Kipas dan heatsink - isap atau tiup?

Pertanyaan ini mencakupnya untuk lampiran. Namun, dari sudut pandang kipas yang terpasang pada heatsink tidak masalah apakah udara dihembuskan melalui sirip, atau dihisap melalui sirip. Dengan kata lain, apakah pola aliran udara cukup berbeda?

Ini adalah subjek yang sangat luas dan bukan yang bisa Anda jawab dengan yang sederhana lebih baik daripada jawaban yang lain.

Berdiri sendiri, sisi pukulan dari kipas angin memang menghasilkan "sungai" udara yang lebih terkonsentrasi, bergerak lebih cepat, dan lebih bergolak dibandingkan dengan sisi intake di mana udara ditarik hampir sama dari semua arah. Anda dapat menguji ini dengan cukup mudah dengan penggemar apa pun. Letakkan tangan Anda di depan sisi pukulan dan Anda akan merasakan aliran udara dan efek pendinginan. Letakkan tangan Anda di belakang dan efeknya jauh lebih sulit dideteksi.

Turbulensi juga sangat meningkatkan efisiensi perpindahan panas. Turbulensi sebenarnya adalah teman Anda.

Jadi dari sudut pandang itu saja, sisi pukulan memang tampak sisi pendinginan yang lebih baik.

Namun, ini bukan hanya tentang kipas angin.

Geometri dari pendingin yang dipilih juga sangat mempengaruhi kinerja kipas. Kipas putar yang ditampar di atas pendingin bersirip linier tipikal Anda sebenarnya akan sangat tidak efisien. Faktanya wilayah yang berada tepat di bawah bagian tengah kipas tidak akan mendapatkan pergerakan udara sama sekali. Ini tentu saja sangat disayangkan, karena di situlah letak benda yang Anda coba dinginkan.

Selanjutnya, kecuali sirip cukup dalam, aliran udara tidak terdistribusi secara umum. Terlalu dangkal, dan tekanan balik yang dihasilkan dapat benar-benar "menghentikan" kipas. Dalam keadaan seperti itu, memasang kipas ke arah "mengisap" sebenarnya dapat memperbaiki situasi karena udara akan memasuki sisi pendingin lebih linier untuk mengisi kekosongan dalam tekanan udara yang diciptakan oleh kipas.

Bisa dibilang, heat-sink yang ditunjukkan di atas mungkin lebih efisien dengan sirip yang lebih panjang dan kipas yang terpasang di satu ujung.

Desain yang lebih baik menggunakan heat sink radial seperti di bawah ini. Seperti yang Anda lihat, gaya di sini simetris secara radial terhadap aliran udara di seluruh keliling kipas dan akibatnya memberikan perpindahan panas yang lebih merata di sekitar inti pusat.

Namun, bahkan dengan gaya ini, intinya sendiri masih berventilasi buruk. Karena itu biasanya diproduksi sebagai inti konduktansi termal tinggi padat yang bertindak sebagai pipa panas. Bahkan kemudian, melihat gambar di bawah, area di sekitar inti di bagian persegi yang menyentuh chip sebenarnya adalah kekosongan udara yang cukup tidak efisien. Desain yang lebih baik akan memiliki area yang diisi dengan logam dalam struktur kerucut bulat. Namun, itu tentu saja tidak mungkin untuk diusir.

Jika bahan-bahan asli dan persiapan permukaan juga membuat perbedaan besar dalam desain heat-sink. Bahan konduktif yang sangat termal jelas yang terbaik, tetapi permukaannya juga harus cukup halus untuk tidak memungkinkan kantung udara untuk membentuk atau untuk menangkap partikel debu, tetapi juga tidak begitu halus sehingga udara melewati terlalu mudah di atasnya.

Orang tentu saja bisa menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk mendapatkan formula kecil yang sempurna, tetapi secara umum Anda tidak ingin heat-sink chrome krom tinggi. Aluminium sandblasted, atau tembaga sandblasted berlapis emas, jika Anda mampu membelinya, akan bekerja jauh lebih baik.

Masalah serius lainnya adalah kontaminasi.

Debu dan kotoran akan masuk ke kipas Anda dan heat-sink Anda. Seiring waktu, ini menumpuk dan sangat merusak kinerja unit. Karena itu, lebih bijaksana untuk merancang pengaturan kipas dan heat-sink Anda sebaik pembilas sendiri.

