Răcire de înaltă performanță: Ce schimbări aduc ventilatoarele compacte diagonale

De la serverele cloud la dispozitivele mobile, electronicele puternice oferă beneficii imense întreprinderilor, consumatorilor și autorităților publice. Cu toate acestea, provocarea cu care vin ele este legată de răcirea cât mai eficientă a componentelor vitale pentru a asigura viteză, fiabilitate și performanță în ceea ce privește prelucrarea datelor.

Serverele și dispozitivele periferice mai puternice sunt esențiale pentru a îndeplini promisiunile tehnologiilor autonome, ale inteligenței artificiale și ale soluțiilor din Internetul lucrurilor (IoT) legate de 5G. Proiectarea acestor sisteme pentru a asigura performanță și fiabilitate necesită mai multe abordări de gestionare termică, dar ventilatoarele care schimbă aerul cald și rece sunt esențiale pentru majoritatea aplicațiilor. De aceea, este extrem de important pentru proiectanții de sisteme să planifice ventilatoare compacte care să aibă capacități de răcire de ultimă generație, cu un nivel minim de zgomot și care ocupă cât mai puțin spațiu.

Depășirea compromisurilor în proiectarea sistemelor electronice

Începând cu 1965, proiectanții de sisteme electronice s-au confruntat cu cerințele de răcire generate de creșterea fenomenală a densității circuitelor integrate, prezisă în mod faimos de Gordon Moore, viitorul co-fondator al Intel.¹ De atunci, proiectanții de sisteme electronice s-au luptat cu cerințele de răcire determinate de densitatea tot mai mare a sistemelor bazate pe CI-uri. Atunci când sistemele se supraîncălzesc, componentele se pot opri sau, mai rău, se pot deteriora.

Electricitatea care alimentează sistemele electronice este transformată în căldură, care trebuie să fie evacuată pentru a preveni supraîncălzirea. În Statele Unite, până la 40% din consumul de energie din centrele de date este destinat răcirii; în afara centrului de date, sistemele de „edge computing” și o mare varietate de dispozitive IoT se bazează, în general, pe disiparea avansată a căldurii, alături de cerințele extreme de miniaturizare și fiabilitate. Soluțiile de răcire pentru acest spectru larg de sisteme electronice depind adesea de ventilatoare compacte, care economisesc energie, sunt silențioase și simplu de instalat și întreținut.

Proiectanții de sisteme care încearcă să asigure o răcire adecvată sunt în permanență provocați de cerințele de creștere continuă a puterii de procesare, de obiectivele mai riguroase de eficiență energetică și de necesitatea de a acomoda componente din ce în ce mai mici. Simpla planificare a utilizării unui ventilator mai puternic sau a conectării unor ventilatoare suplimentare este nerealistă din cauza consumului de energie, a limitărilor de spațiu și a constrângerilor legate de zgomot.

Proiectanții au la dispoziție trei opțiuni de bază pentru ventilatoare și pot utiliza principiile dinamicii computerizate a fluidelor (CFD) pentru a determina care abordare poate oferi echilibrul optim între presiune și debit de aer pentru a satisface nevoile aplicațiilor lor (Figura 1):

• Ventilatoarele axiale deplasează aerul în paralel cu axa arborelui motorului rotativ al ventilatorului, ca o elice. Acestea sunt în general optime pentru aplicațiile cu presiune scăzută și debit mare, pentru a înlocui aerul cald cu aer de răcire. Sunt apreciate pentru adâncimea mică de instalare, generarea unui nivel scăzut de zgomot și pentru eficiență, ceea ce le face ideale pentru serverele și dispozitivele de stocare, unde fiecare centimetru de spațiu este important. Unghiurile de curgere mai mari față de lame pot genera o presiune mai mare, dar acest lucru poate duce la creșterea turbulențelor și a zgomotului, precum și la reducerea eficienței energetice.
• Ventilatoarele centrifugale – sau radiale – deviază aerul la un unghi de 90˚ față de arbore și pot crea o presiune mai mare cu debite mai mici decât ventilatoarele axiale. Acest lucru le face optime pentru direcționarea aerului prin conducte pentru ventilație, cum ar fi răcirea centrelor de date, sau pentru aplicații mai mici, cum ar fi laptopurile, unde circulația are ca scop deplasarea căldurii perpendicular pe fluxul de admisie a aerului. Compromisul constă în cerințele de putere care depășesc valorile necesare pentru ventilatoarele axiale.
• Ventilatoarele diagonale aspiră aerul la fel ca un ventilator axial, dar expulzează fluxul de aer în diagonală față de arbore. Acest lucru permite niveluri de compresie similare cu cele ale ventilatoarelor centrifugale, permițând o presiune statică mai mare cu mai puține turbulențe și eficiență sporită.

Figura 1: Intervalele optime de funcționare ale celor trei modele de ventilatoare. (Sursă grafic: ebm-papst)

Ventilatoare axiale de ultimă generație

Ventilatoarele axiale compacte domină aplicațiile de răcire a componentelor electronice, deoarece sunt ușor de integrat și oferă debite de aer optime. Carcasele integrate acționează ca o pâlnie de aspirație pentru admisia aerului, asigurând în același timp un flux de ieșire omogen, fără a crea vortexuri care ar crește zgomotul.

