Fase de Concepto – Refrigeración y Flujo de Aire Parte 1

En esta entrega del proyecto de laptop de código abierto, vamos a examinar más de cerca el sistema de enfriamiento. Primero, nos centraremos en el flujo de aire dentro del dispositivo y descubriremos qué necesitamos considerar para cumplir con los requisitos definidos en el artículo anterior.

Durante la fase de concepto, examinamos los requisitos técnicos clave que deberían implementarse en la unidad final. Uno de esos requisitos era que no se puede succionar aire en la parte inferior del dispositivo. Muchas, si no la mayoría, de las laptops en el mercado hacen justamente eso, y con buena razón. Antes de sumergirnos en el modelo CAD y comenzar a trabajar en nuestro propio diseño, echemos un vistazo al status quo y veamos qué podemos aprender del enfoque probado.

Echando un vistazo al Dell XPS 9500

Para mostrar cómo se implementa una solución de enfriamiento en una laptop moderna, veremos el Dell XPS 9500. Este es un dispositivo de 15 pulgadas con un procesador i7-10750 y una GPU NVIDIA GTX 1650 Ti, que puede consumir más de 100 vatios bajo carga completa. Por lo tanto, la solución de enfriamiento será mucho más grande que la de un dispositivo de 13 pulgadas, pero el principio de funcionamiento sigue siendo el mismo.

En la parte inferior del dispositivo vemos un gran número de ranuras de entrada de aire. La matriz de ranuras de ventilación se extiende casi a lo largo de toda la longitud de la cubierta inferior del dispositivo.

Vista inferior del DELL XSP 9500

Al retirar la cubierta inferior se revela que solo una pequeña parte de las ranuras de ventilación son realmente utilizadas por los ventiladores internos. Aproximadamente el 50% de las rejillas de ventilación están cerradas con una lámina aislante. En las áreas donde el aire puede ser succionado activamente, no hay un filtro de aire delante de los ventiladores. Los filtros de aire de malla fina pueden tener una resistencia al flujo particularmente alta. Por eso es interesante que un sistema sin un filtro adicional en el lado de baja presión pueda funcionar durante un período de uso de tres años sin ninguna pérdida de rendimiento debido a aletas de enfriamiento bloqueadas. Por supuesto, este ejemplo no es totalmente representativo ya que la cantidad de partículas y el tamaño de las mismas varía de un lugar a otro.

Cubierta inferior del dispositivo

La máquina utiliza dos ventiladores radiales, cada uno con un paquete de disipador de calor de aletas con cremallera ubicado directamente frente a la salida del ventilador. Los dos paquetes de disipador de calor están conectados al CPU principal y al GPU usando dos tubos de calor planos de 8mm.

Superponer las dos imágenes de la cubierta inferior y la disposición de los componentes muestra cómo se desarrolla el flujo de aire dentro del sistema.

Flujo de aire dentro del XPS 9500

Los beneficios de esta disposición son:

• El camino del flujo es lo más corto posible, lo que minimiza la caída de presión y permite una mayor velocidad del aire a través del disipador de calor;
• No se fuerza aire sobre la placa base ni sobre ningún otro componente interno, lo que hace poco probable la acumulación de polvo en la electrónica;
• La entrada de aire fresco y la salida de aire caliente están ampliamente separadas.

Las desventajas de esta disposición son:

• Las ranuras de ventilación en la parte inferior se bloquean fácilmente al usar la laptop sobre una superficie blanda;
• No tener flujo de aire a través de la placa base significa que todos los componentes que generan calor necesitan un disipador de calor grande, o necesitan estar acoplados térmicamente al disipador de calor del CPU o GPU.

Concepto de flujo de aire del laptop de código abierto

Los beneficios del enfoque anterior son argumentos muy buenos para colocar la entrada de aire en la parte inferior del dispositivo. Sin embargo, debería haber formas de mover la entrada de aire ya sea hacia la parte trasera del dispositivo o hacia los lados sin crear cuellos de botella innecesarios.

Por lo tanto, consideramos dos enfoques para el diseño del concepto de enfriamiento:

Para el primer enfoque, el aire se introduce por el lado derecho del dispositivo, pasa sobre la placa base y se ventila por el lado izquierdo de la laptop. El paquete de disipador de calor se sitúa directamente entre las ranuras de ventilación en el lado izquierdo de la laptop y el ventilador radial.