Di sinilah kipas blower biasanya menang. Dengan aliran udara yang terkontrol dan jika udara yang masuk dapat dijaga kebersihannya, ia cenderung meniup debu dari heat-sink. Yang membawa saya ke poin berikutnya.

Sumber dan Penghapusan Udara

Anda dapat menghabiskan ribuan dolar untuk mengembangkan pengaturan kipas dan heat sink yang sempurna dan semuanya akan sia-sia jika Anda tidak berurusan dengan sisa udara di sekitar sistem pendingin Anda, terutama di kandang yang ketat.

Panas tidak hanya harus dihilangkan dari perangkat Anda ke udara, tetapi udara panas itu kemudian harus dihapus dari sekitarnya. Gagal melakukannya akan hanya mensirkulasi ulang udara panas dan kegagalan termal masih akan terjadi pada perangkat yang Anda coba lindungi.

Karena itu, kabinet Anda harus diventilasi dan Anda juga harus menyertakan kipas kabinet untuk menarik udara sejuk dari luar selungkup. Kipas ini harus selalu menyertakan saringan yang dapat dilepas dan atau busa untuk mengontrol jumlah debu sekitar yang disedot ke dalam unit. Panel knalpot tipe open grill dapat diterima, namun untuk operasi terbaik, tekanan positif harus dipertahankan di dalam kabinet sehingga aliran udara dipertahankan ke arah luar untuk kembali membatasi kontaminasi masuk.

Kasus khusus

Di mana pun unit akan dipasang di lingkungan yang ekstrem, tindakan khusus perlu diambil. Lingkungan berdebu tinggi seperti pabrik lantai dll., Atau lingkungan suhu lingkungan tinggi akan membutuhkan udara yang disalurkan langsung ke sasis, atau unit tertutup dan sistem pendinginan dua tahap, mungkin cair.

Kasus Kritis

Jika sistem Anda mengendalikan sesuatu yang kritis, maka sebaiknya memasukkan sensor termal dan kontrol kipas aktif sebagai bagian dari sistem pendingin Anda. Sistem tersebut harus mencakup fitur masuk ke kondisi aman dan memperingatkan pengguna untuk membersihkan filter atau mengurangi panas sekitar di sekitar sistem bila perlu untuk mencegah kegagalan kritis.

Satu Poin Lagi

Anda dapat menghabiskan setengah tahun uang pengembangan untuk mendapatkan desain heat-sink terbaik di dunia dengan kipas yang mahal dan sistem distribusi udara yang sempurna semua dikunci kemudian terbakar perangkat karena kurangnya senyawa termal senilai 2 sen.

Mendapatkan panas dari perangkat yang Anda coba lindungi ke heat-sink sering kali bisa menjadi titik terlemah dalam sistem. Komponen yang tidak dipasang dengan benar ke heat-sink dengan bahan ikatan termal yang tepat membunuh lebih banyak unit daripada seluruh masalah yang digabungkan.

Proses dan prosedur produksi Anda harus dikembangkan untuk memberikan aspek-aspek tersebut prioritas pertama.

Misalnya, jika Anda menggunakan tiga atau empat transistor gaya TO220 yang dipasang pada satu heat-sink, lebih baik untuk secara otomatis memasang mereka ke heat-sink itu, dan jika sesuai, heat-sink ke papan, SEBELUM melewati proses penyolderan. Ini memastikan koneksi termal mendapat prioritas.

Baik pasta termal konduktif, krim, gel dan atau bantalan termal yang terisolasi secara listrik harus selalu disertakan antara perangkat dan heat-sink untuk mengisi setiap celah udara yang disebabkan oleh tidak rata, atau menabrak perangkat atau permukaan heat-sink.

Dan tetap bersih. Mencemari ukuran atau sebutir garam, atau bahkan rambut yang tersesat, dapat menyebabkan kegagalan termal.

Pola tekanan akan berbeda.

Ketika meniup ke dalam, tekanan pada permukaan heatsink (sejajar dengan pisau) akan lebih tinggi, yang berarti konduktivitas termal yang lebih tinggi pada permukaan.

Ketika dihisap melalui sirip, tekanan pada permukaan sirip ortogonal ke fluks udara akan lebih tinggi.

Jadi saya pikir arah aliran udara yang benar tergantung pada rasio dimensi heatsink & membobotnya dengan pola penyebaran termal. Secara empiris orang bisa mengatakan bahwa ketika amplitudonya jauh lebih besar daripada kedalamannya, pasti tembus lebih baik.

Tambahan setelah komentar andresgongora ...