Cu toate acestea, ventilatoarele axiale tradiționale sunt deseori împinse la limită de necesitatea unei capacități de răcire din ce în ce mai mari și a unor modele mai compacte. Proiectanții care doresc o capacitate de răcire mai mare cu ventilatoarele axiale tradiționale se bazează adesea pe ventilatoare compacte axiale cu două trepte și rotoare contra-rotative pentru a furniza presiunea ridicată necesară pentru o răcire uniformă în întreaga carcasă. Totuși, acest lucru crește consumul de energie și zgomotul din timpul funcționării.

Principalul inovator în domeniul ventilatoarelor și motoarelor, ebm-papst, a dezvoltat un ventilator compact diagonal, DiaForce, care depășește aceste obstacole și este menit să satisfacă viitoarele cerințe exigente în ceea ce privește răcirea componentelor electronice. Aerul circulă prin ventilatoarele DiaForce atât pe direcție axială, cât și radială, permițând o unitate compactă cu ventilator axial care oferă performanțele unui ventilator contra-rotativ cu mai puțin zgomot și cu o cerere de energie mult mai mică.

Ventilatoarele DiaForce integrează un motor cu rotor extern, de ultimă generație, direct în rotorul axial și pot furniza un debit de aer puternic, asemenea unui ventilator axial, cu capacitățile de contrapresiune sporită ale unui ventilator centrifugal (Figura 2). Geometria unică a rotorului și a carcasei minimizează turbulențele în zona periferică pentru a reduce zgomotul și utilizează o deschidere de ieșire a rotorului mai mare decât deschiderea de admisie pentru a crea un flux de aer atât în direcție axială, cât și radială.

Figura 2: O comparație directă între un ventilator compact axial cu o singură treaptă (a), un ventilator compact axial cu două trepte (b) și noul ventilator compact diagonal DiaForce (c). (Sursă fotografie: ebm-papst)

ebm-papst a dezvoltat ventilatorul compact diagonal DiaForce pentru cerințele de înaltă disponibilitate care caracterizează aplicații precum serverele centrelor de date, comunicațiile standard 5G, vehiculele autonome și serviciile cloud.

Geometria ventilatoarelor DiaForce minimizează turbulențele și permite o creștere a presiunii mai mare decât cea a ventilatoarelor axiale standard. Potrivit ebm-papst, DiaForce este cu șase dB(A) mai silențios decât un ventilator axial compact convențional – cu o performanță a aerului cu până la 50% mai mare² – la aceleași dimensiuni ca și un ventilator axial convențional. Acesta este conform cu specificațiile DIN ISO 1940 pentru echilibrarea dinamică în două planuri.

Spre deosebire de ventilatoarele convenționale cu o singură treaptă, viteza de funcționare a ventilatoarelor DiaForce poate fi mărită pentru a se adapta la condiții nefavorabile, cum ar fi o creștere a temperaturii mediului extern. Motoarele de înaltă eficiență, cu comutare electronică (EC), care acționează ventilatoarele DiaForce, funcționează la un nivel de eficiență de până la 90%, în comparație cu nivelul de eficiență de la 20% până la 70% al motoarelor c.a. Motoarele EC permit viteze infinit variabile și pot oferi nivelurile de ieșire ale motoarelor c.a. sau c.c. într-un factor de formă mai mic.

DiaForce120 Standard (număr de catalog 8315100198) oferă o răcire puternică cu un consum de energie și zgomot minim. Acesta este disponibil cu un factor de formă de 119 mm lățime, 119 mm înălțime, 86 mm adâncime și o greutate de 980 de grame. În condițiile de testare standard specificate, acesta asigură un debit de aer liber maxim de 680 m³/h și o presiune statică maximă de 3,120 Pa. În funcție de punctul de funcționare, acesta poate obține o reducere a zgomotului de la 6 dB(A) la 12 dB(A), potrivit ebm-papst.

DiaForce este acționat de un motor c.c. cu trei fire, cu consum redus de energie, cu o putere nominală de 500 W și de un microcontroler puternic pentru reglarea inteligentă a motorului, care permite un cuplu maxim posibil în toate intervalele de sarcină.

Un instrument de diagnosticare FanCheck integrat opțional calculează în mod continuu durata de viață rămasă realistă pe baza uzurii reale, precum și a temperaturii, vitezei și a parametrilor de mediu prestabiliți. Cu FanCheck, producătorii și clienții pot elimina practica obișnuită de a înlocui ventilatoarele mai devreme decât durata de viață specificată, reducând costurile asociate și facilitând programarea înlocuirii pentru momentele cele mai oportune.

Alte opțiuni disponibile pentru ventilatoarele DiaForce includ:

• Alarmă funcționare permisă/nepermisă
• Alarmă cu limită de viteză
• Senzor de temperatură externă
• Senzor de temperatură internă
• Intrare de control analogic
• Protecție împotriva umezelii

Concluzie

Pe măsură ce guvernele, întreprinderile și consumatorii solicită tehnologii de computere și rețele mai eficiente din punct de vedere energetic, proiectanții de sisteme electronice vor fi provocați în mod constant să ofere performanțe și eficiență energetică mai mari. Ventilatoarele moderne create cu capacități de monitorizare a stării și cu luarea în considerare a nevoilor viitoare sunt vitale pentru a face față acestor provocări. Ventilatorul compact diagonal DiaForce de la ebm-papst îi poate ajuta pe proiectanți să depășească obstacolele care îi împiedică să obțină o capacitate de răcire mai mare în proiecte mai compacte.

Resurse:

1. https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102770836
2. https://mag.ebmpapst.com/en/industries/electronics/diaforce-diagonal-fan-combines-axial-and-centrifugal-in-one-fan_14990/