Sammenligning af aksialventilatorer og centrifugalventilatorer

Når det drejer sig om at håndtere overskudsvarme i et system, er ventilatorer en løsning til termisk styring til at fjerne uønsket varme og levere køligere luft til kritiske komponenter. Ud over at drosle systemets effekt ned, tilføje køleplader eller bruge rør eller køleplader er der ofte behov for at generere tvangsluft for at køle tingene yderligere ned.

Dette stiller ingeniøren over for valget mellem en aksialventilator eller en centrifugalventilator. Selv om det ikke er en overdrevent kompliceret beslutning, har denne artikel til formål at skitsere de grundlæggende principper for hver type, diskutere deres almindelige anvendelser og brug og opsummere deres fordele og ulemper.

Grundlæggende om aksialventilatorer og anvendelser

Axialventilatorer, der undertiden kaldes propelventilatorer, har skæve vinger monteret på en roterende akse (eller aksel), som drives af en motor. Aksialventilatorer fungerer ved at trække luft ind i den ene ende og tvinge den ud i den anden ende i en retning parallelt med aksen (figur 1). Rør- eller vaneaxialventilatorer er andre almindelige betegnelser, som ganske enkelt er aksialventilatorer, der er beregnet til at passe i en kanal.

Figur 1: Grundlæggende luftstrømsretning for en aksialventilator. (Billedkilde: Same Sky)

Axialventilatorer er tilgængelig i stort set alle størrelser fra bordniveau til rumstørrelse, og selvom de afhænger af størrelsen, kræver de typisk ikke meget strøm for at fungere. AC-ventilatorer er tilgængelig både i AC- og DC-versioner, idet AC-ventilatorer bruger netstrøm og generelt er klassificeret til over 100 V, mens DC-ventilatorer har meget lavere spændinger i intervallet 3 til 48 Vdc og normalt drives af batterier eller en strømforsyning.

Den luftstrøm, som aksialventilatorer producerer, har en stor volumen, men et lavt tryk. Dette høje volumen og lave tryk gør dem velegnede til køling af udstyr og rum, både små og store, da luftstrømmen fordeles jævnt i et defineret område. Axialventilatorer kan ofte anvendes til køling af computere eller datacenterudstyr, i HVAC-anlæg, AC-kondensatorer eller varmevekslingsenheder og til punktkøling i industrielle systemer. De kan også fungere som udsugningsventilatorer.

Centrifugalventilatorens grundlæggende principper og anvendelser

Centrifugalventilatorer, også kendt som radialventilatorer eller centrifugalblæsere, har løbehjul i et motordrevet nav, der suger luft ind i huset og derefter udstøder luften fra et udløb i en vinkel på 90 grader (vinkelret) på indsugningen (figur 2).

Figur 2: Grundlæggende luftstrømsretning for en centrifugalventilator. (Billedkilde: Same Sky)

Som højtryks- og lavvolumenudgangsenheder presser centrifugalventilatorer hovedsagelig luft under tryk i ventilatorhuset, hvilket giver en konstant luftstrøm med højt tryk, men med mere begrænsede mængder sammenlignet med aksiale versioner. Fordi de udstøder luft fra et udløb, er de ideelle til at målrette luftstrømmen i et bestemt område for at køle en bestemt del af systemet, der genererer mere varme, f.eks. en power FET, DSP eller FPGA. Ligesom deres aksiale modstykker er de tilgængelig også i AC- og DC-versioner med en række forskellige størrelser, hastigheder og fodaftryk, men de bruger typisk mere strøm. Deres lukkede design giver ekstra beskyttelse til de forskellige bevægelige dele, hvilket gør dem til en pålidelig, holdbar og skadesfri løsning.

Både centrifugal- og aksialventilatorer producerer hørbar og elektromagnetisk støj, men centrifugalventilatorer har tendens til at være mere støjende end aksialventilatorer. Da begge ventilatorkonstruktioner anvender motorer, kan EMI-effekter påvirke systemets ydeevne i følsomme applikationer.

En centrifugalventilators høje tryk og lave volumen gør den i sidste ende ideel til luftstrøm i koncentrerede områder som rør eller kanaler (Figur 3) eller til ventilation og udsugning. Det betyder, at de fungerer godt i klimaanlæg eller tørringssystemer, mens deres ekstra holdbarhed, som nævnt tidligere, kan gøre det muligt at anvende dem i barske miljøer, hvor der er tale om partikler, varm luft og gasser. Med hensyn til elektroniske applikationer anvendes centrifugalventilatorer ofte i bærbare computere på grund af deres lave profil og højere retningsbestemthed (luftstrømmen udstødes i 90 grader fra indsugningen).

Figur 3: Centrifugalventilator anvendt i et kanalsystem. (Billedkilde: Same Sky)

Overvejelser om EMI og støj fra ventilatorer

Elektromagnetisk interferens (EMI), der genereres af ventilatorer, er en vigtig designovervejelse, der skal tages i betragtning på et tidligt tidspunkt. Alle ventilatorer kan generere enten udstrålet EMI fra selve ventilatoren eller ledet EMI fra strømkablerne. Ukontrollerede magnetfelter (UMF) fra motorens magneter og statorviklinger kan også forårsage interferens. Selv om det er applikationsspecifikt, vil omhyggelige overvejelser i de tidlige faser af designet spare tid og penge senere hen. Generelt skaber DC-ventilatorer mindre EMI end deres modstykker med AC-ventilatorer.

Figur 4: Axialventilatorer har tendens til at producere mindre støj end centrifugalblæsere. (Billedkilde: Same Sky)

En anden applikationsspecifik designhensyn er den hørbare støj, som genereres af ventilatorer. Støjen varierer alt efter anvendelse, komponenternes tæthed, placering i et system, ventilatorens størrelse, mængden af luft, der flyttes, anvendte lagertyper osv. Lejerne i en ventilator påvirker ikke kun akustikken, men kan også påvirke levetiden og de potentielle anvendelsesmuligheder. Lydstøj kan ofte afbødes ved bedre placering af ventilatorerne, mekanisk isolering eller brug af luftindtagsgitre eller udluftningsdiffusorer. En god tommelfingerregel er, at jo højere CFM eller luftmængde, jo højere er den hørbare støj. Når det er sagt, vil en større ventilator og en mindre ventilator, der begge har samme CFM-værdi, typisk resultere i en mere støjsvag løsning med den større ventilator. Som nævnt tidligere er aksialventilatorer normalt mere støjsvage end centrifugalventilatorer.

Endelig sammenligning

For at hjælpe dig med at få styr på tingene er her en hurtig sammenligning af de forskellige fordele, ulemper og karakteristika ved aksial- og centrifugalventilatorer. Beslutningen om den bedste løsning afhænger af den påtænkte anvendelse, den tilgængelige plads og de overordnede termiske krav til slutsystemet.

Figur 5: Sammenligning af de grundlæggende egenskaber ved aksial- og centrifugalventilatorer. (Billedkilde: Same Sky)

Konklusion

Elektroniske komponenter, der producerer uønsket varme, kan køles effektivt med enten aksialventilatorer eller centrifugalventilatorer. Begge er gennem mange års brug og løbende forbedringer blevet gennemprøvet i praksis. Same Sky tilbyder et bredt udvalg af DC-aksialventilatorer og centrifugalblæsere med forskellige rammestørrelser og luftmængder for at hjælpe med at matche en ingeniørs specifikke termiske krav.