Fase de Conceito – Refrigeração e Fluxo de Ar Parte 1

Nesta parcela do projeto de laptop de código aberto, vamos dar uma olhada mais de perto no sistema de refrigeração. Primeiro, vamos focar no fluxo de ar dentro do dispositivo e descobrir o que precisamos considerar para atender aos requisitos definidos no artigo anterior.

Durante a fase de conceito, olhamos para os requisitos técnicos chave que deveriam ser implementados na unidade final. Um desses requisitos era que nenhum ar pode ser puxado pela parte inferior do dispositivo. Muitos, se não a maioria, dos laptops no mercado fazem exatamente isso — e com boas razões. Antes de mergulharmos no modelo CAD e começarmos a trabalhar em nosso próprio design, vamos dar uma olhada no status quo e ver o que podemos aprender com a abordagem comprovada.

Dando uma olhada no Dell XPS 9500

Para mostrar como uma solução de refrigeração é implementada em um laptop moderno, vamos olhar para o Dell XPS 9500. Este é um dispositivo de 15 polegadas com um processador i7-10750 e uma GPU NVIDIA GTX 1650 Ti, que pode consumir mais de 100 watts sob carga total. A solução de refrigeração, portanto, será muito maior do que a de um dispositivo de 13 polegadas, mas o princípio de funcionamento permanece o mesmo.

Na parte inferior do dispositivo, vemos um grande número de fendas de entrada de ar. O arranjo das fendas de ventilação se estende por quase todo o comprimento da tampa inferior do dispositivo.

Vista inferior do DELL XSP 9500

Removendo a tampa inferior, revela-se que apenas uma pequena parte das fendas de ventilação é realmente usada pelos ventiladores internos. Aproximadamente 50% das aberturas de ar estão fechadas com uma folha isolante. Nas áreas onde o ar pode ser puxado ativamente, não há filtro de ar presente na frente dos ventiladores. Filtros de ar de malha fina podem ter uma resistência ao fluxo particularmente alta. É por isso que é interessante que um sistema sem um filtro adicional no lado de baixa pressão possa funcionar por um período de uso de três anos sem qualquer perda de desempenho devido a aletas de refrigeração bloqueadas. Claro, este exemplo não é totalmente representativo, pois a quantidade de partículas e o tamanho das partículas variam de lugar para lugar.

Capa inferior do dispositivo

A máquina utiliza dois ventiladores radiais, cada um com um pacote de dissipador de calor de aletas tipo zíper localizado diretamente na frente da saída do ventilador. Os dois pacotes de dissipador de calor estão conectados ao CPU e GPU principais usando dois tubos de calor planos de 8mm.

Sobrepor as duas imagens da capa inferior e o arranjo dos componentes mostra como o fluxo de ar dentro do sistema se desenvolve.

Fluxo de ar dentro do XPS 9500

Os benefícios desta disposição são:

• O caminho do fluxo é o mais curto possível, o que minimiza a queda de pressão e permite uma maior velocidade do ar através do dissipador de calor;
• Nenhum ar é forçado sobre a placa-mãe ou qualquer outro componente interno, tornando improvável o acúmulo de poeira nos componentes eletrônicos;
• A entrada de ar frio e a saída de ar quente são espaçadas amplamente.

As desvantagens desta disposição são:

• As aberturas de ventilação na parte inferior são facilmente bloqueadas ao usar o laptop em uma superfície macia;
• Não ter fluxo de ar através da placa-mãe significa que todos os componentes que geram calor precisam de um grande dissipador de calor, ou precisam ser termicamente acoplados ao dissipador de calor do CPU ou GPU.

Conceito de fluxo de ar do laptop de código aberto

Os benefícios da abordagem anterior são argumentos muito bons para colocar a entrada de ar na parte inferior do dispositivo. No entanto, deve haver maneiras de mover a entrada de ar para a parte traseira do dispositivo ou para os lados sem criar gargalos desnecessários.

Portanto, consideramos duas abordagens para o design do conceito de refrigeração:

Para a primeira abordagem, o ar é puxado pelo lado direito do dispositivo, passa sobre a placa-mãe e é expelido pelo lado esquerdo do laptop. O pacote de dissipador de calor fica diretamente entre as aberturas de ventilação no lado esquerdo do laptop e o ventilador radial.