El principal inconveniente de este enfoque es que la placa base necesita estar ubicada en la parte frontal del portátil, debajo del trackpad. El paquete de baterías tendría que estar ubicado debajo del teclado. Esto desplaza el centro de masa del portátil hacia atrás, lo que lo hace inestable al abrirlo y usarlo con la pantalla completamente reclinada hacia atrás. Descartamos este enfoque más adelante como resultado.

La siguiente ilustración muestra cómo se habría desarrollado el flujo de aire en el primer concepto. (Veremos cómo configurar una simulación como esta usando herramientas gratuitas y de código abierto más adelante.)

Trayectoria del flujo del concepto de enfriamiento descartado

Dado que reubicar la batería en la parte trasera está fuera de discusión, se tuvo que diseñar una nueva disposición de los componentes internos. Y debido a que la placa base ahora está ubicada debajo del teclado, ya no es posible aspirar aire desde los lados, ya que el espacio necesario para las rejillas de ventilación ya está ocupado por las interfaces de IO.

Como un enfoque alternativo, colocamos tanto la entrada como la salida de aire en la parte trasera del portátil. De esta manera, casi toda la longitud del portátil puede utilizarse como rejillas de ventilación minimizando la resistencia al flujo. Si la entrada se coloca cerca de la salida, debes tener cuidado de no volver a introducir aire caliente en la máquina.

El camino del flujo de aire actualizado se ve así:

Camino actualizado del flujo de aire

Con este enfoque, una gran sección en la parte trasera del dispositivo está dedicada a la entrada de aire de enfriamiento. Dado que el área transversal de esta entrada de aire es relativamente grande, podemos colocar un filtro de aire de malla fina frente a la entrada sin causar una caída de presión demasiado grande. El aire de enfriamiento filtrado pasa a través de la placa base y nos permite enfriar componentes como los SSD, memoria, VRMs y circuitos de soporte. Y debido a que el aire de enfriamiento está filtrado, también reducimos el riesgo de acumulación de polvo en la placa base. Un beneficio adicional de aspirar el aire de enfriamiento a través de la placa base es que podemos asegurarnos de que no se formen bolsas de aire caliente entre el teclado y la placa base. Esto debería reducir efectivamente la temperatura del teclado bajo un uso intensivo.

La siguiente ilustración muestra la nueva posición de la placa base debajo del módulo del teclado:

Posicionamiento de la placa base debajo del módulo del teclado

Espacio libre para la entrada del ventilador de enfriamiento

Con el flujo de aire configurado como se ilustra arriba, tenemos un enfoque válido para enfriar el sistema. Ahora, tenemos que integrar este concepto en CAD y verificar el enfoque utilizando simulaciones en la iteración inicial.

Antes de refinar el modelo CAD, necesitamos entender las restricciones alrededor de la colocación del ventilador en el sistema. Se debe prestar especial atención al espacio libre alrededor de la entrada del ventilador de enfriamiento. La entrada de aire del ventilador está posicionada directamente debajo del módulo del teclado proporcionando solo un pequeño espacio para aspirar aire. Podríamos verificar la caída de presión de esa sección utilizando simulaciones. Sin embargo, efectos aerodinámicos adicionales entran en juego cuando se colocan obstáculos muy cerca de la entrada de un ventilador. Los ventiladores axiales son especialmente susceptibles a obstrucciones en el camino de entrada. Mientras que los ventiladores centrífugos generalmente son más adecuados para entornos de alta resistencia al flujo, un flujo de aire subóptimo cerca de la entrada puede tener un gran impacto en el rendimiento.

Querremos asegurarnos de que no ocurran flujos giratorios o rotativos en la entrada del ventilador. Esto puede degradar el rendimiento del ventilador y crear ruido adicional. También necesitamos asegurar que un flujo de masa distribuido uniformemente entre al ventilador para que cada parte del rotor del ventilador experimente una diferencia de presión uniforme.

Los flujos rotativos en la entrada del ventilador pueden ser creados por la influencia del propio rotor del ventilador si se coloca un obstáculo plano cerca de la entrada. Desafortunadamente, esta es exactamente la posición de montaje del ventilador utilizado en el concepto de enfriamiento descrito. Modelar estos flujos rotativos utilizando simulaciones es muy difícil y requiere un conocimiento exacto de la geometría de las aspas del ventilador. Dado que la simulación no es una opción factible, tendremos que tomar medidas del ventilador.

Medición simplificada del ventilador

El objetivo es determinar la distancia mínima que se debe mantener un obstáculo plano de la entrada del ventilador.

