Axiaalventilatoren en centrifugaalventilatoren vergeleken

Wanneer het aankomt op het aanpakken van overtollige warmte in een systeem, zijn ventilatoren een veelgebruikte oplossing voor thermisch beheer om ongewenste warmte te verwijderen en koelere lucht over kritieke componenten te blazen. Buiten het afremmen van het systeemvermogen, het toevoegen van koellichamen, of het gebruik van pijpen of koude platen, blijft het vaak nodig om geforceerde lucht te genereren om de zaken verder af te koelen.

Dit stelt een ingenieur voor de keuze tussen een axiaalventilatorontwerp of een centrifugaalventilatorontwerp. Hoewel dit geen al te ingewikkelde beslissing is, wordt in dit artikel getracht de basisprincipes van elk type te schetsen, hun gangbare toepassingen en gebruik te bespreken, en hun voor- en nadelen samen te vatten.

Basisbegrippen en toepassingen van axiaalventilatoren

Axiaalventilatoren, ook wel propellerventilatoren genoemd, hebben schuin geplaatste schoepen die op een draaiende as (of as) zijn gemonteerd die door een motor wordt aangedreven. Axiaalventilatoren werken door lucht aan het ene uiteinde naar binnen te trekken en aan het andere uiteinde naar buiten te persen in een richting die parallel loopt aan de as (Afbeelding 1). Buis- of vaneaxiale ventilatoren zijn andere gebruikelijke termen, die eenvoudigweg axiale ventilatoren zijn die in een kanaal passen.

Afbeelding 1: Basisrichting van de luchtstroom van een axiale ventilator. (Bron afbeelding: Same Sky)

Axiaalventilatoren zijn verkrijgbaar in vrijwel alle maten, van bordniveau tot kamergrootte, en hebben, hoewel afhankelijk van de grootte, doorgaans niet veel vermogen nodig om te werken. AC- en DC-ventilatoren maken gebruik van netstroom en hebben meestal een nominale spanning van meer dan 100 V, terwijl DC-ventilatoren veel lagere spanningen hebben in het bereik van 3 tot 48 Vdc en meestal worden aangedreven door batterijen of een stroombron.

De luchtstroom die axiale ventilatoren produceren is hoog volume, maar lage druk. Door dit grote volume en de lage druk zijn ze zeer geschikt voor het koelen van zowel kleine als grote apparatuur en ruimten, omdat de luchtstroom gelijkmatig over een bepaald gebied wordt verdeeld. Axiaalventilatoren worden vaak aangetroffen bij het koelen van computers of datacenterapparatuur, gebruikt in HVAC, AC-condensors of warmtewisselaars, en gebruikt voor spot cooling in industriële systemen. Zij kunnen ook dienen als afzuigventilatoren.

Grondbeginselen en toepassingen van centrifugaalventilatoren

Centrifugaalventilatoren, ook wel radiaalventilatoren of centrifugaalventilatoren genoemd, hebben waaiers in een door een motor aangedreven naaf die lucht in de behuizing aanzuigt en vervolgens de lucht via een uitlaat in een hoek van 90 graden (loodrecht) op de inlaat uitblaast (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Basisrichting van de luchtstroom van een centrifugale ventilator. (Bron afbeelding: Same Sky)

Als apparaten met een hoge druk en een laag volume zetten centrifugaalventilatoren de lucht binnen het ventilatorhuis onder druk, waardoor een constante luchtstroom met een hoge druk wordt geproduceerd, maar met een beperkter volume in vergelijking met axiale versies. Omdat zij lucht uit een uitlaat blazen, zijn zij ideaal om de luchtstroom in een specifiek gebied te richten om een bepaald deel van het systeem te koelen dat meer warmte produceert, zoals een vermogens-FET, DSP of FPGA. Net als hun axiale tegenhangers zijn ook zij verkrijgbaar in AC- en DC-versies met een reeks afmetingen, snelheden en voetafdrukken, maar zij verbruiken doorgaans meer stroom. Hun gesloten ontwerp biedt extra bescherming aan de verschillende bewegende delen, waardoor ze een betrouwbare, duurzame en schadebestendige optie zijn.

