Porovnání axiálních a odstředivých ventilátorů

Co se týče řešení přebytečného tepla v systému, jsou ventilátory běžným řešením regulace tepla k odebrání nežádoucího tepla a poskytování chladnějšího vzduchu kriticky důležitým součástkám. Kromě škrcení napájení systému, přidávání chladičů nebo používání potrubí nebo chladicích desek zůstává často potřeba vytvářet k dalšímu ochlazování nucený vzduch.

Tím má technik na výběr mezi konstrukcí axiálního nebo odstředivého ventilátoru. I když nejde o příliš složité rozhodnutí, tento článek si klade za cíl nastínit základní principy fungování obou typů, probrat jejich běžné aplikace a použití a shrnout jejich výhody a nevýhody.

Základy axiálních ventilátorů a jejich aplikace

Axiální ventilátory, někdy označované jako vrtulové ventilátory, mají zešikmené lopatky namontované na rotační ose (nebo hřídeli), která je poháněna motorem. Axiální ventilátory fungují tak, že na jednom konci se vzduch natáhne a druhým koncem se vytlačí v rovnoběžném směru s osou (obrázek 1). Potrubní axiální („tubeaxial“) nebo lopatkové axiální („vaneaxial“) ventilátory jsou dalšími běžnými termíny, které jednoduše označují axiální ventilátory určené k umístění do potrubí.

Obrázek 1: Základní směr proudění vzduchu u axiálního ventilátoru. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Axiální ventilátory jsou k dispozici prakticky v jakékoli velikosti od úrovně desky až po velikost místnosti, a přestože to závisí na velikosti, obvykle nevyžadují k provozu mnoho energie. AC ventilátory, které jsou nabízeny ve verzích AC i DC, využívají síťový proud a jsou obecně dimenzovány na hodnotu přes 100 V, zatímco DC ventilátory mají mnohem nižší napětí v rozsahu 3 až 48 V DC a jsou obvykle poháněny bateriemi nebo napájecím zdrojem.

Proud vzduchu, který produkují axiální ventilátory, představuje velký objem, ale nízký tlak. Tento velkoobjemový a nízkotlaký výstup je předurčuje pro chladicí zařízení a velké i malé prostory, protože proudění vzduchu je ve vymezené oblasti rovnoměrně distribuováno. Axiální ventilátory se často používají k chlazení počítačů nebo zařízení datových center, v systémech vytápění, větrání a klimatizace (HVAC), AC kondenzátorech nebo výměnících tepla a k bodovému chlazení v průmyslových systémech. Mohou také sloužit jako odtahové ventilátory.

Základy odstředivých ventilátorů a jejich aplikace

Odstředivé ventilátory, známé také jako radiální ventilátory, popř. odstředivá dmychadla, jsou vybavena oběžnými koly obsaženými v motorem poháněném náboji, který nasává vzduch do krytu a poté vytlačuje vzduch z výstupu pod úhlem 90 stupňů (kolmo) k sání (obrázek 2).

Obrázek 2: Základní směr proudění vzduchu u odstředivého ventilátoru. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Odstředivé ventilátory jako vysokotlaká a nízkoobjemová výstupní zařízení v podstatě stlačují vzduch ve skříni ventilátoru, který pracuje tak, aby produkoval stálý vysokotlaký proud vzduchu, ale ve srovnání s axiálními verzemi v omezenějších objemech. Vzhledem k tomu, že vytlačují vzduch z výstupu, jsou ideální pro cílení proudění vzduchu v určité oblasti k chlazení konkrétní části systému, která generuje více tepla, jako jsou výkonové FET, DSP nebo FPGA. Podobně jako jejich axiální protějšky jsou také k dispozici ve verzích AC a DC v řadě velikostí, rychlostí a půdorysů, ale obvykle spotřebovávají více energie. Jejich uzavřené provedení nabízí různým pohyblivým částem určitou dodatečnou ochranu, díky čemuž jsou spolehlivé, trvanlivé a odolné proti poškození.

