El disipador de calor giratorio sin ventilador: sus preguntas respondidas por el inventor

Intercambiador de calor de cojinetes de aire

Después de que cubrimos el intercambiador de calor sin ventilador, inmune al polvo y a los detritos la semana pasada, nos inundaron las preguntas sobre la nueva tecnología. ¿Como funciona? ¿Realmente usa una fina capa de aire para transferir calor? Si es así, ¿cómo puede ser mejor que el cobre o la grasa térmica? ¿Es realmente inmune al polvo o simplemente eres hiperbólico? ¿Está seguro de que realmente puede ahorrar un 7% del consumo eléctrico anual en los EE. UU.?

Afortunadamente (y bastante heroicamente) Jeff Koplow, el inventor del Intercambiador de calor de cojinetes de aire, reunió casi todas y cada una de sus preguntas y envió sus respuestas por correo electrónico a 2007es.com. Basta decir que el correo electrónico que envió era grande; 3500 palabras grandes. No vamos a pegar la totalidad del intercambio aquí en el sitio web; en cambio, hicimos todo lo posible para exprimir sus preguntas y sus respuestas en un formato de fácil lectura. Siga leyendo para descubrir si el disipador de calor giratorio sin ventilador es realmente tan impresionante como parece.



Pregunta: ¿Es el intercambiador de calor de cojinetes de aire realmente inmune al polvo y los detritos?



Jeff Koplow: No quise dar a entender que literalmente no hay suciedad de polvo; algo de acumulación de polvo finalmente se hace visible a simple vista en el borde de ataque de las palas. El punto es que la contaminación por polvo se reduce en tal medida que no podemos detectar ninguna degradación del rendimiento de refrigeración al operar el dispositivo en un entorno relativamente sucio durante un período de tiempo prolongado. Por tanto, a todos los efectos, el problema de las incrustaciones por polvo se ha eliminado de la mesa. En contraste, con los refrigeradores de CPU convencionales, eventualmente toda la superficie del intercambiador de calor queda sepultada en polvo. Supongo que hay algunas aplicaciones en las que las computadoras funcionan en entornos extremadamente polvorientos que pueden ser demasiado para el impulsor del disipador de calor. Eso es sentido común. Al tratar de encontrar una manera de solucionar el problema de larga data del ensuciamiento por polvo del enfriador de la CPU, estaba pensando en términos de entornos residenciales y comerciales donde se encuentran la gran mayoría de las PC.

P: ¿Seguramente un impulsor de metal pesado es peligroso?



JK: Cualquier dispositivo del mundo real incluiría una pantalla, parrilla u otra forma de recinto protector. Estas medidas de protección se utilizan ampliamente en ventiladores convencionales. Fotografiamos nuestro dispositivo sin una carcasa para que fuera más fácil para las personas ver cómo se ve. Dicho esto, no sucede nada cuando coloca su dedo en contacto con el impulsor del disipador de calor giratorio. Si se siente como pasar la mano por una valla de estacas. Este no sería el caso si las aletas usaran una geometría de barrido hacia adelante, en lugar de barrido hacia atrás.

P: ¿Por qué el impulsor del disipador de calor es tan silencioso?

JK: Todo se reduce a que tienes mucha más flexibilidad con respecto a la geometría de las palas que con un ventilador. Eso significa que usted es libre de diseñar la geometría de la pala para dividir y volver a unir suavemente el campo de flujo en la entrada y salida del impulsor; la arquitectura del dispositivo le permite desacoplar las limitaciones de ingeniería de un flujo de aire adecuado y bajo nivel de ruido. Lamento que aún no hayamos realizado mediciones en dBA. Esto resulta difícil cuando los niveles de sonido son extremadamente bajos debido al ruido de fondo. Me dijeron que Sandia tiene una cámara anecoica que podríamos usar. No ha sido nuestra principal prioridad porque no tenemos problemas con el ruido, pero estas mediciones se realizarán.



P: ¿Las partículas pequeñas obstruyen la región del entrehierro y, de ser así, inevitablemente se adhieren a la interfaz del aire?

