Wysokowydajne chłodzenie: kompaktowe wentylatory diagonalne zmieniają reguły gry

Zaawansowane układy elektroniczne przynoszą firmom, konsumentom i rządom ogromne korzyści praktycznie we wszystkich dziedzinach, od serwerów chmurowych po urządzenia mobilne. Jednak wyzwaniem jest jak najskuteczniejsze chłodzenie kluczowych komponentów w celu zapewnienia szybkości, niezawodności i wydajności przetwarzania danych.

Wydajniejsze serwery i urządzenia brzegowe mają kluczowe znaczenie dla spełnienia obietnic związanych z technologiami autonomicznymi, sztuczną inteligencją i rozwiązaniami Internetu rzeczy (IoT) związanymi z 5G. Projektowanie tych systemów w celu zapewnienia określonych parametrów działania i niezawodności wymaga wielu technik odprowadzania ciepła, ale w większości zastosowań kluczowe znaczenie mają wentylatory, zapewniające wymianę gorącego i zimnego powietrza. Dlatego niezwykle ważne jest, aby projektanci systemów planowali stosowanie kompaktowych wentylatorów, które oferują najlepsze możliwości chłodzenia przy minimalnym hałasie i minimalnej zajmowanej powierzchni.

Przezwyciężanie kompromisów w projektowaniu układów elektronicznych

Od 1965 roku projektanci systemów elektronicznych zmagają się z potrzebą chłodzenia wynikającą z bezprecedensowego wzrostu gęstości układów scalonych, co trafnie przewidział współzałożyciel firmy Intel, Gordon Moore.¹ Od tego czasu projektanci układów elektronicznych borykają się z zapotrzebowaniem na chłodzenie wynikającym z rosnącej gęstości systemów opartych na układach scalonych. Przegrzanie systemów może prowadzić do wyłączenia komponentów lub, co gorsza, ich uszkodzenia.

Energia elektryczna zasilająca układy elektroniczne jest zamieniana na ciepło, które musi zostać odprowadzone, aby zapobiec przegrzaniu. W Stanach Zjednoczonych do 40% energii zużywanej przez pojedynczy ośrodek przetwarzania danych zużywana jest na chłodzenie. Położone z dala od takich ośrodków systemy przetwarzania brzegowego i szeroka gama urządzeń Internetu rzeczy (IoT) generalnie bazują na zaawansowanym rozpraszaniu ciepła oraz ekstremalnych wymaganiach dotyczących miniaturyzacji i niezawodności. Rozwiązania w zakresie chłodzenia dla tak szerokiego spektrum układów elektronicznych często wykorzystują energooszczędne, ciche wentylatory kompaktowe, które są proste w instalacji i konserwacji.

Projektanci systemów, którzy chcą zapewnić odpowiednie chłodzenie, stają przed ciągłymi wyzwaniami związanymi z coraz większymi mocami przetwarzania, coraz bardziej rygorystycznymi celami w zakresie sprawności energetycznej oraz potrzebą instalacji coraz mniejszych komponentów. Plan polegający wyłącznie na wykorzystaniu mocniejszego wentylatora lub podłączenia dodatkowych wentylatorów jest nierealny ze względu na zużycie energii, ograniczenia miejsca i ograniczenia hałasu.

Projektanci mają do wyboru trzy podstawowe opcje wentylatorów i mogą wykorzystać zasady obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), aby określić, które podejście zapewni optymalną równowagę między ciśnieniem i przepływem powietrza, w celu zaspokojenia potrzeb konkretnych zastosowań (ilustracja 1):

