Högeffektiv kylning: Hur kompakta diagonalfläktar förändrar spelplanen

Kraftfull elektronik i allt från molnservrar till mobila enheter skapar enorma fördelar för företag, konsumenter och myndigheter. Men med det kommer utmaningen hur man på bästa sätt ska kyla viktiga komponenter för att tillhandahålla snabbhet, tillförlitlighet och hög databehandlingskapacitet.

Servrar och enheter i molnkanten med mer kraft är avgörande för att uppfylla löftena för autonom teknologi, artificiell intelligens och IoT-lösningar (Internet of Things) relaterade till 5G. Att utforma dessa system för att säkerställa prestanda och tillförlitlighet kräver flera olika metoder för värmehantering där fläktar som växlar varm och kall luft är avgörande för de flesta tillämpningar. Därför är det mycket viktigt att systemutvecklare planerar för kompakta fläktar som har den absolut bästa kylningskapaciteten, men med en låg ljudnivå och i ett litet format.

Hur man slipper kompromisser vid utformning av elektroniksystem

Sedan 1965 har utvecklingen av elektroniska system brottats med kylningskraven på grund av den exceptionella densitetsökningen av integrerade kretsar, något som förutspåddes av den blivande Intel-medgrundaren Gordon Moore.¹ Sedan dess har konstruktörer av elektroniska system brottats med kylningskraven från den ökande densiteten hos system baserade på integrerade kretsar. När system blir överhettade kan komponenter stängas ned, eller i värsta fall skadas.

Den elektricitet som driver elektroniska system omvandlas till värme och för att förhindra överhettning måste värmen avledas. I USA används upp till 40 % av energianvändningen i datacenter för kylning. Utanför datacentret har datorer i molnkanten och en mängd olika IoT-enheter i allmänhet krav på avancerad värmeavledning tillsammans med mycket höga krav på miniatyrisering och tillförlitlighet. Kylningslösningar för denna stora mängd elektroniska system är ofta beroende av fläktar som är energisnåla, tysta och kompakta samt enkla att installera och underhålla.

Systemkonstruktörer som försöker tillhandahålla lämplig kylning utmanas ständigt av kraven på konstant ökande kraftgenomströmning, strängare energieffektivitetsmål och anpassningar till mindre och mindre komponenter. Att enbart planera för att använda en mer kraftfull fläkt eller koppla in ytterligare fläktar är orealistiskt på grund av strömförbrukning, utrymmesbegränsningar och begränsningar för ljudnivån.

Konstruktörer har tillgång till tre grundläggande fläktalternativ och kan använda CFD-principer (Computational Fluid Dynamics) för att avgöra vilken metod som kan tillhandahålla den optimala balansen mellan tryck och luftflöde för att uppfylla tillämpningarnas behov (figur 1):

• Axialfläktar förflyttar luft parallellt med fläktens roterande motoraxel, likt en propeller. De är i allmänhet optimala för tillämpningar som har ett lågt tryck och ett högt flöde där varm luft ersätts med kall luft. De är uppskattade för sitt grunda installationsdjup, sin låga ljudnivå och för sin verkningsgrad, vilket gör dem idealiska för servrar och lagringsenheter där varje centimeter utrymme är dyrbar. Större flödesvinklar på bladen kan generera mer tryck, men det kan leda till ökad turbulens och ljudnivå samt minskad verkningsgrad.
• Centrifugal- eller radialfläktar leder ut luften i 90˚ vinkel mot axeln och kan, jämfört med axialfläktar, skapa ett högre tryck vid lägre flödeshastigheter. De är idealiska för att leda luft genom ventilationskanaler, som t.ex. för kylning av datacenter, eller för mindre tillämpningar som t.ex. bärbara datorer, där cirkulationen syftar till att flytta värme vinkelrätt mot luftintagets flöde. Kompromissen är ett energibehov som överstiger axialfläktarnas behov.
• Diagonalfläktar suger in luft som en axialfläkt men blåser ut luftflödet diagonalt mot axeln. Detta ger kompressionsnivåer som liknar dem för centrifugalfläktar, vilket möjliggör högre statiskt tryck med mindre turbulens och högre verkningsgrad.

Figur 1: Optimala driftområden för de tre fläktkonstruktionerna. (Grafisk källa: ebm-papst)

Nästa generations axialfläktar

De kompakta axialfläktarna är dominerande när det gäller att kyla elektronik eftersom de är enkla att integrera och skapar optimalt luftflöde. Integrerade höljen fungerar som en sugtratt för luftintaget samtidigt som de ger ett homogent utloppsflöde utan att skapa virvlar som skulle öka ljudnivån.

