Vysoce výkonné chlazení: Jak diagonální kompaktní ventilátory mění pravidla hry

Výkonná elektronika přináší obrovské výhody podnikům, spotřebitelům a vládě ve všem, od cloudových serverů po mobilní zařízení. Přesto se potýká s problémem, jak co nejúčinněji chladit životně důležité součástky, aby byla při zpracovávání dat zajištěna rychlost, spolehlivost a výkon.

Výkonnější servery a edge zařízení jsou zásadní pro splnění příslibů autonomních technologií, umělé inteligence a řešení internetu věcí („Internet of Things“, IoT) souvisejících s 5G. K zajištění výkonu a spolehlivosti vyžaduje návrh těchto systémů více přístupů k regulaci teploty, ale pro většinu aplikací jsou klíčové ventilátory, které vyměňují horký a studený vzduch. Proto je kriticky důležité, aby projektanti systémů plánovali kompaktní ventilátory, které mají maximální chladicí schopnosti s minimální hlučností a velikostí.

Řešení kompromisů v návrhu elektronických systémů

Od roku 1965 se návrh elektronických systémů potýká s požadavky na chlazení v důsledku fenomenálně rostoucí hustoty integrovaných obvodů, kterou skvěle předpověděl Gordon Moore, budoucí spoluzakladatel společnosti Intel.¹ Od té doby se konstruktéři elektronických systémů potýkají s požadavky na chlazení v důsledku rostoucí hustoty systémů založených na integrovaných obvodech. Když se systémy přehřejí, součástky se mohou vypnout nebo v horším případě poškodit.

Elektřina, která elektronické systémy napájí, se přeměňuje na teplo, které se musí odvádět, aby se zabránilo přehřátí. V USA spotřebovávají datová centra až 40 % energie na chlazení. Mimo datová centra se na pokročilý odvod tepla spolu s extrémními požadavky na miniaturizaci a spolehlivost obecně spoléhají edge computing a široká škála IoT zařízení. Řešení chlazení pro toto široké spektrum elektronických systémů často závisí na energeticky úsporných kompaktních ventilátorech s nízkou hlučností, které se snadno instalují a udržují.

Konstruktéři systémů, kteří se snaží zajistit vhodné chlazení, čelí neustále požadavkům na stále se zvyšující výkon, přísnější cíle v oblasti energetické účinnosti a nutnost pojmout stále menší a menší součástky. Pouhé plánování použití výkonnějšího ventilátoru nebo zapojení dalších ventilátorů je nereálné kvůli spotřebě energie, prostorovým omezením a omezením hlučnosti.

Konstruktéři mají tři základní možnosti ventilátorů a k určení, který přístup může poskytnout optimální rovnováhu mezi tlakem a prouděním vzduchu, aby vyhovoval potřebám jejich aplikací, mohou využít principy numerického modelování proudění („computational fluid dynamics“, CFD) (obrázek 1):

• Axiální ventilátory pohybují vzduchem rovnoběžně s osou rotační hřídele motoru ventilátoru, podobně jako vrtule. Tyto ventilátory jsou obecně optimální pro aplikace s nízkým tlakem a vysokým průtokem, aby nahradily horký vzduch vzduchem chladicím. Jsou ceněny pro svou malou montážní hloubku, nízkou hlučnost a svou účinnost, díky čemuž jsou ideální pro servery a úložná zařízení, kde je nutné šetřit každým centimetrem místa. Větší úhly proudění k lopatkám mohou generovat větší tlak, ale může to mít za následek zvýšené turbulence a hluk a také sníženou energetickou účinnost.
• Odstředivé, neboli radiální, ventilátory odklánějí vzduch pod úhlem 90° k hřídeli a mohou při nižším průtoku vytvářet větší tlak než axiální ventilátory. Díky tomu jsou optimální pro směrování vzduchu potrubím za účelem ventilace, jako je chlazení datových center, nebo pro menší aplikace, jako jsou notebooky, kde je cílem cirkulace přesunout proud tepla kolmo k proudu nasávaného vzduchu. Výměnou za tyto výhody jsou požadavky na napájení, které přesahují to, co potřebují axiální ventilátory.
• Diagonální ventilátory nasávají vzduch jako axiální ventilátory, ale proud vzduchu vyfukují diagonálně k hřídeli. To umožňuje úrovně komprese podobné odstředivým ventilátorům, díky čemuž může vzniknout vyšší statický tlak s menšími turbulencemi a vyšší účinností.

Obrázek 1: Optimální provozní rozsahy tří provedení ventilátorů. (Zdroj grafiky: společnost ebm-papst)

Axiální ventilátory nové generace

Aplikacím chlazení elektroniky dominují axiální kompaktní ventilátory, protože se snadno integrují a poskytují optimální průtok vzduchu. Integrovaná pouzdra fungují jako sací trychtýř pro nasávání vzduchu a zároveň poskytují homogenní výstupní proudění bez vytváření vírů, které by zvyšovaly hlučnost.

Tradiční axiální ventilátory však často narážejí na hranice svých možností kvůli potřebě stále se zvyšujícího chladicího výkonu a kompaktnější konstrukce. Konstruktéři, kteří se snaží zvýšit chladicí výkon tradičních axiálních ventilátorů, často spoléhají na dvoustupňové axiální kompaktní ventilátory s protiběžnými rotory, které poskytují vysoký tlak potřebný pro rovnoměrné chlazení v celém krytu. To však zvyšuje spotřebu energie a provozní hlučnost.

