Krachtige koeling: hoe diagonale compacte ventilatoren het spel veranderen

Krachtige elektronica biedt enorme voordelen voor bedrijven, consumenten en de overheid, in alles van cloudservers tot mobiele apparaten. Toch blijft de vraag hoe vitale componenten het meest effectief gekoeld kunnen worden om snelheid, betrouwbaarheid en data-crunching prestaties te leveren.

Krachtigere servers en randapparatuur zijn essentieel om de beloften van autonome technologieën, kunstmatige intelligentie en IoT-oplossingen (Internet of Things) met betrekking tot 5G waar te maken. Het ontwerpen van deze systemen voor gegarandeerde prestaties en betrouwbaarheid vereist meerdere benaderingen voor thermisch beheer, maar de ventilatoren die warme en koude lucht uitwisselen zijn voor de meeste toepassingen cruciaal. Daarom is het voor systeemontwerpers zo belangrijk om te plannen voor compacte ventilatoren die de ultieme koelcapaciteit hebben met een minimaal geluidsniveau en een minimale voetafdruk.

Compromissen in elektronisch systemenontwerp zonder aan kwaliteit in te leveren

Al sinds 1965 worstelen ontwerpers van elektronische systemen met de koelingsbehoeften door de snel groeiende dichtheid van geïntegreerde schakelingen, een voorspelling door Gordon Moore, medeoprichter van Intel.¹ Sindsdien hebben ontwerpers van elektronische systemen te maken gehad met de koelingsbehoeften als gevolg van de toenemende dichtheid van op IC’s gebaseerde systemen. Wanneer systemen oververhit raken, kunnen onderdelen uitschakelen of, erger nog, beschadigd raken.

De elektriciteit voor elektronische systemen wordt omgezet in warmte die moet worden afgevoerd om oververhitting te voorkomen. In de VS wordt tot 40% van het energieverbruik van datacenters gebruikt voor koeling. Buiten het datacenter zijn edge computing en een grote verscheidenheid aan IoT-apparaten doorgaans afhankelijk van geavanceerde warmteafvoer in combinatie met extreme miniaturisatie en betrouwbaarheidseisen. Koeloplossingen voor dit brede spectrum aan elektronische systemen zijn vaak afhankelijk van energiebesparende, geluidsarme compacte ventilatoren die eenvoudig te installeren en te onderhouden zijn.

Systeemontwerpers die op zoek zijn naar de juiste koeling hebben voortdurend te maken met de vraag naar een steeds hogere stroomdoorvoer, strengere energie-efficiëntiedoelstellingen en de noodzaak voor steeds kleinere componenten. Simpelweg een krachtigere ventilator gebruiken of extra ventilatoren aansluiten is onrealistisch vanwege het stroomverbruik, de beperkte ruimte en de geluidsbeperkingen.

Ontwerpers hebben drie basisopties voor ventilatoren. Zo kunnen ze aan de hand van de principes van computational fluid dynamics (CFD) bepalen welke benadering de optimale balans kan bieden tussen druk en luchtstroom om aan de behoeften van hun toepassingen te voldoen (afbeelding 1):

• Axiaalventilatoren verplaatsen lucht parallel aan de as van de draaiende motoras, zoals een propeller. Deze zijn over het algemeen optimaal voor toepassingen met lage druk en hoog debiet om warme lucht te vervangen door koellucht. Dankzij hun geringe installatiediepte, lage geluidsproductie en hoge efficiëntie zijn ze ideaal voor servers en opslagapparaten waarbij elke centimeter ruimte belangrijk is. Grotere stromingshoeken ten opzichte van de bladen kunnen meer druk genereren, maar dat kan leiden tot meer turbulentie en lawaai en een lagere energie-efficiëntie.
• Centrifugale–of radiale–ventilatoren voeren lucht af onder een hoek van 90˚ ten opzichte van de as en kunnen meer druk creëren met lagere flowsnelheden dan axiale ventilatoren. Dat maakt ze optimaal voor luchtventilatie door kanalen, zoals bij datacenterkoeling, of voor kleinere toepassingen zoals laptops, waar de circulatie gericht is op het verplaatsen van warmte loodrecht op de luchtinlaat. Het nadeel hiervan is dat er meer elektriciteit nodig is dan voor axiale ventilatoren.
• Diagonale ventilatoren trekken lucht aan zoals een axiale ventilator, maar voeren de luchtstroom diagonaal uit naar de as. Dit maakt compressieniveaus mogelijk die vergelijkbaar zijn met die van centrifugaalventilatoren, waardoor een hogere statische druk met minder turbulentie en een grotere efficiëntie mogelijk is.

Afbeelding 1: Optimaal werkbereik van de drie ventilatorontwerpen. (Bron afbeelding: ebm-papst)

Axiaalventilatoren van de volgende generatie

Axiale compacte ventilatoren domineren toepassingen voor elektronicakoeling omdat ze eenvoudig te integreren zijn en optimale luchtstroomsnelheden leveren. Geïntegreerde behuizingen werken als een zuigtrechter voor de luchtinlaat en zorgen tegelijkertijd voor een homogene uitstroom zonder wervelingen die het geluidsniveau zouden verhogen.