Dock pressas traditionella axialfläktar ofta till sitt yttersta på grund av behovet av ständigt ökande kylkapacitet och mindre konstruktioner. Konstruktörer som vill öka kylningskapaciteten med hjälp av traditionella axialfläktar förlitar sig ofta på kompakta axialfläktar med två steg, med motroterande rotorer för att skapa det höga tryck som krävs för jämn kylning i hela kapslingen. Detta ökar dock energiförbrukningen och ljudnivån vid drift.

Den ledande fläkt- och motorinnovatören ebm-papst har utvecklat en kompakt diagonalfläkt, DiaForce, som övervinner dessa hinder och är avsedd att uppfylla de högt ställda framtida kraven för kylning av elektronik. Luft strömmar genom DiaForce-fläkten i både axiell och radiell riktning, vilket möjliggör en kompakt axialfläkt med samma effekt som en motroterande fläkt men med lägre ljudnivå och betydligt lägre energiförbrukning.

DiaForce-fläktar integrerar en extern, toppmodern rotormotor direkt med den axiella impellern och kan leverera det kraftfulla luftflödet hos en axialfläkt med det ökade mottryck som finns hos en centrifugalfläkt (figur 2). Den unika geometrin hos impellern och kapslingen minskar turbulensen i kantområdet för att minska ljudnivån, och den använder en öppning i impellerns utlopp som är större än intagets öppning för att skapa luftflöde i både axiell och radiell riktning.

Figur 2: En direkt jämförelse mellan en kompakt axialfläkt med ett steg (a), en kompakt axialfläkt med två steg (b) och den nya kompakta diagonalfläkten DiaForce (c). (Bildkälla: ebm-papst)

ebm-papst har utvecklat den kompakta diagonalfläkten DiaForce för de höga krav på tillgänglighet som kännetecknar tillämpningar som t.ex. servrar i datacenter, standardkommunikation för 5G, autonoma fordon och molntjänster.

DiaForce-fläktarnas geometri minimerar turbulens och möjliggör en tryckökning som är större än hos vanliga axialfläktar. Enligt ebm-papst är DiaForce sex decibel (A) tystare än en konventionell kompakt axialfläkt och har upp till 50 % högre luftkapacitet² men med samma mått som en vanlig axialfläkt. Den uppfyller standarden DIN ISO 1940 för dynamisk balansering i två plan.

Till skillnad från konventionella fläktar med ett steg kan DiaForce-fläktarnas hastighet ökas för att hantera ogynnsamma förhållanden, som t.ex. en ökning av temperatur i den yttre miljön. DiaForce-fläktarna drivs av högeffektiva, elektroniskt kommuterade (EC) motorer och har en verkningsgrad på upp till 90 %, jämfört med AC-motorers verkningsgrad som är mellan 20 och 70 %. Elektriskt kommuterade motorer tillåter steglöst variabla hastigheter och kan ge samma verkningsgrader som motorer för växel- eller likström, men i ett mindre format.

DiaForce120 Standard (artikelnummer 8315100198) skapar en kraftfull kylning med minimal energiförbrukning och låg ljudnivå. Den finns i storleken 119 x 119 x 86 mm (b×h×d) och har en vikt på 980 g. Under specificerade normala testförhållanden levererar den ett maximalt fritt luftflöde på 680 m³/h och ett maximalt statiskt tryck på 3 120 Pa. Enligt ebm-papst kan en dämpning av ljudnivån från 6 till 12 dB(A) erhållas, beroende på driftstillfälle.

DiaForce drivs av en energieffektiv likströmsmotor med tre ledare och med en effekt på 500 W samt en kraftfull microcontroller för intelligent motorreglering, som skapar högsta möjliga vridmoment i alla belastningsområden.

Ett integrerat diagnosverktyg FanCheck (tillval) beräknar kontinuerligt den realistiska återstående livslängden baserat på det faktiska slitaget, samt temperatur, varvtal och förinställda miljöparametrar. Med FanCheck kan tillverkare och kunder minimera den vanligt förekommande praxisen att byta ut fläktar tidigare än deras angivna livslängd, vilket minskar tillhörande kostnader och gör det lättare att planera utbytet till de mest lämpliga tidpunkterna.

Andra tillgängliga alternativ för DiaForce-fläktar innefattar:

• Driftlarm (Go/No Go)
• Larm med hastighetsbegränsning
• Extern temperaturgivare
• Inbyggd temperaturgivare
• Analog styringång
• Skydd mot fukt

Sammanfattning

Eftersom myndigheter, företag och konsumenter kräver mer energieffektiv dator- och nätverksteknologi, kommer utvecklare av elektroniska system ständigt att utmanas att leverera bättre prestanda och verkningsgrad. Moderna fläktar med funktioner för övervakning av tillstånd och ett öga på framtida behov är avgörande för att klara dessa utmaningar. Den kompakta diagonalfläkten DiaForce från ebm-papst kan hjälpa konstruktörer att övervinna hindren för att uppnå bättre kylningskapacitet i mindre konstruktioner.

Resurser:

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/