Přední inovátor v oblasti ventilátorů a motorů, společnost ebm-papst, vyvinul diagonální kompaktní ventilátor DiaForce, který tyto překážky překonává a je zaměřen na to, aby splnil budoucí náročné požadavky na chlazení elektroniky. Vzduch proudí ventilátory DiaForce v axiálním i radiálním směru, což umožňuje vytvořit kompaktní axiální ventilátorovou jednotku, která poskytuje výkon protiběžně rotujícího ventilátoru s menší hlučností a výrazně nižší spotřebou energie.

Ventilátory DiaForce mají integrován externí nejmodernější rotorový motor přímo s axiálním oběžným kolem a mohou dodávat silný proud vzduchu axiálního ventilátoru se zvýšenou schopností protitlaku odstředivého ventilátoru (obrázek 2). Jedinečná geometrie oběžného kola a pouzdra minimalizuje turbulence v okrajové oblasti, aby se snížila hlučnost, a k vytvoření proudění vzduchu v axiálním i radiálním směru využívá výstupní otvor oběžného kola, který je větší než sací otvor.

Obrázek 2: Přímé srovnání mezi jednostupňovým axiálním kompaktním ventilátorem (a), dvoustupňovým axiálním kompaktním ventilátorem (b) a novým diagonálním kompaktním ventilátorem DiaForce (c). (Zdroj fotografie: společnost ebm-papst)

Společnost ebm-papst vyvinula diagonální kompaktní ventilátor DiaForce ke splnění požadavků na vysokou dostupnost, které jsou typické pro aplikace, jako jsou servery datových center, standardní komunikace 5G, autonomní vozidla a cloudové služby.

Geometrie ventilátorů DiaForce minimalizuje turbulence a umožňuje zvýšení tlaku větší než u standardních axiálních ventilátorů. Podle společnosti ebm-papst je ventilátor DiaForce při stejných rozměrech jako běžný axiální ventilátor o 6 dB(A) tišší než běžný axiální kompaktní ventilátor a má až o 50 % vyšší vzduchový výkon². Ventilátor je v souladu se specifikacemi normy DIN ISO 1940 pro dynamické vyvažování ve dvou rovinách.

Na rozdíl od běžných jednostupňových ventilátorů lze otáčky, při kterých ventilátory DiaForce běží, zvýšit tak, aby se přizpůsobily nepříznivým podmínkám, jako je zvýšení teploty vnějšího prostředí. Vysoce účinné, elektronicky komutované („electronically commutated“, EC) motory, které pohánějí ventilátory DiaForce, pracují s účinností až 90 % ve srovnání s 20% až 70% úrovní účinnosti střídavých motorů. EC motory umožňují plynulou regulaci otáček a mohou poskytovat výstupní úrovně AC nebo DC motorů v menší velikosti.

Ventilátor DiaForce120 Standard (číslo dílu 8315100198) poskytuje výkonné chlazení s minimální spotřebou energie a hlučností. Je k dispozici ve formátu s šířkou 119 mm, výškou 119 mm, hloubkou 86 mm a hmotností 980 gramů. Za specifikovaných standardních testovacích podmínek poskytuje zařízení maximální volný průtok vzduchu 680 m³/h a maximální statický tlak 3,120 Pa. V závislosti na provozním bodu může podle společnosti ebm-papst dosáhnout ventilátor snížení hluku od 6 dB(A) do 12 dB(A).

Ventilátor DiaForce je poháněn třípólovým energeticky účinným stejnosměrným motorem o výkonu 500 W a výkonným mikrokontrolérem pro inteligentní regulaci motoru, která umožňuje maximální možný točivý moment ve všech rozsazích zatížení.

Volitelný integrovaný diagnostický nástroj FanCheck nepřetržitě vypočítává reálnou zbývající životnost na základě skutečného opotřebení, jakož i teploty, otáček a přednastavených parametrů prostředí. Díky nástroji FanCheck mohou výrobci a zákazníci eliminovat běžnou praxi výměny ventilátorů dříve, než je jejich specifikovaná životnost, snížit související náklady a usnadnit plánování výměny na nejvhodnější dobu.

Mezi další dostupné možnosti ventilátoru DiaForce patří:

• Alarm Go / No Go
• Alarm s omezením otáček
• Externí snímač teploty
• Interní snímač teploty
• Analogový řídicí vstup
• Ochrana proti vlhkosti

Závěr

Vzhledem k tomu, že vlády, podniky a spotřebitelé požadují energeticky účinnější počítačové a síťové technologie, budou konstruktéři elektronických systémů neustále čelit výzvám, aby zajistili vyšší výkon a energetickou účinnost. Moderní ventilátory vytvořené s funkcemi monitorování stavu a s ohledem na budoucí potřeby jsou pro řešení těchto výzev zásadní. Diagonální kompaktní ventilátor DiaForce společnosti ebm-papst může konstruktérům pomoci překonat překážky při dosahování vyššího chladicího výkonu v kompaktnějších provedeních.

Zdroje:

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/