JK: No, por dos razones:

La primera razón es que la dirección del flujo de aire en la periferia del impulsor disipador de calor giratorio es radialmente hacia afuera. Por tanto, el polvo y otras partículas se alejan del espacio de aire. Este es el único punto de entrada posible en el espacio de aire, porque en versiones posteriores del dispositivo encerramos el rotor del motor sin escobillas para evitar la entrada de polvo y otras materias extrañas en la región de entrada del flujo. Obviamente, las partículas de diámetro> 0,001 ″ no pueden entrar en la región del entrehierro porque no encajarán.

La segunda razón por la que nunca vemos polvo acumulado en el espacio de aire es que si una partícula entrara en el espacio de aire, sería arrastrada hacia afuera por la fuerza centrífuga (para un observador en el marco giratorio). La razón es que una partícula de cualquier tamaño apreciable no puede simplemente asentarse y sentirse cómoda en la placa base fija. La velocidad tangencial del flujo de aire en la región del espacio es cero solo justo en la superficie de la placa base. Una partícula que se asienta sobre la placa base sobresale hacia la región de caudal distinto de cero y, por lo tanto, se transporta en la dirección tangencial. Debido a que estas partículas son más densas que el aire circundante, experimentan una fuerza centrífuga mucho mayor que el aire circundante y, por lo tanto, son arrojadas hacia afuera y expulsadas.

P: La 'pared de ladrillos térmicos' está a 4GHz, no a 3GHz ...

JK: Mi punto es que si introduce una mejora drástica en la tecnología de gestión térmica, cualquiera que sea el número de pared de ladrillo térmico, se incrementará mucho más. Al investigar esta pregunta, llegué a la conclusión de que 3 GHz es típico de las máquinas de alta gama comercializadas en masa, como las que se utilizan en el sector comercial y residencial. Trabajo para el Departamento de Energía, por lo que mi enfoque en las máquinas comercializadas en masa refleja un interés en el impacto más amplio que podría tener esta nueva tecnología. No quise ignorar a las personas que se encuentran en el extremo superior del espectro de rendimiento. Creo que la tecnología de intercambiadores de calor con cojinetes de aire también les resultará útil.

P: La resistencia a la propagación térmica será muy alta con una placa base sólida y una fuente de calor intensa como una CPU ...

JK: Al igual que con otros disipadores de CPU, este problema se soluciona incorporando un tubo de calor. La placa base de nuestro dispositivo de la versión 3 tiene un tubo de calor plano incorporado.

P: ¿Por qué el informe técnico no incluía una prueba A / B real para mostrar el rendimiento relativo del nuevo intercambiador de calor con cojinetes de aire?

JK: Estamos en el proceso de configurar dicha demostración. Debe tenerse en cuenta que el propósito de estos experimentos de prueba de concepto fue probar la hipótesis de que el esquema de transferencia de calor diferente utilizado en esta nueva arquitectura de dispositivo debería ser capaz de proporcionar un rendimiento muy mejorado. La evidencia apoya firmemente esta conclusión, pero reconocer esto requiere pensar un poco porque todavía no estamos hablando de una tecnología madura o un prototipo listo para la aplicación.

P: ¿Cómo calculó que EE. UU. Usaría un 7% menos de electricidad si usáramos el intercambiador de calor con cojinetes de aire?

JK: La gran mayoría del ahorro de energía provendría de aplicaciones como aire acondicionado y refrigeración, no de refrigeración electrónica. Pero tales aplicaciones del sector energético solo se materializarán si la tecnología de intercambiadores de calor con cojinetes de aire se muestra apta para el escalado de tamaño. Estamos en el proceso de evaluar esta pregunta. Hay referencias en el libro blanco sobre el origen de las cifras de consumo de electricidad. Recientemente aumentamos nuestra estimación de ahorro de energía potencial del 5% al ​​7% debido al progreso que hicimos en el laboratorio. El 7% no parece mucho, hasta que se considera que la factura de electricidad anual para todo Estados Unidos es de unos 250 mil millones de dólares al año. La cantidad de electricidad ahorrada también dependerá del grado en que la tecnología de intercambiadores de calor con cojinetes de aire pueda ayudar a resolver el problema de gestión térmica LED en la iluminación de estado sólido. En una bombilla LED típica, los LED podrían funcionar mucho más brillantes si pudiera mantenerlos fríos. Tan eficientes como son los LED, típicamente el 80% de la energía eléctrica que utilizan se convierte en calor dentro del troquel LED.