A principal desvantagem dessa abordagem é que a placa-mãe precisa ser localizada na frente do laptop, abaixo do trackpad. O pacote de bateria teria que ser colocado abaixo do teclado. Isso desloca o centro de massa do laptop para trás, o que o torna instável ao abrir e usar com a tela dobrada totalmente para trás. Posteriormente, descartamos essa abordagem como resultado.

A ilustração a seguir mostra como o fluxo de ar teria se desenvolvido no primeiro conceito. (Veremos como configurar uma simulação como esta usando ferramentas gratuitas e de código aberto mais tarde.)

Caminho do fluxo do conceito de resfriamento descartado

Uma vez que realocar a bateria para a parte traseira está fora de questão, um novo arranjo dos componentes internos teve que ser projetado. E porque a placa-mãe agora está localizada abaixo do teclado, puxar ar pelos lados não é mais uma opção, pois o espaço necessário para as saídas de ar já está ocupado pelas interfaces IO.

Como uma abordagem alternativa, colocamos tanto a entrada quanto a saída de ar na parte traseira do laptop. Dessa forma, quase todo o comprimento do laptop pode ser utilizado como saídas de ar, minimizando a resistência ao fluxo. Se a entrada for colocada perto da saída, deve-se ter cuidado para não puxar ar quente de volta para a máquina.

O caminho atualizado do fluxo de ar é assim:

Caminho atualizado do fluxo de ar

Com essa abordagem, uma grande seção na parte traseira do dispositivo é dedicada à entrada de ar de resfriamento. Como a área de seção transversal dessa entrada de ar é relativamente grande, podemos instalar um filtro de malha fina na frente da entrada sem causar muita queda de pressão. O ar de resfriamento filtrado passa pela placa-mãe e nos permite resfriar componentes como os SSDs, memória, VRMs e circuitos de suporte. E porque o ar de resfriamento é filtrado, também reduzimos o risco de acumulação de poeira na placa-mãe. Um benefício adicional de puxar o ar de resfriamento pela placa-mãe é que podemos garantir que bolsões de ar quente não se formem entre o teclado e a placa-mãe. Isso deve reduzir efetivamente a temperatura do teclado sob uso intenso.

A seguinte renderização ilustra o novo posicionamento da placa-mãe sob o módulo do teclado:

Posicionamento da placa-mãe sob o módulo do teclado

Espaço livre para entrada do ventilador de refrigeração

Com o fluxo de ar configurado conforme ilustrado acima, temos uma abordagem válida para refrigerar o sistema. Agora, precisamos integrar esse conceito ao CAD e verificar a abordagem usando simulações na iteração inicial.

Antes de refinar o modelo CAD, precisamos entender as restrições em torno do posicionamento do ventilador no sistema. Deve-se prestar atenção especial ao espaço livre ao redor da entrada do ventilador de refrigeração. A entrada de ar do ventilador está posicionada diretamente sob o módulo do teclado, fornecendo apenas uma pequena lacuna para a entrada de ar. Poderíamos verificar a queda de pressão dessa seção usando simulações. No entanto, efeitos aerodinâmicos adicionais entram em jogo ao colocar obstáculos muito próximos à entrada de um ventilador. Ventiladores axiais são especialmente suscetíveis a bloqueios no caminho de entrada. Enquanto ventiladores centrífugos são geralmente mais adequados para ambientes com alta resistência ao fluxo, um fluxo de ar subótimo perto da entrada pode ter um grande impacto no desempenho.

Queremos garantir que não ocorram fluxos giratórios ou rotativos na entrada do ventilador. Isso pode degradar o desempenho do ventilador e criar ruído adicional. Também precisamos garantir que um fluxo de massa distribuído uniformemente entre no ventilador para que cada parte do rotor do ventilador experimente uma diferença de pressão uniforme.

Fluxos rotativos na entrada do ventilador podem ser criados pela influência do próprio rotor do ventilador se um obstáculo plano for colocado próximo à entrada. Infelizmente, esta é exatamente a posição de montagem do ventilador usado no conceito de refrigeração delineado. Modelar esses fluxos rotativos usando simulações é muito difícil e requer conhecimento exato da geometria da lâmina do ventilador. Como a simulação não é uma opção viável, teremos que fazer medições do ventilador.

Medição simplificada do ventilador

O objetivo é determinar a distância mínima que um obstáculo plano deve ser mantido da entrada do ventilador.

