Compararea ventilatoarelor axiale și a ventilatoarelor centrifugale

Atunci când vine vorba de tratarea excesului de căldură într-un sistem, ventilatoarele sunt o soluție bună de management termic pentru eliminarea căldurii nedorite și pentru a furniza aer mai rece pe componentele critice. În afara reducerii puterii sistemului, a adăugării de radiatoare sau a utilizării de țevi sau plăci reci, rămâne adesea necesară generarea de aer forțat pentru răcire suplimentară.

Acest lucru pune inginerul în situația de a alege între un ventilator axial și un ventilator centrifugal. Deși nu este o decizie prea complexă, acest articol își propune să prezinte principiile de funcționare de bază ale fiecărui tip, să discute aplicațiile și utilizările lor comune și să rezume avantajele și dezavantajele acestora.

Noțiuni de bază și aplicații ale ventilatoarelor axiale

Denumite uneori ventilatoare cu elice, ventilatoarele axiale au palete înclinate montate pe o axă rotativă (sau un arbore) care este acționată de un motor. Ventilatoarele axiale funcționează prin tragerea aerului la un capăt și scoaterea forțată a acestuia pe celălalt capăt, într-o direcție paralelă cu axa (Figura 1). Ventilatoarele tub-axiale sau cu paletă sunt alți termeni comuni, acestea fiind pur și simplu ventilatoare axiale concepute pentru a fi instalate într-o conductă.

Figura 1: direcția de bază a fluxului de aer al unui ventilator axial. (Sursă imagine: Same Sky)

Ventilatoarele axiale sunt disponibile în aproape orice dimensiune, de la nivelul plăcii până la dimensiunea camerei și, deși depind de dimensiune, de obicei nu necesită multă energie pentru a funcționa. Oferite atât în versiuni de curent alternativ, cât și de curent continuu, ventilatoarele de curent alternativ utilizează curentul de linie și au, în general, o tensiune nominală de peste 100 V, în timp ce ventilatoarele de curent continuu au tensiuni mult mai mici, cuprinse între 3 și 48 V c.c., și sunt, de obicei, acționate de baterii sau de o sursă de alimentare.

Fluxul de aer pe care îl produc ventilatoarele axiale are un volum mare, dar presiune scăzută. Acest volum mare, cu o presiune scăzută, le face potrivite pentru răcirea echipamentelor și a spațiilor atât mici, cât și mari, datorită fluxului de aer distribuit uniform într-o zonă definită. Ventilatoarele axiale pot fi folosite adesea pentru răcirea computerelor sau a echipamentelor din centrele de date, utilizate în HVAC, condensatoare c.a. sau unități de schimb de căldură și folosite pentru răcire punctuală în sistemele industriale. Acestea pot funcționa și ca ventilatoare de evacuare.

Noțiuni de bază și aplicații ale ventilatoarelor centrifugale

Cunoscute și sub numele de ventilatoare radiale sau suflante centrifugale, ventilatoarele centrifugale au rotoare cuprinse într-un butuc acționat de un motor care aspiră aer în carcasă și apoi îl expulzează printr-o ieșire la un unghi de 90 de grade (perpendicular) față de admisie (Figura 2).

Figura 2: direcția de bază a fluxului de aer al unui ventilator centrifugal. (Sursă imagine: Same Sky)

Ca dispozitive de ieșire de înaltă presiune și volum redus, ventilatoarele centrifugale, în esență, presurizează aerul în interiorul carcasei ventilatorului, ceea ce generează un flux de aer constant, de înaltă presiune, dar la volume mai limitate în comparație cu versiunile axiale. Deoarece expulzează aerul printr-o gură de ieșire, acestea sunt ideale pentru a direcționa fluxul de aer într-o anumită zonă pentru a răci o anumită parte a sistemului care generează mai multă căldură, cum ar fi un FET de putere, DSP sau FPGA. La fel ca și omologii lor axiali, acestea sunt disponibile și în versiuni de curent alternativ și de curent continuu, cu o gamă largă de dimensiuni, viteze și amprente, dar consumă, de obicei, mai multă energie. Designul lor închis oferă protecție suplimentară pentru diversele piese mobile, ceea ce le face o opțiune fiabilă, durabilă și rezistentă la deteriorări.