P: No estoy seguro de la practicidad del espacio de aire de 0.001 pulgadas en un producto producido en masa ...

JK: Eso es ciertamente comprensible, y fue una de las primeras cosas que investigamos. Después de todo, si el requisito de un espacio de aire pequeño excluye la posibilidad de fabricación a bajo costo, confiabilidad, etc., entonces sería el primero en estar de acuerdo en que todo esto es un ejercicio inútil. El informe de fin de proyecto tiene una discusión de por qué este no es el caso. Básicamente, todo se reduce a tres cosas:

a) 0.001 ”suena como un número muy pequeño. A menos que tenga experiencia con Mecanizado CNC y otras técnicas de fabricación modernas, sería razonable especular que las tolerancias requeridas para la planitud y la calidad de la superficie son un factor decisivo. Esto resulta no ser cierto. En la práctica, lograr suficiente planitud y calidad de superficie (en una fresadora CNC, por ejemplo) es bastante sencillo.

b) El otro punto es que la distancia del entrehierro no se mantiene manteniendo estrictas tolerancias mecánicas. Hay una retroalimentación negativa en los cojinetes de aire que proporciona un efecto estabilizador pasivo. Por ejemplo, imagine que empujé hacia abajo el cojinete de aire, de modo que la distancia del entrehierro se redujo en un 10% y luego lo solté. Cuanto menor sea la distancia de separación, mayor será la presión generada por el cojinete de aire (esto se aplica tanto a los cojinetes de gas hidrostáticos como a los hidrodinámicos). Esto aumenta la fuerza ascendente que actúa sobre el impulsor del disipador de calor, que actúa para devolverlo a su altura original. El cojinete de aire básicamente se comporta como un resorte de compresión muy delgado y muy rígido.

c) El último punto puede parecer contrario a la intuición, pero de hecho los cojinetes de aire son mecánicamente extremadamente rígidos, resistentes y fiables. Esto también se analiza en el informe. Brevemente, la constante de resorte efectiva (cambio de fuerza por cambio unitario de longitud), k, viene dada por k = dF / dh, la primera derivada de la fuerza (F) con respecto a la altura (h). La fuerza es solo presión (P) multiplicada por el área (A), por lo que para la rigidez del resorte de compresión tenemos k = A (dP / dh). Resulta que dP / dh es un número muy grande; la presión en la región del entrehierro es muy sensible a un cambio en la distancia del entrehierro. Esa, por ejemplo, es la razón por la que un disco de hockey de aire que está flotando 0.001 'por encima de la superficie de una mesa de hockey de aire volverá de manera muy reproducible a una' altitud 'de 0.001' si lo quita de la mesa y luego lo vuelve a colocar en la mesa. Y si aumentamos la temperatura de la habitación en la que se encuentra la mesa de air hockey, ésta se expande levemente, aumentando la altura de la superficie de la mesa de air hockey con respecto al suelo sobre el que está sentada. Pero esto no quita la distancia de separación; el disco de hockey de aire simplemente sigue el camino y permanece separado por 0.001 ”de la superficie de la mesa de hockey de aire.

P: ¿Y un dispositivo de este tipo se puede fabricar a un precio bastante bajo para el mercado masivo?

JK: Estamos convergiendo en la forja en frío como la mejor ruta hacia la fabricación de bajo costo. Entendemos que si no podemos reducir el costo, la tecnología de intercambiadores de calor con cojinetes de aire tendrá poco impacto.

Siga leyendo para obtener más detalles técnicos sobre el disipador de calor sin ventilador.

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