Raffreddamento ad aria forzata con ventole: meglio aspirare l'aria o spingerla fuori?

Sebbene in genere i progettisti preferiscano impiegare un raffreddamento per convezione naturale e non forzato, molti circuiti stampati, telai, sistemi e installazioni non possono essere raffreddati in modo adeguato dal flusso d'aria offerto da quest'approccio. Spesso è invece necessario utilizzare una o più ventole per forzare l'ingresso dell'aria (secondo un volume e una velocità conosciuti) nell'involucro o telaio al fine di ottenere la dissipazione termica necessaria per componenti e sistemi che raggiungono temperature elevate.

Non mancano le note applicative valide, chiare e pratiche su come calcolare il flusso d'aria richiesto per tenere calore e temperatura al di sotto del valore massimo consentito e su come scegliere le dimensioni delle ventole (riferimenti da 1 a 3). La decisione non è legata solo al volume e alla velocità del flusso d'aria. Include anche se utilizzare un'unica ventola dalla capacità superiore, come CFM-4010V-070-273 di CUI Devices, un'unità di 40 × 40 mm da 0,21 m3/min (Figura 1, sinistra) o due ventole dalla capacità inferiore dello stesso profilo fisico e dall'aspetto simile, ma ciascuna dotata di circa la metà della portata (0,12 m3/min), come CFM-4010C-050-195 di CUI Devices (Figura 1, destra).

Figura 1: Queste due ventole hanno le stesse dimensioni rettangolari e aspetto generale, ma quella a sinistra è da 0,21 m3/min, mentre quella dal profilo più stretto a destra è da circa 0,12 m3/min. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Le ventole più piccole possono essere usate in parallelo (fianco a fianco) per aumentare il volume del flusso d'aria o in catena seriale (una dopo all'altra) per incrementare la pressione dell'aria. Volume e pressione sono collegati, in quanto la pressione spinge l'aria di raffreddamento (a volume) attraverso l'impedenza del percorso del flusso d'aria.

Pressione positiva o negativa?

Sorge una domanda spontanea: per ottenere il miglior percorso del flusso d'aria è meglio usare la ventola per aspirare l'aria all'interno dell'unità (pressione positiva) o per spingerla all'esterno (pressione negativa) (Figura 2)?

Figura 2: In teoria, il percorso preferibile del flusso d'aria dovrebbe andare dal davanti verso il retro e dal basso verso l'alto, ma molti progetti e installazioni del mondo reale non consentono una soluzione tanto semplice. (Immagine per gentile concessione di voltcave.com)

Sembra una domanda molto semplice che dovrebbe avere una risposta altrettanto semplice. Il percorso del flusso d'aria dovrebbe essere lo stesso a prescindere dall'approccio scelto. In altre parole, dovrebbe essere possibile capire che soluzione è stata adottata solo guardando un'immagine del flusso d'aria ottenuta tramite una scia di fumo.

Tuttavia, come avviene per la maggior parte delle sfide ingegneristiche, non c'è una risposta semplice a questa domanda. Vi sono invece due risposte, in parte contraddittorie:

1. Non è poi tanto importante.
2. Dipende dalle circostanze e dalle specifiche dell'applicazione.

I gamer lo sanno

Ho condotto alcune ricerche sul raffreddamento ad aria forzata con ventole e, sorprendentemente, non ho trovato nulla di utile in pubblicazioni accademiche e ancora meno in progetti e documenti a opera di studenti. Ho invece scoperto che molti gamer e overclocker (e ce ne sono davvero tantissimi) hanno ragionato su questa questione (vedere i riferimenti da 4 a 13).

La cosa non sorprende, in quanto questi entusiasti tendono a spingere davvero al limite i propri sistemi in termini di velocità di clock, cosa che genera una domanda termica maggiore (ignoreremo l'uso del raffreddamento a liquido). I loro interventi e blog spaziano da ipotesi avanzate a test effettivi e i loro sistemi sono dotati di alcuni attributi interessanti:

• Sono spesso unità auto-assemblate e autonome anziché montate su rack o armadi chiusi.
• Non tengono in considerazione i costi tanto quanto i sistemi convenzionali, prodotti in volumi maggiori.
• Vengono sottoposti a manutenzione con estrema cura.
• Nell'involucro sono presenti più aree in cui posizionare ventole che aspirino l'aria o la spingano fuori, dirigendo l'aria di raffreddamento da o verso un'area interna ritenuta essenziale (Figura 3).

Figura 3: Un PC da gaming dissipa elevate quantità di energia, rendendo necessario un raffreddamento completo. In genere dispone di più ventole poste lungo la sua periferia per massimizzare e dirigere il flusso d'aria, con alcune ventole dedite ad aspirare l'aria all'interno e altre a spingerla all'esterno. (Immagine per gentile concessione di Appuals.com)

Molte unità commerciali di produzione standard sono invece limitate ad avere delle ventole solo su un lato o su due lati opposti, e sono montate su rack o poste in un armadio chiuso.

Differenze tra aspirazione e spinta

Perché può essere importante distinguere tra aspirazione e spinta? Non solo per via del percorso della portata d'aria o della sua efficacia, ma soprattutto per l'aspetto molto pratico dell'accumulo di polvere sul filtro antipolvere e sulle pale della ventola. A seconda della disposizione fisica della ventola e del percorso del flusso d'aria, quando l'aria viene aspirata nel sistema, la polvere si accumula in grandi quantità sul filtro e un po' meno sulle pale. Il risultato è un flusso d'aria ridotto, da qualche punto percentuale se è presente della polvere sulle pale della ventola fino a valori anche a due cifre se il filtro è ostruito. Fortunatamente, nella maggior parte dei progetti è abbastanza facile rimuovere e pulire il filtro.