En la configuración experimental, la velocidad del aire de un ventilador de enfriamiento se mide sin ninguna obstrucción en la entrada del ventilador. Se utiliza una placa de bloqueo, que se acerca cada vez más a la entrada de aire del ventilador mientras se monitorea la velocidad del aire en la salida del ventilador. De esta manera, se puede establecer una función de la velocidad del aire de salida versus la distancia del bloqueo a la entrada del ventilador. Esta función debería indicarnos cuál es la distancia mínima del obstáculo a la entrada sin disminuir el rendimiento del ventilador en más de un 10%.

Para lograr el resultado deseado, se requiere un método repetible de medición de la velocidad del aire en la salida del ventilador. Dado que no tengo acceso a un anemómetro que pueda medir la velocidad del aire de una salida de ventilador tan pequeña, tendremos que improvisar.

Para esto, utilizaremos dos ventiladores de enfriamiento acoplados juntos con solo un ventilador que está activamente impulsado. El segundo ventilador es impulsado por el flujo de aire generado por el primer ventilador, así que podemos hacer uso de la señal de tacho del segundo ventilador para medir la velocidad del rotor con un contador de frecuencia.

Al intentar impulsar un ventilador solo con el flujo de aire proporcionado por una fuente externa, podemos encontrarnos rápidamente con un problema, especialmente a bajas tasas de flujo. El par de cogging magnético del motor del ventilador hace que el ventilador solo rote a altas velocidades de flujo.

Para evitar esto, el segundo ventilador debe ser modificado quitando el estator mientras se deja intacta la placa de circuito con el sensor Hall para la señal del tacómetro. Así es como lo hicimos:

• Luego, utilizando un arreglo de imanes, podemos empujar el rotor fuera de su cojinete MagFix:

• Finalmente, somos capaces de quitar el motor del ventilador sin dañar la PCB del controlador:

Después de volver a montar el ventilador con estas modificaciones, ahora puede ser utilizado para indicar flujos de aire de muy baja velocidad. Utilizando la salida del tacho, la tasa de rotación puede ser cuantificada con precisión. El ventilador emite dos pulsos por revolución.

Para realizar mediciones repetibles y confiables, es necesario un diseño mecánico sólido. Se utiliza un soporte impreso en 3D simple para asegurar los dos ventiladores en su lugar mientras proporciona una guía de aire desde el dispositivo de prueba hasta el ventilador de medición.

Soporte de prueba impreso en 3D

Soporte de prueba impreso en 3D después de instalar el ventilador de prueba y medición

Resultados de las mediciones simplificadas de ventiladores

Utilizando el conjunto de medición de prueba descrito anteriormente, se colocó una placa de bloqueo frente a la entrada del DUT. La distancia entre la placa de bloqueo y la entrada de aire del ventilador varió entre 0mm y 2mm en pasos de 0.1mm. Una prueba sin la placa de bloqueo se utilizó como referencia para la velocidad máxima de aire alcanzable, mientras que al mismo tiempo, se registró el nivel de sonido.

Resultado de la medición velocidad del aire vs. distancia a la obstrucción de entrada

Distribución espectral del nivel de ruido

El resultado de la medición muestra que necesitamos un espacio de entrada de al menos 1.1mm para asegurar que el rendimiento del ventilador no disminuya más del 10%. La distribución espectral del ruido del ventilador parece sorprendentemente similar para todas las mediciones. Hay cierta variación en los rangos de frecuencia más altos, especialmente para las mediciones a corta distancia, lo cual es de esperar. Las mediciones con una distancia de más de 1mm muestran solo desviaciones muy pequeñas en el espectro de ruido entre sí.

Simulación de flujo de aire

Las mediciones anteriores nos proporcionaron información importante que ahora puede ser transferida al modelo CAD. El ventilador debe integrarse con una distancia de al menos 1.1mm entre la entrada del ventilador y el módulo del teclado montado sobre el ventilador.

Con el separador de montaje correcto para el ventilador radial, la distancia entre el módulo del teclado y la parte superior del ventilador es de aproximadamente 1.92mm. De ese valor, se necesita restar 0.5mm para un refuerzo y una lámina aislante debajo del teclado. Afortunadamente, la distancia sigue siendo mayor de 1.1mm. Con la colocación preliminar del ventilador en el sistema hecha, se puede crear un modelo de simulación a partir de la geometría existente.

