ya que no hay una respuesta general definitiva.

• Segundo, a alguien le iría bien si se pusiera a buscar subvenciones para estudiar el problema: tiene que haber alguien, en algún lugar, que apoye esos estudios. Podría ser un proveedor de CFD de modelado térmico, un proveedor de ventiladores o quizás el Departamento de Defensa (el enfriamiento es un problema muy importante para el ejército).

• Tercero, considere hacer lo que hacen muchos jugadores y tenga ventiladores en ambos extremos de la ruta del flujo de aire si es posible: uno para empujar y el otro para extraer. De esa manera, no se preocupará si tomó la decisión correcta y aumentará el flujo de aire y su enfriamiento al mismo tiempo. Y no tiene que preocuparse por el ruido adicional: el ruido total de dos ventiladores no se percibe como el doble de ruido de un ventilador, ya que el aumento es de 3 decibelios (dB) apenas perceptibles. Esa es una solución beneficiosa para todos en muchos sentidos.

Conclusión

Se necesitan ventiladores en muchos diseños para forzar un mayor flujo de aire de enfriamiento que el que puede proporcionar la convección natural por sí sola. Además de dimensionar los ventiladores para obtener un flujo de aire suficiente, también está la cuestión de la ubicación de dichos ventiladores. Finalmente, usar uno o más ventiladores para empujar aire hacia un chasis o a través de una placa de circuito en lugar de extraerlo sigue siendo un tema complicado con compensaciones y cierta falta de claridad.

Contenido relacionado

Parámetros importantes para optimizar la operación de los ventiladores de CC

https://www.digikey.com/en/articles/important-parameters-for-optimizing-dc-fan-operation

Selección de un ventilador

https://www.digikey.com/en/articles/selecting-a-fan

Comparación de ventiladores axiales y ventiladores centrífugos

https://www.digikey.com/en/articles/comparing-axial-fans-and-centrifugal-fans

Introducción a la gestión térmica

https://www.digikey.com/en/articles/an-introduction-to-thermal-management

Cómo mantener la calma: lo básico de la selección y aplicación de un disipador térmico

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection

Referencias

1. CUI Devices, “Consideraciones importantes al seleccionar un ventilador para enfriamiento por aire forzado”
2. CUI Devices, “Gestión térmica con ventiladores: hay más que considerar de lo que podría pensar”
3. CUI Devices, “Comprensión de los fundamentos del flujo de aire para la selección adecuada de un ventilador de CC”
4. Kitguru, “Configuración del ventilador: ¿importa? Prueba de empuje versus extracción frente a empuje y extracción”
5. Overclock.net, “¿Empujar o extraer aire a través de las aletas del radiador?”
6. Tom's Hardware, “Refrigeración líquida: ¿debería empujar el aire HACIA la carcasa o extraerlo?”
7. Tech Radar, “Derribando los mitos sobre el enfriamiento de PC con los expertos en ventiladores y carcasas de PC de Corsair”
8. Ars Technica, “Enfriamiento por empuje versus extracción”
9. How-to Geek, “Cómo administrar los ventiladores de su PC para un flujo de aire y enfriamiento óptimos”
10. Smart Buyer, “Enfriamiento de PC: cómo configurar los ventiladores de la carcasa de la computadora”
11. Quora, “¿La dirección del ventilador para el enfriamiento de la unidad central de procesamiento hace alguna diferencia?”
12. Otosection, “Flujo de aire de la carcasa de la computadora: ¿qué es la presión positiva y negativa?”
13. Appuals, “Cómo optimizar y mantener un flujo de aire positivo en su PC para juegos”