Pikirkan tekanan udara sebagai tegangan dan kecepatan udara sebagai arus, hambatan ortogonal mengalir sebagai hambatan, konveksi panas yang dihasilkan sebagai kekuatan. Atau pikirkan tekanan yang berinteraksi dengan panas per satuan waktu, yang disegarkan oleh laju aliran udara.

Jadi pola tekanan tidak akan memberikan gambaran yang tepat tentang apa yang terjadi di sana, pola konveksi penuh akan rumit tetapi memberikan ide yang baik tentang arah aliran udara yang lebih baik.

Panas ditransfer melalui konduksi, radiasi dan konveksi. Untuk mendinginkan IC, ketiga mode digunakan - konduksi dari die ke heatsink, radiasi dari heatsink ke lingkungan sekitarnya, konveksi dengan menggerakkan udara. Hukum Boyle dan Charles memberi kita , di mana = tekanan, = volume, adalah konstan dan adalah suhu absolut. Sekarang jika kita ingin melacak perubahan suhu dari waktu ke waktu, kita dapat membedakan persamaan ini. Ini memberi:P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

Jika Anda ingin memindahkan udara melalui volume yang tetap, , mis. Kasing komputer atau catu dayanya, maka ; dan tentu saja . Jadi, persamaannya menyederhanakan untuk:d $V$d$\frac{dV}{dt} = 0$$\frac{dk}{dt} = 0$

Dengan kata lain, jika Anda meningkatkan tekanan dari waktu ke waktu suhu akan naik, dan sebaliknya. Untuk membantu Anda memahami prinsip ini, pertimbangkan dua contoh ini:

1. ketika Anda memompa ban di sepeda dorong Anda menggunakan pompa tangan, ujung pompa terdekat outlet menjadi cukup hangat. Efek pemanasan ini diubah oleh istilah P.dV / dt, yang bukan nol.

2. jika Anda memiliki ruang kubik di rumah Anda dengan jendela dan pintu di keempat dinding vertikal, dan Anda mendapat angin panas dari Utara, Anda dapat mendinginkan ruangan dengan membuka jendela / pintu di dinding Utara dengan mengatakan 50 hingga 100 mm, dan membuka jendela / pintu di dinding lain dengan mengatakan 200 hingga 500 mm. Ini akan menurunkan tekanan di dalam ruangan dan menurunkan suhu.

Sekarang untuk masalah turbulensi.

Jumlah transfer panas tertinggi dari heatsink (atau komponen panas lainnya) terjadi di bawah aliran cairan laminar. Ketika aliran udara meningkat, Anda akhirnya bisa mencapai titik di mana aliran udara menjadi turbulen. Efek turbulensi adalah:

• area efektif kipas berkurang - tanyakan pilot prop-plane tentang efek pada propulsi ketika meningkatkan kecepatan penyangga di luar garis merah RPM
• kebisingan meningkat = energi yang hilang
• bentuk vortisitas, mengendapkan puing yang terbawa udara di area kecepatan rendah
• efisiensi kipas turun dan suhunya dapat meningkat
• kavitasi terjadi sehingga menimbulkan daerah aliran udara nol, dan karenanya
  kenaikan suhu merajalela.

Jadi, turbulensi jelas BUKAN teman Anda .

Anda dapat mencoba mengurangi kecepatan kipas untuk mengurangi turbulensi; jika kipas dirancang dengan baik, sudut bilah kipas akan menjadi kurva terus menerus untuk memperhitungkan peningkatan kecepatan udara saat udara melewati bilah. Jadi, memperlambat kipas berarti lengkungan bilah tidak lagi tepat untuk aliran laminar. Efek ini diatasi pada propeler pesawat dan kapal besar dengan memvariasikan 'pitch' blade, termasuk pitch terbalik. Ini biasanya tidak mungkin dilakukan dengan ukuran kipas pendingin yang digunakan dalam peralatan listrik.

Selubung penggemar

Jika ada jalur udara kontinu tanpa hambatan dari sisi bawah (tekanan tinggi, atau keluar) ke sisi atas (tekanan rendah, atau asupan), udara bertekanan tinggi hanya bergerak melalui jalur terpendek kembali ke saluran masuk dan aliran hilir berkurang. Anda melihat ini sepanjang waktu - baling-baling pesawat, baling-baling laut (lihat desain propulsi terbaru dari kapal perang Spanyol yang dipasok ke Australia), kipas pendingin rumah murah. Untuk mengatasi kehilangan ini dan dengan demikian meningkatkan keefektifan kipas, desain yang lebih baik memiliki selubung yang pas di sekitar ujung bilah kipas. PhD milik Frank Whittle termasuk menggunakan kipas yang terselubung di mesin jet-nya - jauh lebih efisien daripada baling-baling terbuka dan bagus untuk kenaikan suhu yang cepat untuk meningkatkan kecepatan gas buang.