Traditionele axiaalventilatoren worden echter vaak tot het uiterste gedreven door de behoefte aan steeds grotere koelcapaciteit en compactere ontwerpen. Ontwerpers die de koelcapaciteit willen verhogen met traditionele axiaalventilatoren vertrouwen vaak op tweetraps axiale compacte ventilatoren met tegengesteld draaiende rotors om de hoge druk te leveren die nodig is voor een gelijkmatige koeling in de hele behuizing. Dit verhoogt echter het energieverbruik en het geluidsniveau.

Toonaangevende ventilator- en motorinnovator ebm-papst heeft een diagonale compacte ventilator, DiaForce, ontwikkeld die deze hindernissen overkomt en gericht is op de veeleisende toekomstige vereisten van elektronicakoeling. De lucht door de DiaForce-ventilatoren stroomt zowel in axiale als radiale richting, waardoor een compacte axiale ventilatoreenheid ontstaat die de prestaties levert van een tegengesteld roterende ventilator met minder lawaai en aanzienlijk minder stroomverbruik.

DiaForce-ventilatoren integreren een externe, ultramoderne rotormotor rechtstreeks in de axiale waaier en leveren de krachtige luchtstroom van een axiale ventilator met de verhoogde tegendruk van een centrifugaalventilator (afbeelding 2). De unieke geometrie van de waaier en de behuizing minimaliseert turbulentie in het randgebied om het geluidsniveau te verlagen en maakt gebruik van een waaieruitlaatopening die groter is dan de inlaatopening om luchtstroom te creëren in zowel axiale als radiale richting.

Afbeelding 2: Een directe vergelijking tussen een eentraps axiale compacte ventilator (a), een tweetraps axiale compacte ventilator (b) en de nieuwe DiaForce diagonale compacte ventilator (c). (Bron foto: ebm-papst)

ebm-papst heeft de DiaForce diagonale compacte ventilator ontwikkeld voor hoge beschikbaarheidseisen die typisch zijn voor toepassingen zoals datacenterservers, 5G-standaardcommunicatie, autonome voertuigen en cloudservices.

De geometrie van DiaForce-ventilatoren minimaliseert turbulentie en maakt een drukverhoging mogelijk die groter is dan bij standaard axiaalventilatoren. Volgens ebm-papst is de DiaForce zes dB(A) stiller dan een conventionele axiale compacte ventilator (met tot 50% meer luchtprestaties²) binnen dezelfde afmetingen als een conventionele axiaalventilator. De ventilator voldoet aan de DIN ISO 1940 specificaties voor dynamisch balanceren in twee vlakken.

In tegenstelling tot conventionele eentrapsventilatoren kan de snelheid waarmee DiaForce-ventilatoren draaien worden verhoogd om tegemoet te komen aan ongunstige omstandigheden, zoals een stijging van de temperatuur van de externe omgeving. Zeer efficiënte, elektronisch gecommuteerde ofwel EC-motoren die DiaForce-ventilatoren aandrijven, werken op een efficiëntieniveau tot 90%, vergeleken met het efficiëntieniveau van 20% tot 70% van wisselstroommotoren. EC-motoren maken traploze snelheden mogelijk en kunnen de uitgangsniveaus van wissel- of gelijkstroommotoren leveren in een kleinere vormfactor.

De DiaForce120 Standard (onderdeelnummer 8315100198) levert krachtige koeling met minimaal energieverbruik en geluid. Hij is verkrijgbaar met een vormfactor van 119 mm breed, 119 mm hoog, 86 mm diep en een gewicht van 980 gram. Onder gespecificeerde standaard testomstandigheden levert de ventilator een maximale vrije luchtstroom van 680 m³/u en een maximale statische druk van 3,120 Pa. Afhankelijk van het werkpunt kan het een geluidsreductie van 6 dB(A) tot 12 dB(A) bereiken, aldus ebm-papst.

De DiaForce wordt aangedreven door een energiezuinige driedradige gelijkstroommotor van 500 W en een krachtige microcontroller voor intelligente motorregeling die een maximaal koppel mogelijk maakt in alle belastingsbereiken.

Een optionele geïntegreerde FanCheck-diagnosetool berekent continu de realistische resterende levensduur op basis van de werkelijke slijtage en de temperatuur, snelheid en vooraf ingestelde omgevingsparameters. Met FanCheck hoeven fabrikanten en klanten niet meer ventilatoren eerder te vervangen dan hun opgegeven levensduur–iets wat vaak gedaan wordt–waardoor de bijbehorende kosten worden verlaagd en het eenvoudiger wordt om vervanging te plannen op de meest geschikte momenten.

Andere beschikbare DiaForce-ventilatoropties zijn:

• Go/No Go-alarm
• Alarm met snelheidsbeperking
• Externe temperatuursensor
• Interne temperatuursensor
• Analoge besturingsingang
• Vochtbescherming

Conclusie

Naarmate overheden, bedrijven en consumenten meer energie-efficiënte computer- en netwerktechnologie eisen, zullen ontwerpers van elektronische systemen voortdurend worden uitgedaagd om betere prestaties en energie-efficiëntie te leveren. Moderne ventilatoren met mogelijkheden voor conditiebewaking en oog voor toekomstige behoeften zijn van vitaal belang om deze uitdagingen aan te gaan. De DiaForce diagonale compacte ventilator van ebm-papst kan ontwerpers helpen de hindernissen te overkomen om een hogere koelcapaciteit te bereiken in compactere ontwerpen.

Bronnen:

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/