Højtydende køling: Sådan ændrer kompakte diagonalventilatorer spillet

Højt ydende elektronikudstyr giver virksomheder, forbrugere og myndigheder enorme fordele inden for alt fra cloud-servere til mobile enheder. Alligevel ledsages det af udfordringen om, hvordan vitale komponenter kan afkøles mest effektivt for at sikre hastighed, pålidelighed og data-knusende ydeevne.

Servere og edge-enheder, der er mere højtydende, er afgørende for at opfylde løfterne om autonome teknologier, kunstig intelligens og Internet of Things (IoT)-løsninger relateret til 5G. Design af disse systemer for at sikre ydeevne og pålidelighed kræver flere metoder til termisk styring, men ventilatorer, der udveksler varm og kold luft, er afgørende for de fleste applikationer. Derfor er det meget vigtigt for systemdesignere at planlægge med kompakte ventilatorer, der har de ultimative køleegenskaber med minimal støj og fodaftryk.

Overvindelse af kompromiser inden for design af elektroniksystemer

Siden 1965 har designet af elektroniske systemer kæmpet med kølekravene fra den fænomenale, stigende tæthed af integrerede kredsløb, der er kendt for at være forudsagt af den daværende kommende Intel-medstifter Gordon Moore¹. Lige siden har designere af elektroniske systemer kæmpet med kølekravene fra den stigende tæthed af IC-baserede systemer. Når systemerne bliver overophedede, kan komponenterne lukke ned, eller - hvad der er værre - blive beskadiget.

Den elektricitet, der forsyner elektroniske systemer, omdannes til varme, som skal bortledes for at forhindre overophedning. I USA er op til 40 % af datacenterets energiforbrug til køling. Andetsteds end på datacentret er edge-computing og en lang række IoT-enheder generelt afhængige af avanceret varmeafledning sammen med ekstreme krav til miniaturisering og pålidelighed. Køleløsninger til dette brede spektrum af elektroniske systemer afhænger ofte af energibesparende, støjsvage, kompakte ventilatorer, der er nemme at installere og vedligeholde.

Systemdesignere, der ønsker at levere passende køling, bliver hele tiden udfordret af krav om stadigt stigende energigennemstrømning, strengere energieffektivitetsmål og behovet for at rumme mindre og mindre komponenter. Det er urealistisk at planlægge at bruge en kraftigere ventilator eller tilslutte ekstra ventilatorer på grund af strømforbrug, pladsbegrænsninger og støjbegrænsninger.

Designere har tre grundlæggende muligheder for ventilatorer og kan anvende CFD (Computational Fluid Dynamics) -principper til at afgøre, hvilken tilgang der kan give den optimale balance mellem tryk og luftstrøm for at opfylde behovene i deres anvendelser (Figur 1):

• Aksialventilatorer flytter luften parallelt med aksen af ventilatorens roterende motoraksel, som en propel. Disse er generelt optimale til anvendelser med lavt tryk og højt flow til at erstatte varm luft med kølende luft. De er værdsat for deres lave installationsdybde, lave støjgenerering og effektivitet, hvilket gør dem ideelle til servere og lageringsenheder, hvor hver centimeter plads er i høj kurs. Større strømningsvinkler på bladene kan generere mere tryk, men det kan resultere i øget turbulens og støj samt reduceret energieffektivitet.
• Centrifugal- eller radialventilatorer afbøjer luften i en vinkel på 90˚ i forhold til akslen og kan skabe mere tryk med lavere flowhastigheder end aksialventilatorer. Det gør dem optimale til at lede luft gennem ventilationskanaler, såsom datacenterkøling, eller til mindre anvendelser som bærbare computere, hvor cirkulationen har til formål at flytte varmen vinkelret på luftindtagsstrømmen. Afvejningen er et strømkrav, der overstiger det, der er nødvendigt for aksialventilatorer.
• Diagonalventilatorer trækker luften ind som ved en aksialventilator, men udsender luftstrømmen diagonalt til akslen. Dette muliggør kompressionsniveauer svarende til centrifugalventilatorer, hvilket muliggør højere statisk tryk med mindre turbulens og større effektivitet.

Figur 1: optimale driftsområder for de tre ventilatortyper. (Grafikkilde: ebm-papst)

Næste generations ventilatorer

Kompakte aksialventilatorer dominerer køleapplikationer til elektronik, fordi de er nemme at integrere og leverer optimale luftmængder. Integrerede huse fungerer som en sugetragt til luftindtaget, samtidig med at de giver en homogen udløbsstrøm uden at skabe hvirvler, der øger støjen.

Traditionelle aksialventilatorer bliver dog ofte presset til deres yderste af behovet for stadig stigende kølekapacitet og mere kompakte design. Designere, der ønsker at øge kølekapaciteten med traditionelle aksialventilatorer, stoler ofte på totrins kompakte aksialventilatorer med modroterende rotorer for at levere det høje tryk, der er nødvendigt for ensartet køling i hele kabinettet. Dette øger imidlertid energiforbruget og driftsstøjen.