Menggunakan tangan untuk mendeteksi pendinginan

Pendinginan yang Anda rasakan saat hilir kipas sebagian besar merupakan efek penguapan dari air yang mengalir di kulit Anda - hilangnya 540 kal / gram melalui penguapan tentu akan 'terasa' dingin. Tetapi efek pada komponen elektronik / listrik yang tidak memiliki air pada kulit mereka adalah nihil. Jadi, menggunakan tangan Anda untuk mendeteksi penurunan suhu adalah model yang salah.

SINGKATNYA:

Mengisap lebih baik daripada meniup untuk menurunkan suhu. Aliran laminar adalah cara yang paling efisien untuk melakukan konveksi dan menghantarkan panas. Selubung bilah kipas meningkatkan efektivitas dan efisiensi kipas.

Saya pikir itu tergantung desain. Faktor utama adalah:

• untuk mencari udara yang lebih dingin dan untuk mengeluarkan udara yang lebih panas ke arah yang diinginkan. Jika Anda menghisap keluar dari heat sink, aliran udara heat sink mungkin terletak di dekat elemen pemanas lainnya, dan karenanya udara yang bersumber mungkin bukan dari suhu rendah yang diperlukan, atau, suhu inflow dapat berubah dengan operasi, mengubah efisiensi negatif dari sistem pendingin;
• debu masuk ke lubang-lubang kecil heat sink. Jika Anda menerobos masuk, seperti yang dikatakan banyak komentator, Anda memiliki satu titik masuk udara dan mungkin ditutupi dengan filter, atau udara hanya dapat bersumber dari lokasi yang lebih bersih dengan desain. Jika Anda menyedot, sumber udara kemungkinan besar terletak sangat dekat dengan permukaan PCB dan komponen lainnya, mengisap dist akumulasi dari mereka.
• Ada cara lain untuk merancang sistem pendingin. Jika Anda membuka notebook kontemporer atau PC kelas atas, Anda mungkin menemukan air atau pendingin cairan lainnya, dan kipas mungkin tidak perlu diletakkan di dekat chip; dapat diletakkan di setiap lokasi yang menurut desainer mudah digunakan dan paling bersih.

Jadi saya memilih aliran masuk, tetapi sekali lagi, semua tergantung pada desain perangkat.

Saya bekerja untuk perusahaan teknologi Optical Networking (Telecom), dan selalu berurusan dengan pendinginan dan EMC. Komentar yang sangat baik untuk keputusan desain dasar untuk pertanyaan peralatan berbasis kartu / rak - untuk menempatkan kipas di sisi saringan udara masuk atau buang.

Saya telah diberitahu oleh beberapa vendor modul elektronik yang kami gunakan, yang menarik udara KEHILANGAN 10-15% efisiensi pendinginan. Dua pengamatan lain yang saya miliki adalah
1) Penggemar (besar) di INTAKE sayangnya MEMBERSIHKAN udara dengan gesekan dan disipasi panas motor-kipas
2) dalam mencoba menambahkan ducting / deflektor dalam kartu sirkuit kami untuk memfokuskan aliran udara GAGAL dengan sedih jika Anda MENDAPATKAN udara melalui PCBA.

Ini hanya menghalangi pergerakan udara, seperti fitur yang terlalu bagus - udara hanya berputar di sekitar heatsink! Saya percaya perbedaan dasarnya adalah PULLING udara menyebabkan pergerakan hanya dengan perbedaan tekanan (kurang turbulensi). PUSHING udara menggunakan turbulensi aktif dan perbedaan tekanan.

Ketika pertanyaan disingkat menjadi heat sink [umum] dan kipas [tipe blade aksial], pertanyaan itu layak mendapat jawaban yang lebih pendek. Dan jawabannya adalah, seperti biasa dan sayangnya, "itu tergantung".

