Nagy teljesítményű hűtés: a kis méretű diagonálventilátorok hatása

A teljesítményelektronika a felhőket alkotó kiszolgálóktól (idegen szóval szerverektől) a mobil eszközökig mindenben hatalmas előnyöket kínál a vállalkozások, a fogyasztók és az állam számára. Emellett viszont magában hordozza azt a problémát, hogy hogyan lehet a leghatékonyabban hűteni a létfontosságú alkatrészeket, hogy a sebesség, a megbízhatóság és az adattömörítő teljesítmény biztosított legyen.

A nagyobb teljesítményű kiszolgálók és helyi eszközök elengedhetetlenek az 5G-hez kapcsolódó önálló technikák, a mesterséges intelligencia és a dolgok internetére (IoT, Internet of Things) kapcsolódó eszközök jelentette ígéretek teljesítéséhez. Ezeknek a rendszereknek a tervezésekor a teljesítmény és a megbízhatóság szavatolása érdekében többféle hűtési módot kell figyelembe venni, de a legtöbb felhasználási területen kulcsfontosságúak a hideg és a meleg levegőt cserélő ventilátorok. Ezért rendkívül fontos, hogy a rendszertervezők olyan kis méretű ventilátorokat tervezzenek, amelyek minimális zaj és helyigény mellett a lehető legjobb hűtési képességeket nyújtják.

Az elektronikai rendszerek tervezésével járó kompromisszumok leküzdése

1965 óta az elektronikai és IC-alapú rendszerek tervezői folyamatosan küzdenek az integrált áramkörök érezhetően növekvő, a nem sokkal később az Intel társalapítójává vált Gordon Moore¹ által közismerten megjósolt alkatrészsűrűségéből adódó hűtési igényekkel. Ha a rendszerek túlmelegednek, az alkatrészek leállhatnak, vagy ami még rosszabb, károsodhatnak.

Az elektronikus rendszereket működtető villamos energia egy része hővé alakul át, amelyet a túlmelegedés elkerülése érdekében el kell vezetni. Az Amerikai Egyesült Államokban az adatközpontok energiafelhasználásának akár 40%-át is hűtésre fordítják. Az adatközponttól távolabb a helyi számítástechnika és a dolgok internetére kapcsolódó sokféle eszköz a rendkívül nagymértékű miniatürizálás és a megbízhatósági követelmények mellett általában korszerű hűtésre támaszkodik. Az elektronikus rendszerek e széles spektrumának hűtését gyakran energiatakarékos, kis zajszintű, kis méretű ventilátorokkal oldják meg, amelyek könnyen szerelhetőek be és egyszerűen tarthatóak karban.

A megfelelő hűtés biztosítására törekvő rendszertervezők számára folyamatos kihívást jelentenek az egyre növekvő teljesítményre vonatkozó követelmények, a hatásfokra vonatkozó szigorúbb célok, valamint az egyre kisebb alkatrészek használata iránti igény. Egyszerűen egy erősebb ventilátor használata vagy további ventilátorok csatlakoztatása a fogyasztás, a helyhiány és a zajkorlátok miatt életszerűtlen megoldásnak számít.

A tervezők három alapvető ventilátorfajta közül választhatnak, és a számítástechnikai áramlástani (CFD, computational fluid dynamics) elvek segítségével meghatározhatják, hogy a felhasználási terület igényeinek megfelelően melyik megoldás biztosítja a nyomás és a légáramlás optimális egyensúlyát (1. ábra):