• Wentylatory osiowe przemieszczają powietrze równolegle do osi wału obrotowego silnika wentylatora, jak w przypadku śmigła. Zwykle są one optymalne w zastosowaniach o niskim ciśnieniu i wysokim przepływie, gdzie gorące powietrze jest zastępowane powietrzem chłodzącym. Są one cenione za niewielką głębokość instalacji, niski generowany hałas oraz sprawność, dzięki czemu idealnie nadają się do serwerów i urządzeń pamięci masowej, gdzie każdy centymetr przestrzeni jest na wagę złota. Większe kąty przepływu względem łopatek mogą generować wyższe ciśnienia, ale mogą skutkować zwiększonymi turbulencjami i hałasem, a także zmniejszoną sprawnością energetyczną.
• Wentylatory odśrodkowe lub promieniowe kierują powietrze pod kątem 90˚ do wału i mogą wytwarzać wyższe ciśnienie przy niższym natężeniu przepływu niż wentylatory osiowe. Dzięki temu są one optymalne do kierowania powietrza przez kanały wentylacyjne, na przykład w celu chłodzenia ośrodków przetwarzania danych, lub do mniejszych zastosowań, takich jak laptopy, gdzie cyrkulacja ma na celu odprowadzanie ciepła prostopadle do przepływu powietrza wlotowego. Dzieje się to kosztem zapotrzebowania na moc, które w tym przypadku przekracza zapotrzebowanie wentylatorów osiowych.
• Wentylatory diagonalne zasysają powietrze jak wentylatory osiowe, ale wyrzucają je diagonalnie względem wału. Pozwala to uzyskać poziomy sprężania podobne do wentylatorów odśrodkowych, zapewniając wyższe ciśnienie statyczne przy mniejszych turbulencjach i większej sprawności.

Ilustracja 1: optymalne zakresy robocze trzech konstrukcji wentylatorów. (Źródło grafiki: ebm-papst)

Wentylatory osiowe nowej generacji

W układach chłodzenia układów elektronicznych dominują kompaktowe wentylatory osiowe, ponieważ są łatwe w integracji i zapewniają optymalne natężenia przepływu powietrza. Zintegrowane obudowy działają jak leje ssące wlotu powietrza, zapewniając jednorodny przepływ na wylocie bez tworzenia wirów zwiększających hałas.

Jednak tradycyjne wentylatory osiowe często pracują na granicy możliwości ze względu na potrzebę stale rosnącej wydajności chłodzenia i bardziej kompaktowych konstrukcji. Projektanci, którzy dążą do zwiększenia wydajności chłodzenia za pomocą tradycyjnych wentylatorów osiowych, często polegają na kompaktowych dwustopniowych wentylatorach osiowych z przeciwbieżnymi wirnikami, zapewniającymi wysokie ciśnienie potrzebne do równomiernego chłodzenia w całej obudowie. Zwiększa to jednak zużycie energii i hałas podczas pracy.

Wiodący innowator w dziedzinie wentylatorów i silników, firma ebm-papst, opracował kompaktowe wentylatory diagonalne DiaForce, które eliminują te wady i mają na celu spełnienie przyszłych surowych wymagań w zakresie chłodzenia układów elektronicznych. Powietrze przepływa przez wentylatory DiaForce zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym, dzięki czemu kompaktowy wentylator osiowy charakteryzuje się parametrami działania wentylatora przeciwbieżnego, a jednocześnie generuje mniejszy hałas i ma znacznie mniejsze zapotrzebowanie na moc.

Wentylatory DiaForce zawierają zintegrowany zewnętrzny, najnowocześniejszy silnik wirnika bezpośrednio z wirnikiem osiowym i mogą zapewnić potężny przepływ powietrza charakterystyczny dla wentylatorów osiowych przy zwiększonym ciśnieniu wstecznym charakterystycznym dla wentylatorów odśrodkowych (ilustracja 2). Unikalna geometria wirnika i obudowy minimalizuje turbulencje w obszarze krawędzi, redukując hałas, a otwór wylotowy wirnika jest większy niż otwór wlotowy, co zapewnia przepływ powietrza zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym.

Ilustracja 2: bezpośrednie porównanie kompaktowego jednostopniowego wentylatora osiowego (a), kompaktowego dwustopniowego wentylatora osiowego (b) i nowego kompaktowego wentylatora diagonalnego (c). (Źródło zdjęcia: ebm-papst)

Firma ebm-papst opracowała kompaktowe wentylatory diagonalne DiaForce do zastosowań wymagających wysokiej dostępności, takich jak serwery w ośrodkach przetwarzania danych, komunikacja w standardzie 5G, pojazdy autonomiczne i usługi chmurowe.