(1) Ketika kipas dipasang di bagian atas pendingin di arah "mengisap", udara memasuki sirip (atau pin) dalam materi laminar (setidaknya relatif terhadap skala vortex yang lebih besar daripada jarak sirip / pin). Dengan demikian, lapisan batas di sekitar permukaan perpindahan panas tebal, dan perpindahan panas agak buruk. Terlebih lagi, dalam konstruksi wastafel satu sisi dengan kipas biasa, akan ada "zona mati" di pusat dengan aliran udara yang buruk, tepatnya di tempat di mana panas dihasilkan di bawah wastafel.

(2) Ketika kipas berhembus ke bilah pendingin, aliran udara keluaran turbulen, dan lapisan batas termal di sekitar permukaan logam tipis, sehingga aliran udara menembus lebih dalam ke struktur sirip dan dekat dengan permukaan logam, memberikan perpindahan panas yang baik. Dan kecepatan udara [turbulen] tertinggi adalah di sekitar pusat wastafel, di mana "tekanan" termal tertinggi.

Jadi, sepertinya case (2) memiliki keunggulan jelas atas case (1). Sayangnya, ada satu faktor lagi, yaitu kinerja kipas di bawah kondisi sekeliling yang berbeda. Tidak seperti blower yang menciptakan tekanan lebih tinggi relatif terhadap ruang sekitar (dan digunakan dalam desain pipa panas di dalam laptop), kipas aksial memberikan kinerja aliran udara yang lebih baik saat menghisap udara keluar dari ruang yang lebih sempit ke ambient, jadi case (1) memiliki beberapa pilihan di sini .

Di sisi lain, ketika kipas aksial menghadapi impedansi aerodinamik yang tinggi seperti ketika bertiup, itu dapat "korsleting" sendiri dan hanya menyediakan sedikit atau tidak ada aliran udara. Jadi penggunaan kipas aksial memiliki beberapa keuntungan dalam kasus termal yang lemah (1), sementara kinerja kipas yang sama dikurangi dengan menjalankannya ke area bertekanan (tetapi lebih efisien secara termal).

Jadi case (1) memiliki transfer panas yang buruk tetapi kinerja fan lebih baik, dan case (2) memiliki transfer panas yang lebih baik tetapi kinerja fan lebih buruk. Hasil akhirnya adalah "itu tergantung", yang mencakup beberapa faktor seperti ketebalan dan jarak sirip. Dan itu tergantung pada konstruksi kipas. Ada tiga jenis kipas aksial, tabung-aksial, aksial baling-baling, dan baling-baling, yang dapat memiliki bilah yang dioptimalkan untuk kinerja dalam satu arah atau lainnya. Kipas aksial tabung juga memiliki kinerja tekanan yang baik, dan digunakan di server blade. Jadi hasilnya bisa bervariasi.

Jelas, hasil terbaik dapat dicapai dengan desain dual-fan, seperti ini, di mana satu kipas bertiup, dan yang lain menyedot udara keluar.

Jika kipas dan heatsink tertutup di dalam saluran udara, Anda akan mendapatkan aliran udara yang sama di kedua sisi kipas, sehingga posisi heatsink tidak terlalu menjadi masalah. Untuk pengaturan "kipas di atas heatsink", sisi blow pasti memberikan pendinginan yang lebih baik.

Mengisap atau meniup bukanlah jawaban yang sederhana - itu menguap hingga (tidak ada kata pun dimaksudkan) suhu udara yang mengalir melalui heatsink, kecepatan aliran dan kontaminasi yang dapat menumpuk. Jadi jawaban sederhananya adalah udara yang paling sejuk, aliran udara terbaik dan yang paling tidak mencemari - hanya benar-benar dapat dijawab dengan penyelidikan dan percobaan.

Dalam kebanyakan kasus, kipas dalam mode sedotan jauh lebih baik daripada mode tiup.

Jika kipas ditempatkan dalam mode blow, tenaga angin akan diblokir dan disebarkan oleh heatsink sehingga panas akan menghilang di sekitar heatsink dan sebagai akibatnya sumber aliran udara yang sama akan dihisap kembali oleh kipas dan panas akan didaur ulang.

Dalam mode isap, panas akan terhempas dalam garis yang lebih terkonsentrasi sehingga lebih sedikit panas yang akan didaur ulang.

Pengecualiannya adalah kipas cukup kuat untuk meniup panas cukup jauh dari heatsink sehingga aliran udara tidak akan didaur ulang. Maka pukulan mungkin sebenarnya lebih baik karena lebih terkonsentrasi sehingga aliran udara lebih cepat (jumlah aliran udara yang sama tetapi lebih cepat) dan karena itu angin itu sendiri akan menjadi lebih dingin =)