No arranjo experimental, a velocidade do ar de um ventilador de refrigeração é medida sem qualquer obstrução na entrada do ventilador. Uma placa de bloqueio é utilizada, sendo aproximada cada vez mais da entrada de ar do ventilador enquanto a velocidade do ar na saída do ventilador é monitorada. Desta forma, pode-se estabelecer uma função da velocidade do ar de saída versus a distância do bloqueio até a entrada do ventilador. Esta função deve nos dizer qual a distância mínima do obstáculo até a entrada que deve ser mantida sem diminuir o desempenho do ventilador em mais de 10%.

Para alcançar o resultado desejado, é necessário um método repetível de medição da velocidade do ar na saída do ventilador. Como não tenho acesso a um anemômetro que possa medir a velocidade do ar de uma saída de ventilador tão pequena, teremos que improvisar.

Para isso, usaremos dois ventiladores de refrigeração acoplados, com apenas um ventilador sendo acionado ativamente. O segundo ventilador é movido pelo fluxo de ar gerado pelo primeiro ventilador, assim podemos utilizar o sinal de tacho do segundo ventilador para medir a velocidade do rotor com um contador de frequência.

Ao tentar acionar um ventilador apenas com o fluxo de ar fornecido por uma fonte externa, podemos rapidamente nos deparar com um problema—especialmente em taxas de fluxo baixas. O torque de cogging magnético do motor do ventilador faz com que o ventilador gire apenas em altas velocidades de fluxo.

Para evitar isso, o segundo ventilador deve ser modificado removendo o estator, mas deixando a placa de circuito com o sensor Hall para o sinal do tacômetro intacto. Veja como fizemos isso:

• Então, usando um arranjo de ímãs, podemos empurrar o rotor para fora de seu rolamento MagFix:

• Finalmente, conseguimos remover o motor do ventilador sem danificar a placa de controle PCB:

Após remontar o ventilador com essas modificações, ele agora pode ser usado para indicar fluxos de ar de velocidade muito baixa. Usando a saída do tacho, a taxa de rotação pode ser quantificada com precisão. O ventilador emite dois pulsos por revolução.

Para realizar medições repetíveis e confiáveis, um design mecânico sólido é necessário. Um suporte impresso em 3D simples é usado para fixar os dois ventiladores no lugar, enquanto fornece um guia de ar do dispositivo de teste para o ventilador de medição.

Dispositivo de teste impresso em 3D

Dispositivo de teste impresso em 3D após instalar o ventilador de teste e medição

Resultados das medições simplificadas do ventilador

Usando o conjunto de medição de teste descrito acima, uma placa de bloqueio foi colocada na frente da entrada do DUT. A distância entre a placa de bloqueio e a entrada de ar do ventilador variou entre 0mm e 2mm em passos de 0,1mm. Uma corrida de teste sem a placa de bloqueio foi usada como referência para a velocidade máxima de ar alcançável, enquanto ao mesmo tempo, o nível de som foi registrado.

Resultado da medição velocidade do ar vs. distância até a obstrução da entrada

Distribuição espectral do nível de ruído

O resultado da medição mostra que precisamos de uma folga de entrada de pelo menos 1,1mm para garantir que o desempenho do ventilador não diminua mais do que 10%. A distribuição espectral do ruído do ventilador parece surpreendentemente semelhante para todas as medições. Há alguma variação nas faixas de frequência mais alta, especialmente para as medições a curta distância — o que é esperado. As medições com uma distância de mais de 1mm mostram apenas pequenas desvios no espectro de ruído entre si.

Simulação de fluxo de ar

As medições anteriores nos forneceram insights importantes que agora podem ser transferidos para o modelo CAD. O ventilador deve ser integrado com uma distância de pelo menos 1,1mm entre a entrada do ventilador e o módulo do teclado montado acima do ventilador.

Com o espaçador de montagem correto para o ventilador radial, a folga entre o módulo do teclado e o lado superior do ventilador é de aproximadamente 1,92mm. Deste valor, 0,5mm precisa ser subtraído para um reforço e folha isolante sob o teclado. Felizmente, a distância ainda é maior que 1,1mm. Com o posicionamento preliminar do ventilador no sistema feito, um modelo de simulação pode ser criado a partir da geometria existente.

Distância entre a entrada do ventilador e a parte inferior do módulo do teclado

O objetivo do modelo de simulação é fornecer uma queda de pressão entre a entrada de ar do laptop e a saída de ar. O pacote de dissipador de calor e o filtro de ar criarão a maior queda de pressão no caminho do fluxo. Esses dois aspectos ainda serão definidos e serão levados em conta em uma simulação futura. Por agora, nosso foco é apenas no perfil de fluxo dentro do laptop e na queda de pressão associada.