Geometria wentylatorów DiaForce minimalizuje turbulencje i umożliwia większy wzrost ciśnienia w porównaniu ze standardowymi wentylatorami osiowymi. Według firmy ebm-papst, wentylatory DiaForce są o sześć dB(A) cichsze od konwencjonalnych kompaktowych wentylatorów osiowych - charakteryzują się nawet o 50% wyższymi parametrami powietrznymi² - przy zachowaniu tych samych wymiarów, co konwencjonalny wentylator osiowy. Są one zgodne ze specyfikacjami normy DIN ISO 1940 dotyczącymi wyważania dynamicznego w dwóch płaszczyznach.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych wentylatorów jednostopniowych, prędkość, z jaką działają wentylatory DiaForce, może być zwiększana w celu uwzględnienia niekorzystnych warunków, takich jak wzrost temperatury środowiska zewnętrznego. Wysokosprawne silniki z komutacją elektroniczną (EC), które napędzają wentylatory DiaForce, pracują ze sprawnością dochodzącą do 90% w porównaniu z poziomami sprawności od 20% do 70% dla silników prądu zmiennego. Silniki z komutacją elektroniczną (EC) pozwalają na bezstopniową regulację prędkości i mogą zapewnić takie same parametry wyjściowe, jak silniki prądu zmiennego lub stałego przy mniejszych rozmiarach.

Wentylator DiaForce120 Standard (numer katalogowy 8315100198) zapewnia wydajne chłodzenie przy minimalnym zużyciu energii i hałasie. Posiada wymiary 119mm x 119mm x 86mm (szer. x wys. x gł.) i waży 980g. W określonych standardowych warunkach testowych zapewnia maksymalny swobodny przepływ powietrza 680m³/h i maksymalne ciśnienie statyczne 3,120Pa. Według firmy ebm-papst, w zależności od miejsca pracy, generowany hałas wynosi zaledwie od 6dB(A) do 12dB(A).

Urządzenie DiaForce jest napędzane trójżyłowym, energooszczędnym silnikiem prądu stałego o mocy 500W z zaawansowanym mikrokontrolerem do inteligentnej regulacji silnika, który zapewnia maksymalny możliwy moment obrotowy we wszystkich zakresach obciążeń.

Opcjonalne zintegrowane narzędzie diagnostyczne FanCheck stale oblicza realistyczny pozostały okres użytkowania w oparciu o rzeczywiste zużycie, a także temperaturę, prędkość i wstępnie ustawione parametry środowiskowe. Dzięki oprogramowaniu FanCheck producenci i klienci mogą wyeliminować powszechną praktykę wymiany wentylatorów przed upływem określonego czasu użytkowania, co pozwala obniżyć związane z tym koszty i ułatwia planowanie wymiany na najbardziej dogodny okres.

Inne dostępne funkcje opcjonalne wentylatorów DiaForce:

• Alarm o warunkach uniemożliwiających działanie
• Alarm z ograniczeniem prędkości
• Zewnętrzny czujnik temperatury
• Wewnętrzny czujnik temperatury
• Analogowe wejście sterujące
• Ochrona przed wilgocią

Podsumowanie

Ponieważ rządy, firmy i konsumenci żądają bardziej energooszczędnych technologii komputerowych i sieciowych, projektanci systemów elektronicznych będą stale napotykać wyzwania związane z zapewnieniem coraz lepszych parametrów działania i sprawności energetycznej. Nowoczesne wentylatory posiadające funkcje monitorowania stanu, tworzone z uwzględnieniem przyszłych potrzeb mają kluczowe znaczenie dla sprostania tym wyzwaniom. Kompaktowe wentylatory diagonalne DiaForce firmy ebm-papst mogą pomóc projektantom w przezwyciężeniu przeszkód na drodze do uzyskania wyższej wydajności chłodzenia w bardziej kompaktowych konstrukcjach.

Zasoby:

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/