• Az axiálventilátorok vagy tengelyirányú szállítási irányú ventilátorok a ventilátor forgó tengelyével párhuzamosan mozgatják a levegőt, mint egy légcsavar. Ezek az eszközök általában kis nyomást és nagy légáramot igénylő felhasználási területekre optimálisak, hogy a meleg levegő helyére hidegebb hűtőlevegőt szállítsanak. Ezeknek a ventilátoroknak az értékét a kis beépítési mélység (vékony kialakítás), a kis zaj és a jó hatásfok jelenti, így ideálisak a kiszolgálókba és a tárolóeszközökhöz, ahol minden köbcentiméternyi hely nagyon értékes. A lapátok nagyobb hajlásszöge nagyobb áramlást kelthet, és ezzel nagyobb nyomást állíthat elő, de ez nagyobb turbulenciát és zajt, valamint rosszabb hatásfokot eredményezhet.
• A centrifugál- vagy radiálventilátorok a forgástengelyükhöz képest 90˚-os szögben terelik a levegőt, és kisebb áramlási sebesség mellett nagyobb nyomást tudnak létrehozni, mint az axiálventilátorok. Ez optimálissá teszi őket arra, hogy a levegőt csővezetékrendszeren keresztül lehessen vezetni a szellőztetéshez, például adatközpontok hűtéséhez, vagy kisebb készülékekhez, például laptopokhoz, ahol a keringetés célja a hőnek a levegő beáramlására merőleges irányban történő mozgatása. Ennek ellentételezéseként a teljesítményigényük meghaladja az axiálventilátorokét.
• A diagonálventilátorok vagy átlós szállítási irányú ventilátorok az axiálventilátorokhoz hasonlóan szívják be a levegőt, de a légáramot a forgástengelyhez képest átlós irányban (azaz valamilyen szögben) terelik ki. Ez a centrifugálventilátorokéhoz hasonló nyomásszinteket, ami pedig nagyobb statikus nyomást tesz lehetővé kisebb turbulencia és jobb hatásfok mellett.

1. ábra: A három ventilátorfajta optimális működési tartománya (ábra: ebm-papst)

Következő generációs axiálventilátorok

Az elektronika hűtésére használt eszközök között a kis méretű axiálventilátorok dominálnak, mivel könnyen beépíthetőek, és optimális légáramlási sebességet állítanak elő. A hozzájuk kapcsolt burkolatok szívótölcsérként szolgálnak a levegő beszívásához, miközben homogén kimenőáramlást hoznak létre anélkül, hogy örvényeket keltenének, amelyek növelnék a zajt.

A hagyományos axiálventilátoroknak azonban gyakran a határait feszegetik a tervezők az egyre nagyobb hűtőkapacitás és kisebb méret iránti igény miatt. Azok a tervezők, akik a hagyományos axiálventilátorok hűtési kapacitásának növelésére törekszenek, gyakran kétfokozatú, egymással szemben forgó forgórészű, kis méretű axiálventilátorokat használnak arra, hogy megteremtsék az egyenletes hűtéshez szükséges nagy nyomást az egész házon belül. Ez azonban növeli a fogyasztást és a működési zajt.

Az ebm-papst, a ventilátorok és villanymotorok terén egyik vezető újító cég kifejlesztett egy kis méretű diagonálventilátort, amely a DiaForce nevet kapta. Ez legyőzi ezeket az akadályokat, és az elektronika hűtésének magas követelményeket támasztó jövendőbeli igényeinek teljesítését célozza meg. A levegő a DiaForce ventilátorokon tengely- és és sugárirányban (azaz axiálisan és radiálisan) is átáramlik, így egy olyan kis méretű axiálventilátor kialakítását tesz lehetővé, amely kisebb zajjal és lényegesen kisebb fogyasztással nyújtja az egymással szemben forgó forgórészű ventilátorok teljesítményét.

A DiaForce ventilátorok egy külső, a csúcstechnikát képviselő forgórészű villanymotort egyesítenek közvetlenül az axiális lapátkerékkel, és képesek az axiálventilátorok nagy szállítási légáramlását és a centrifugálventilátorok nagyobb torlónyomási képességeit együtt szolgáltatni (2. ábra). A lapátkerék és a ház egyedi kialakítása a zaj csökkentése érdekében minimálisra csökkenti a turbulenciát a széleken, és a lapátkerék kimeneti nyílása nagyobb, mint a szívónyílás, így tengely- és sugárirányban is létrehoz valamekkora légáramlást.

2. ábra: Az egyfokozatú kis méretű axiálventilátor (a), a kétfokozatú kis méretű axiálventilátor (b) és az új DiaForce kis méretű diagonálventilátor (c) közvetlen összehasonlítása (ábra: ebm-papst)

Az ebm-papst a DiaForce kis méretű diagonálventilátort a nagy rendelkezésre állási követelményeket szem előtt tartva fejlesztette ki, amelyek az olyan felhasználási területekre jellemzőek, mint az adatközpontok kiszolgálói, az 5G szabványra épülő kommunikáció, az önvezető járművek és a felhőbeli szolgáltatások.