Den førende ventilator- og motorinnovator ebm-papst har udviklet en kompakt diagonalventilator, DiaForce, der overvinder disse forhindringer og har til formål at opfylde de krævende fremtidige krav til elektronisk køling. Luften strømmer gennem DiaForce-ventilatorer i både aksiale og radiale retninger, hvilket muliggør en kompakt aksialventilator, der leverer samme ydelse som en modroterende ventilator med mindre støj og betydeligt mindre effektforbrug.

DiaForce-ventilatorer integrerer en ekstern topmoderne rotormotor direkte med det aksiale skovlhjul og kan levere den kraftige luftstrøm fra en aksialventilator med centrifugalventilatorens øgede modtrykskapacitet (Figur 2). Skovlhjulets og husets unikke geometri minimerer turbulens i kantområdet for at reducere støj, og den udnytter en udløbsåbning for skovlhjulet, der er større end indsugningsåbningen, til at skabe både aksiale og radiale luftstrømme.

Figur 2: en direkte sammenligning mellem en kompakt ét-trins-aksialventilator (A), en kompakt totrins-aksialventilator (b) og den nye kompakte DiaForce-diagonalventilator (c). (Fotokilde: ebm-papst)

ebm-papst udviklede den DiaForce-kompakte diagonalventilator til at imødekomme krav om høj tilgængelighed, der kendetegner applikationer som datacenterservere, 5 G-standard-kommunikation, autonome køretøjer og cloud-tjenester.

DiaForce-ventilatorernes geometri minimerer turbulens og muliggør en trykstigning, der er større end standard aksialventilatorer. Ifølge ebm-papst er DiaForce seks dB(A) mere støjsvag end en konventionel, kompakt aksialventilator - med op til 50 % større luftydelse² - inden for de samme dimensioner som en konventionel aksialventilator. Den er i overensstemmelse med DIN ISO 1940 specifikationer for dynamisk afbalancering i to planer.

I modsætning til konventionelle ét-trins ventilatorer kan DiaForce-ventilatorerens hastighed øges for at imødekomme ugunstige forhold, såsom en temperaturstigning i det eksterne miljø. Højeffektive, elektroniskkommuterede (EC) motorer, der driver DiaForce-diagonalventilatorer, fungerer med en effektivitet på op til 90 % sammenlignet med 20 % til 70 % for AC-motorer. EC-motorer tillader trinløst variable hastigheder og kan levere udgangsniveauer for AC- eller DC-motorer i en mindre formfaktor.

DiaForce120 Standard (reservedelsnummer 8315100198) leverer højtydende køling med minimalt energiforbrug og støj. Den fås i en formfaktor på 119 mm bredde, 119 mm højde, 86 mm dybde og en vægt på 980 gram. Under specificerede standardtestbetingelser leverer den en maksimal fri luftstrøm på 680 m³/h og et maksimalt statisk tryk på 3.120 Pa. Afhængigt af driftspunktet kan den opnå støjreduktion fra 6 dB(A) til 12 dB(A), ifølge ebm-papst.

DiaForce er en trestrenget, energieffektiv DC-motor med en nominel effekt på 500 W og en kraftig mikrocontroller til intelligent motorregulering, der muliggør maksimalt muligt drejningsmoment i alle belastningsområder.

Et integreret FanCheck-diagnoseværktøj (ekstraudstyr) beregner kontinuerligt den realistiske resterende levetid baseret på det faktiske slid, der opleves, samt temperatur, hastighed og forudindstillede miljøparametre. Med FanCheck kan producenter og kunder eliminere den almindelige praksis med at udskifte ventilatorer hurtigere end deres angivne levetid, hvilket reducerer de dermed forbundne omkostninger og gør det nemmere at planlægge udskiftning til de mest hensigtsmæssige tidspunkter.

Andre tilgængelige muligheder for diagonalventilator fra DiaForce inkluderer:

• Go/No Go-alarm
• Alarm med hastighedsgrænse
• Ekstern temperatursensor
• Intern temperatursensor
• Analog styreindgang
• Fugtbeskyttelse

Konklusion

Efterhånden som regeringer, virksomheder og forbrugere kræver mere energieffektiv computer- og netværksteknologi, vil elektroniske systemdesignere konstant blive udfordret til at levere større ydeevne og energieffektivitet. Moderne fans, der er skabt med tilstandsovervågningsfunktioner og et øje for fremtidige behov, er afgørende for at kunne klare disse udfordringer. ebm-papst DiaForce-kompaktdiagonalventilatorer kan hjælpe designere med at overvinde hindringerne for at opnå højere kølekapacitet i mere kompakte design.

Ressourcer:

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/