A queda de pressão do caminho de ar interno será calculada para várias taxas de fluxo volumétrico. Varrendo várias taxas de fluxo, podemos criar uma função da queda de pressão versus a taxa de fluxo volumétrico. A interseção entre esta função e a curva do ventilador fornecida pela ficha técnica do ventilador nos diz o fluxo de ar volumétrico final e, portanto, a velocidade do ar gerada pelo ventilador no sistema. A função da queda de pressão do perfil de fluxo precisa ser compensada pela função da queda de pressão para o dissipador de calor embalado e filtro de ar, uma vez que estes tenham sido calculados.

Para preparar a simulação, o modelo CAD precisa ser simplificado e o volume para o domínio de simulação de fluidos precisa ser extraído. No primeiro passo, os componentes localizados na placa-mãe serão substituídos por modelos de caixa delimitadora. Isso reduz grandemente a complexidade da geometria, bem como a complexidade da malha de simulação que será criada posteriormente.

Componentes na placa-mãe com geometria original

A caixa delimitadora é configurada de tal forma que segue grandes características da geometria, mas inclui características com um alto número de vértices. Pequenas características com alto detalhe não terão um impacto significativo no perfil de fluxo e, portanto, podem ser deixadas de fora.

Caixas delimitadoras envolvendo características críticas da geometria dentro do domínio de simulação

Com a representação simplificada dos componentes no lugar, o volume de ar no interior do laptop pode ser extraído com uma simples operação de diferença booleana entre a caixa do laptop, a placa-mãe com todos os seus componentes e o volume de ar simplificado.

Volume de ar que será usado para a simulação

Executar a primeira simulação com uma taxa de fluxo volumétrico de 1m³/h fornece a seguinte distribuição de velocidade e pressão:

Resultados da primeira simulação

Esta simulação nos fornece duas informações muito importantes. O primeiro resultado é a queda de pressão média entre a entrada e a saída de 15 pascal. O segundo resultado refere-se ao ponto azul escuro visível no mapa de calor do campo de pressão. Esta área localizada de pressão muito baixa é o centro de uma corrente de ar rotativa — um pequeno vórtice diretamente acima da entrada do ventilador. Esta rotação se desenvolve porque a corrente de ar que entra no domínio tem um impulso perpendicular ao eixo do ventilador. À medida que o ar se aproxima do ventilador, ele acelera e forma um vórtice rotativo rápido devido à conservação do momento.

Como descrito na seção anterior, um fluxo de ar giratório na entrada de um ventilador causa ruído adicional e reduz a eficiência. Portanto, temos que encontrar uma maneira de evitar a formação de um vórtice. Isso será um desafio para uma atualização futura.

Realizando uma varredura na taxa de fluxo volumétrico, a simulação revela a seguinte curva de queda de pressão versus taxa de fluxo:

Queda de pressão versus taxa de fluxo volumétrico do caminho de ar interno do laptop

A ficha técnica do ventilador atualmente em consideração fornece o seguinte gráfico de pressão vs. taxa de fluxo volumétrico:

Ficha técnica do ventilador

Extraindo os valores de X e Y da curva do ventilador e colocando-os no mesmo diagrama que a queda de pressão simulada nos mostra duas funções que se intersectam. A interseção entre a curva do ventilador e a curva de queda de pressão simulada indica qual taxa de fluxo volumétrico e qual pressão serão estabelecidas na unidade. No entanto, ainda estamos faltando dois parâmetros críticos da aleta; a queda de pressão do dissipador de calor e a queda de pressão do filtro de ar. Com o fluxo de trabalho estabelecido acima, adicionar esses valores posteriormente não será um problema.

O fluxo de ar resultante para o sistema sem dissipador de calor e filtro de ar deve ser aproximadamente 1.5m³/h a uma queda de pressão de 28 pascal.

Curva do ventilador vs. curva de queda de pressão

Nas próximas atualizações do projeto, vamos refinar ainda mais o conceito de fluxo de ar e aprofundar o uso de ferramentas de código aberto para simulação de fluxo e transferência de calor. Também vamos projetar, montar e testar os primeiros componentes do laptop.

Ainda há muito a explorar, então fique atento!