Atât ventilatoarele centrifugale, cât și cele axiale produc zgomot audibil și electromagnetic, dar modelele centrifugale tind să fie mai zgomotoase decât cele axiale. Deoarece ambele modele de ventilatoare utilizează motoare, efectele EMI pot afecta performanța sistemului în aplicațiile sensibile.

În cele din urmă, datorită presiunii ridicate și volumului redus al ventilatorului centrifugal, acesta este ideal pentru circulația aerului în zone concentrate, cum ar fi țevile sau conductele (Figura 3), sau pentru ventilație și evacuare. Asta înseamnă că funcționează bine în sistemele de aer condiționat sau de uscare, în timp ce durabilitatea lor suplimentară menționată mai devreme poate permite funcționarea în medii dificile în care există particule, aer fierbinte și gaze. În ceea ce privește aplicațiile electronice, ventilatoarele centrifugale sunt utilizate în mod obișnuit în laptopuri datorită profilului lor scăzut și capacității de direcționare mai mari (fluxul de aer expulzat la 90 de grade față de admisie).

Figura 3: ventilator centrifugal utilizat în conducte. (Sursă imagine: Same Sky)

Considerente privind EMI și zgomotul ventilatorului

Interferența electromagnetică (EMI) generată de ventilatoare este un aspect important de care trebuie să se țină cont din timp în proiectare. Toate ventilatoarele pot genera fie EMI radiate de la ventilator, fie EMI conduse de la cablurile de alimentare. De asemenea, și câmpurile magnetice necontrolate (UMF) care provin de la magneții motorului și de la înfășurările statorului pot cauza interferențe. Cu toate că este vorba de aplicații specifice, o analiză atentă în primele etape ale proiectării va economisi timp și bani pe parcurs. În general, ventilatoarele de curent continuu creează mai puține interferențe electromagnetice decât cele de curent alternativ.

Figura 4: ventilatoarele axiale tind să producă mai puțin zgomot decât suflantele centrifugale. (Sursă imagine: Same Sky)

Un alt aspect de proiectare specific aplicației este zgomotul audibil generat de ventilatoare. Zgomotul variază în funcție de aplicație, de densitatea componentelor, de amplasarea în sistem, de mărimea ventilatorului, de cantitatea de aer deplasat, de tipurile de rulmenți utilizați etc. Rulmenții unui ventilator nu afectează doar acustica, ci pot avea un impact și asupra duratei de viață și a potențialelor aplicații. Zgomotul audibil poate fi adesea atenuat printr-o mai bună amplasare a ventilatorului, prin izolare mecanică sau prin utilizarea de grile pentru admisia aerului sau de difuzoare la ieșire. O bună regulă de bază este că, cu cât CFM sau fluxul de aer este mai mare, cu atât mai mare este zgomotul audibil. Acestea fiind spuse, în cazul în care un ventilator mai mare și unul mai mic au valori de CFM similare, ventilatorul mai mare va duce, de obicei, la o soluție generală mai silențioasă. După cum am menționat mai devreme, modelele de ventilatoare axiale sunt, de obicei, mai silențioase decât cele centrifugale.

Comparația finală

Pentru a încheia, iată o comparație rapidă a diferitelor avantaje, dezavantaje și caracteristici ale ventilatoarelor axiale și centrifugale. Alegerea celei mai bune opțiuni va depinde cu adevărat de aplicația dorită, de spațiul disponibil și de cerințele termice generale ale sistemului final.

Figura 5: compararea caracteristicilor de bază ale ventilatoarelor axiale și centrifugale. (Sursa imaginii: Same Sky)

Concluzie

Menținerea unei temperaturi scăzute a componentelor electronice care produc căldură nedorită poate fi gestionată în mod eficient fie cu ventilatoare axiale, fie cu ventilatoare centrifugale. Ambele și-au dovedit utilitatea pe teren prin mulți ani de utilizare și îmbunătățire continuă. Same Sky oferă o gamă largă de ventilatoare axiale de curent continuu și suflante centrifugale cu o varietate de mărimi de cadru și debite de aer pentru a se potrivi cerințelor termice specifice ale inginerilor.