Odstředivé i axiální ventilátory produkují slyšitelný hluk a elektromagnetický šum, ale odstředivá provedení bývají hlasitější než axiální modely. Vzhledem k tomu, že obě konstrukce ventilátorů používají motory, mohou vlivy EMI ovlivnit výkon systému v citlivých aplikacích.

Vysokotlaký a nízkoobjemový výkon odstředivého ventilátoru je v konečném důsledku ideální pro proudění vzduchu v koncentrovaných oblastech, jako jsou potrubí nebo vzduchotechnická vedení (obrázek 3), nebo pro ventilaci a odtah. To znamená, že fungují dobře v klimatizačních nebo vysoušecích systémech, zatímco jejich přidaná odolnost zmíněná výše umožňuje provoz v náročných prostředích, kde se vyskytují částice, horký vzduch a plyny. Pokud jde o elektronické aplikace, odstředivé ventilátory se běžně používají u notebooků kvůli svému nízkému profilu a vyšší směrovosti (proud vzduchu vyfukovaný pod úhlem 90 stupňů ze sání).

Obrázek 3: Odstředivý ventilátor používaný ve vzduchotechnickém potrubí. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Úvahy o EMI a hluku ventilátorů

Elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI) generované ventilátory je důležitým konstrukčním faktorem, který je třeba brát v úvahu již od začátku. Všechny ventilátory mohou generovat buď EMI vyzařované ze samotného ventilátoru, nebo EMI svedené z napájecích kabelů. Rušení mohou způsobovat také neizolovaná magnetická pole („uncontained magnetic fields“, UMF) vycházející z magnetů motoru a vinutí statoru. I když je každá aplikace specifická, pečlivé zvážení v raných fázích návrhu ušetří čas a peníze. Obecně platí, že DC ventilátory vytvářejí méně EMI než jejich protějšky, AC ventilátory.

Obrázek 4: Axiální ventilátory mají tendenci produkovat méně hluku než odstředivá dmychadla. (Zdroj obrázku: společnost Same Sky)

Dalším aspektem návrhu specifickým pro aplikaci je slyšitelný hluk generovaný ventilátory. Hlučnost se liší podle použití, hustoty součástek, umístění v systému, velikosti ventilátoru, množství proudícího vzduchu, typu použitých ložisek atd. Ložiska ve ventilátoru ovlivňují nejen akustiku, ale mohou mít dopad na životnost a potenciální aplikace. Slyšitelný hluk lze často zmírnit lepším umístěním ventilátoru, mechanickou izolací nebo použitím mřížek na vstupu vzduchu nebo výstupních difuzorů. Základním pravidlem je, že čím vyšší je CFM nebo průtok vzduchu, tím vyšší je slyšitelný hluk. S ohledem na výše uvedené lze konstatovat, že pokud mají větší a menší ventilátor oba podobné hodnocení CFM, větší ventilátor povede obvykle k tiššímu celkovému řešení. Jak již bylo zmíněno dříve, provedení axiálních ventilátorů jsou obvykle tišší než provedení odstředivých variant.

Závěrečné srovnání

Ke shrnutí uvádíme rychlé srovnání různých výhod, nevýhod a charakteristik axiálních a odstředivých ventilátorů. Rozhodnutí o nejlepší možnosti bude nejvíc ze všeho záviset na zamýšlené aplikaci, dostupném prostoru a celkových tepelných požadavcích koncového systému.

Obrázek 5: Porovnání základních charakteristik axiálních a odstředivých ventilátorů. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Závěr

Udržování elektronických součástek, které produkují nežádoucí teplo, v chladu lze efektivně řídit buď axiálními, nebo odstředivými ventilátory. Oba druhy se v oboru osvědčily mnohaletým používáním a neustálým zlepšováním. Společnost Same Sky nabízí širokou řadu DC axiálních ventilátorů a odstředivých dmychadel s různými velikostmi rámů a prouděním vzduchu, které pomohou splnit specifické tepelné požadavky techniků.