A DiaForce ventilátorok kialakítása olyan, hogy minimálisra csökkenti a turbulenciát, és nagyobb nyomásnövelést tesz lehetővé, mint a hagyományos axiálventilátorok. Az ebm-papst szerint a DiaForce 6 dB(A)-val halkabb, mint egy hagyományos kis méretű axiálventilátor, egy hagyományos axiálventilátor méretében akár 50%-kal nagyobb szállítási teljesítményt² szolgáltatva annál. A DiaForce megfelel a DIN ISO 1940 szabvány két síkban történő dinamikus kiegyensúlyozásra vonatkozó előírásainak.

A hagyományos egyfokozatú ventilátorokkal ellentétben a DiaForce ventilátorok fordulatszáma kedvezőtlen körülmények, például a külső környezeti hőmérséklet emelkedése esetén növelhető. A DiaForce ventilátorokat hajtó jó hatásfokú, elektronikusan kommutált (EC, electronically commutated) villanymotorok akár 90%-os hatásfokkal is képesek működni, szemben a váltakozó áramú motorok 20–70%-os hatásfokával. Az elektronikusan kommutált motorok a fordulatszám fokozatmentes változtatását teszik lehetővé, és kisebb méretben képesek ugyanakkora teljesítményszintet szolgáltatni, mint a váltakozó- és egyenáramú motorok.

A DiaForce120 Standard (cikkszám: 8315100198) erőteljes hűtést tesz lehetővé minimális fogyasztás és zajszint mellett. A készülék 119 mm széles, 119 mm magas, 86 mm vastag, és 980 g tömegű. Meghatározott szabványos vizsgálati feltételek mellett 680 m³/h legnagyobb szállítási teljesítmény és 3120 Pa legnagyobb statikus nyomás elérésére képes. Az ebm-papst szerint a munkaponttól függően 6 dB(A) és 12 dB(A) közötti zajcsökkentés érhető el vele.

A DiaForce hajtásához egy háromvezetékes, energiatakarékos, 500 W névleges teljesítményű egyenáramú motor és az intelligens motorvezérléshez egy nagy teljesítményű mikrovezérlő szükséges, amely minden terhelési tartományban a lehető legnagyobb nyomaték elérését teszi lehetővé.

A külön rendelhető beépített FanCheck diagnosztikai eszköz folyamatosan kiszámítja a várható hátralévő élettartamot az észlelt tényleges kopás, valamint a hőmérséklet, a fordulatszám és az előre beállított környezeti paraméterek alapján. A FanCheck segítségével a gyártók és az ügyfelek elkerülhetik azt a gyakori hibát, hogy a ventilátorokat a megadott élettartamuknál hamarabb cserélik le. Ez csökkenti a kapcsolódó költségeket, és megkönnyíti a cserének a legmegfelelőbb időpontra ütemezését.

A DiaForce ventilátorhoz külön rendelhető további funkciók:

• használható/nem használható (Go/No Go) riasztás
• riasztás fordulatszám-korlátozással
• külsőhőmérséklet-érzékelő
• belsőhőmérséklet-érzékelő
• analóg vezérlőbemenet
• nedvesség elleni védelem

Összegzés

Mivel a kormányok, a vállalkozások és a fogyasztók egyre jobb hatásfokú számítógépes és hálózati technikákra tartanak igényt, az elektronikus rendszerek tervezőinek folyamatos kihívást jelent majd az egyre nagyobb teljesítmény és hatásfok megteremtése. Az állapotfigyelési képességekkel ellátott és a jövőbeli igényeket szem előtt tartva létrehozott korszerű ventilátorok létfontosságúak az ezeknek a kihívásoknak való megfeleléshez. Az ebm-papst kis méretű DiaForce diagonálventilátora segíthet a tervezőknek kisebb méretben leküzdeni a nagyobb hűtési kapacitás elérése előtt tornyosuló akadályokat.

Források:

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/