Se invece la ventola spinge l'aria è più probabile che la polvere si accumuli sui componenti interni, in quanto non c'è alcun filtro sul lato di ingresso dell'aria nella ventola. Tale accumulo forma uno strato isolante sui componenti e aumenta l'impedenza termica tra di essi e l'aria corrente, riducendo l'efficacia di raffreddamento del flusso d'aria. La situazione è ancora più complicata, in quanto un tipico involucro da computer o da dispositivo ha tante piccole aperture da cui la ventola può aspirare della polvere.

Alcuni gamer che hanno optato per una ventola che spinga l'aria hanno cercato di risolvere il problema aggiungendo dei filtri sull'involucro del PC nei punti da cui entra l'aria, ma le tante piccole aperture sul telaio rendono questa opzione poco efficace. Un altro problema è costituito dal fatto che aspirare aria all'interno anziché spingerla all'esterno può creare delle "zone di vuoto" dietro ai componenti più grandi, riducendo il raffreddamento di tali aree.

Viceversa, se la ventola aspira l'aria all'interno dopo che questa viene filtrata, i componenti interni rimangono puliti. Tuttavia, una ventola che aspira aria all'interno aggiunge un ulteriore carico di calore ai componenti. Una situazione piuttosto complicata, no?

A questo punto mi sono chiesto: perché non modellare il flusso d'aria utilizzando uno dei tanti pacchetti per la modellazione fluidodinamica computazionale (CFD) disponibili (Figura 4)?

Figura 4: La modellazione CFD può analizzare il flusso d'aria e le risultanti situazioni termiche in dettaglio, ma non sembra riuscire a trovare risposta al dubbio aspirazione/spinta. (Immagine per gentile concessione di SEACAD Technologies)

Sembra piuttosto logico, ma osservando parecchie decine di analisi rilevanti non sono riuscito a trovare qualcuno che l'avesse fatto e avesse poi pubblicato i risultati. Nemmeno i venditori di applicazioni per la modellazione termica e il raffreddamento avevano le informazioni che cercavo in materia, cosa che ho trovato abbastanza sorprendente.

Il dilemma tra aspirazione e spinta dell'aria e la mia successiva ricerca mi hanno condotto a tre conclusioni:

• Anzitutto, è bene compiere scelte sensate a livello di posizionamento fisico in merito alla questione delle ventole ad aspirazione o a spinta, a meno che non sia possibile provare con certezza che uno dei due approcci sia più adatto dell'altro, in quanto non esiste una risposta generale definitiva.

• In secondo luogo, potrebbe essere utile cercare finanziamenti per studiare il problema: deve pur esserci qualcuno interessato a studiare la questione. Potrebbe essere un fornitore di applicazioni per la modellazione CFD, un fornitore di ventole o forse lo stesso Ministero della Difesa (il riscaldamento dei componenti è un problema notevole per il settore militare).

• Terzo, valutare di seguire se possibile l'esempio dei gamer e installare ventole su entrambe le estremità del percorso del flusso d'aria: una ventola per aspirare l'aria e un'altra per spingerla via. In questo modo non sarà necessario preoccuparsi di aver fatto la scelta giusta e si aumenterà al contempo il flusso d'aria e il raffreddamento. Inoltre, non ci sarà bisogno di preoccuparsi del rumore aggiuntivo: il rumore di due ventole non viene percepito come due volte superiore a quello di una sola ventola, in quanto l'aumento è di soli 3 dB (decibel), a malapena percepibili. Si tratta quindi di una soluzione vincente in entrambi i casi.

Conclusione

Le ventole sono necessarie in molti progetti per forzare un flusso d'aria maggiore rispetto a quello che può offrire la sola convezione naturale. Oltre a scegliere le dimensioni adeguate di una ventola per garantire un flusso d'aria sufficiente, è necessario chiedersi anche dove posizionarla. Infine, la scelta tra una ventola che aspiri aria all'interno di un involucro o lungo un circuito stampato e una che la spinga all'esterno rimane una questione complessa, con compromessi e alcune zone buie.

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Parametri importanti per un funzionamento ottimale delle ventole in c.c.

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Come scegliere una ventola

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Confronto tra ventole assiali e ventole centrifughe

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Introduzione alla gestione termica

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Come stare al fresco: principi base sulla selezione e applicazione di un dissipatore di calore

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Riferimenti

1. CUI Devices, "Considerazioni importanti per la selezione di una ventola per il raffreddamento ad aria forzata"
2. CUI Devices, "Gestione termica tramite ventole: i fattori da considerare sono molti di più di quanto non si pensi"
3. CUI Devices, "Capire le nozioni di base della ventilazione per la corretta selezione di una ventola in c.c."
4. Kitguru, "Configurare una ventola: è importante? Confronto tra aspirazione, spinta e aspirazione/spinta"
5. Overclock.net, "Aspirare o spingere l'aria tra le alette dei radiatori?"
6. Tom's Hardware, "Raffreddamento a liquido: meglio ASPIRARE l'aria all'interno dell'involucro o spingerla fuori?"
7. Tech Radar, "Sfatiamo alcuni miti sul raffreddamento dei PC con la ventola Corsair e degli esperti di involucri per PC"
8. Ars Technica, "Raffreddamento ad aspirazione o a spinta?"
9. How-to Geek, "Come gestire le ventole del PC per un flusso d'aria e un raffreddamento ottimali"
10. Smart Buyer, "Raffreddamento PC: come installare le ventole di un involucro per PC"
11. Quora, "È importante la direzione delle ventole per il raffreddamento della CPU?"
12. Otosection, "Il flusso d'aria all'interno dell'involucro di un computer: cosa sono la pressione positiva e negativa"
13. Appuals, "Come ottimizzare e mantenere un flusso d'aria positivo in un PC da gaming"