Zowel centrifugale als axiale ventilatoren produceren hoorbaar en elektromagnetisch geluid, maar centrifugale ontwerpen zijn doorgaans luider dan axiale modellen. Aangezien beide ventilatorontwerpen gebruik maken van motoren, kunnen EMI-effecten de systeemprestaties in gevoelige toepassingen beïnvloeden.

Door de hoge druk en het lage volume van een centrifugaalventilator is deze uiteindelijk ideaal voor luchtstroming in geconcentreerde gebieden zoals leidingen of kanalen (figuur 3), of voor ventilatie en afzuiging. Dit betekent dat ze goed werken in airconditionings- of droogsystemen, terwijl de eerder genoemde extra duurzaamheid de werking mogelijk maakt in ruwe omgevingen met deeltjes, hete lucht en gassen. Wat elektronische toepassingen betreft, worden centrifugaalventilatoren vaak gebruikt in laptops vanwege hun lage profiel en grotere richtingsgevoeligheid (luchtstroom die in een hoek van 90 graden ten opzichte van de inlaat wordt uitgestoten).

Afbeelding 3: Centrifugaalventilator gebruikt in kanaalwerk. (Bron afbeelding: Same Sky)

Overwegingen inzake EMI en geluid van de ventilator

Elektromagnetische interferentie (EMI) die door ventilatoren wordt gegenereerd, is een belangrijke ontwerpoverweging waarmee al in een vroeg stadium rekening moet worden gehouden. Alle ventilatoren kunnen zowel uitgestraalde EMI van de ventilator zelf als EMI door geleiding van de voedingskabels genereren. Ongecontroleerde magnetische velden (UMF), afkomstig van de motormagneten en de statorwikkelingen, kunnen eveneens tot storingen leiden. Een zorgvuldige afweging in het beginstadium van het ontwerp is weliswaar specifiek voor een bepaalde toepassing, maar bespaart op termijn tijd en geld. In het algemeen veroorzaken gelijkstroomventilatoren minder EMI dan hun tegenhangers in wisselstroomuitvoering.

Afbeelding 4: Axiaalventilatoren produceren doorgaans minder lawaai dan centrifugaalventilatoren. (Bron afbeelding: Same Sky)

Een andere toepassingsspecifieke ontwerpoverweging is het hoorbare geluid dat door ventilatoren wordt gegenereerd. Het geluidsniveau varieert naargelang de toepassing, de dichtheid van de componenten, de plaatsing in een systeem, de grootte van de ventilator, de hoeveelheid verplaatste lucht, de gebruikte lagertypes, enz. Lagers in een ventilator hebben niet alleen invloed op de akoestiek, maar kunnen ook de levensduur en mogelijke toepassingen beïnvloeden. Geluidsoverlast kan vaak worden beperkt door een betere plaatsing van de ventilator, mechanische isolatie, of het gebruik van luchtinlaatroosters of uitlaatroosters. Een goede vuistregel is: hoe hoger de CFM of luchtstroom, hoe hoger het hoorbare geluid. Dit gezegd zijnde, als een grotere ventilator en een kleinere beide een vergelijkbare CFM-waarde hebben, zal de grotere ventilator doorgaans resulteren in een stillere totaaloplossing. Zoals eerder vermeld, zijn axiale ventilatoren gewoonlijk stiller dan centrifugale ventilatoren.

Definitieve vergelijking

Om een en ander af te ronden volgt hier een korte vergelijking van de verschillende voordelen, nadelen en kenmerken van axiale en centrifugale ventilatoren. Wat de beste optie is, hangt echt af van de beoogde toepassing, de beschikbare ruimte en de algemene thermische vereisten van het eindsysteem.

Afbeelding 5: Vergelijking van de basiskenmerken van axiale en centrifugale ventilatoren. (Bron afbeelding: Same Sky)

Conclusie

Het koel houden van elektronische componenten die ongewenste warmte produceren, kan effectief worden geregeld met axiale ventilatoren of centrifugale ventilatoren. Beide hebben zich in het veld bewezen door vele jaren van gebruik en voortdurende verbetering. Same Sky biedt een breed scala aan dc axiaalventilatoren en centrifugaalventilatoren met verschillende frameafmetingen en luchtdebieten om te voldoen aan de specifieke thermische vereisten van een ingenieur.