Distancia entre la entrada del ventilador y la parte inferior del módulo del teclado

El objetivo del modelo de simulación es proporcionar una caída de presión entre la entrada de aire del portátil y la salida de aire. El paquete de disipador de calor y el filtro de aire crearán la mayor caída de presión en el camino del flujo. Estos dos aspectos aún están por definirse y se tomarán en cuenta en una futura simulación. Por ahora, nuestro enfoque está solo en el perfil de flujo dentro del portátil y la caída de presión asociada.

La caída de presión del camino de aire interno se calculará para varios caudales volumétricos. Barrer a través de varios caudales nos permite crear una función de la caída de presión versus el caudal volumétrico. La intersección entre esta función y la curva del ventilador proporcionada por la hoja de datos del ventilador nos indica el flujo de aire volumétrico final y, por lo tanto, la velocidad del aire generada por el ventilador en el sistema. La función de la caída de presión del perfil de flujo necesita ser compensada por la función de la caída de presión para el paquete de disipador de calor y filtro de aire una vez que estos hayan sido calculados.

Para preparar la simulación, el modelo CAD necesita ser simplificado y el volumen para el dominio de simulación de fluidos necesita ser extraído. En el primer paso, los componentes ubicados en la placa base serán sustituidos por modelos de caja delimitadora. Esto reduce en gran medida la complejidad de la geometría así como la complejidad de la malla de simulación que se creará más adelante.

Componentes en la placa base con geometría original

El cuadro delimitador se configura de tal manera que sigue las grandes características de la geometría, pero encierra características con un alto número de vértices. Las características pequeñas pero con alto detalle no tendrán un impacto significativo en el perfil de flujo y, por lo tanto, pueden ser omitidas.

Cuadros delimitadores envueltos alrededor de características críticas de la geometría dentro del dominio de simulación

Con la representación simplificada de los componentes en su lugar, el volumen de aire en el interior del portátil puede ser extraído con una simple operación de diferencia booleana entre la carcasa del portátil, la placa base con todos sus componentes y el volumen de aire simplificado.

Volumen de aire que se utilizará para la simulación

Realizar la primera simulación a una tasa de flujo volumétrico de 1m³/h proporciona la siguiente distribución de velocidad y presión:

Resultados de la primera simulación

Esta simulación nos proporciona dos conocimientos muy importantes. El primer resultado es la caída de presión media entre la entrada y la salida de 15 pascales. El segundo resultado se refiere al punto azul oscuro visible en el mapa de calor del campo de presión. Esta área localizada de presión muy baja es el centro de una corriente de aire giratoria—un pequeño vórtice directamente encima de la entrada del ventilador. Esta rotación se desarrolla porque la corriente de aire que entra en el dominio tiene un impulso perpendicular al eje del ventilador. A medida que el aire se acerca al ventilador, aumenta su velocidad y forma un vórtice giratorio rápido debido a la conservación del momento.

Como se describió en la sección anterior, un flujo de aire giratorio en la entrada de un ventilador causa ruido adicional y reduce la eficiencia. Por lo tanto, tenemos que encontrar una manera de prevenir la formación de un vórtice. Eso será un desafío para una futura actualización.

Realizando un barrido a través de la tasa de flujo volumétrico, la simulación revela la siguiente curva de caída de presión versus tasa de flujo:

Caída de presión versus tasa de flujo volumétrico del camino de aire interno del portátil

La hoja de datos del ventilador actualmente en consideración proporciona el siguiente gráfico de presión vs. tasa de flujo volumétrico:

Hoja de datos del ventilador

Extrayendo los valores X e Y de la curva del ventilador y colocándolos en el mismo diagrama que la caída de presión simulada nos muestra dos funciones que se intersectan. La intersección entre la curva del ventilador y la curva de caída de presión simulada indica qué tasa de flujo volumétrico y qué presión se establecerán en la unidad. Sin embargo, todavía nos faltan dos parámetros críticos de la aleta; la caída de presión del disipador de calor y la caída de presión del filtro de aire. Con el flujo de trabajo establecido anteriormente, agregar estos valores más adelante no será un problema.

El flujo de aire resultante para el sistema sin disipador de calor y filtro de aire debería ser aproximadamente de 1.5m³/h a una caída de presión de 28 pascales.

TRANSLATE:

Curva del ventilador vs. curva de caída de presión

En las próximas actualizaciones del proyecto, vamos a refinar aún más el concepto de flujo de aire y profundizaremos en el uso de herramientas de código abierto para la simulación de flujo y transferencia de calor. También vamos a diseñar, ensamblar y probar los primeros componentes del portátil.

Todavía hay mucho por explorar, ¡así que mantente atento!