Tehokas jäähdytys: Miten kompaktit diagonaalilaitetuulettimet muuttavat peliä

Tehokas elektroniikka tarjoaa valtavia etuja yrityksille, kuluttajille ja viranomaisille kaikessa pilvipalvelimista aina mobiililaitteisiin. Elektroniikkaan liittyy kuitenkin haaste: miten elintärkeitä komponentteja voidaan jäähdyttää mahdollisimman tehokkaasti nopeuden, luotettavuuden ja tehokkaan tietojenkäsittelyn varmistamiseksi.

Tehokkaammat palvelimet ja reunalaitteet ovat ratkaisevan tärkeitä 5G-sovelluksiin liittyvien autonomisten teknologioiden, tekoälyn ja esineiden internetin (IoT) lupauksien täyttämiseksi. Näiden järjestelmien suorituskyvyn ja luotettavuuden takaava suunnittelu vaatii useita lämmönhallintakonsepteja, mutta kuumaa ja kylmää ilmaa vaihtavat laitetuulettimet ovat useimmissa sovelluksissa ratkaisevan tärkeitä. Siksi järjestelmäsuunnittelijoiden on tärkeää käyttää kompakteja laitetuulettimia, jotka tarjoavat parhaat jäähdytysominaisuudet sekä mahdollisimman pienen melun ja tilantarpeen.

Elektroniikkajärjestelmien suunnitteluun liittyvien ongelmien ratkaisu

Elektroniikkajärjestelmien suunnittelussa on painittu vuodesta 1965 lähtien jäähdytysvaatimusten parissa integroitujen piirien ilmiömäisesti kasvavan tiheyden vuoksi, kuten Intelin tuleva perustaja Gordon Moore ennusti.¹ Elektroniikkajärjestelmien suunnittelijat ovat kamppailleet siitä lähtien jäähdytysvaatimusten kanssa integroitujen piirien kasvavan tiheyden vuoksi. Kun järjestelmät ylikuumenevat, komponentit voivat sammua tai, mikä vielä pahempaa, vaurioitua.

Elektroniikkajärjestelmissä kulutettu sähkö muuttuu lämmöksi, joka täytyy poistaa ylikuumenemisen estämiseksi. Yhdysvalloissa jopa 40 prosenttia datakeskusten energiankäytöstä kuluu jäähdytykseen. Muussa käytössä kuten reunalaskennassa ja monissa IoT-laitteissa tarvitaan yleensä edistynyttä lämmönpoistoa sekä äärimmäistä miniatyrisointia ja luotettavuutta. Tälle elektroniikkajärjestelmien laajalle kirjoille suunnatut jäähdytysratkaisut ovat usein riippuvaisia energiaa säästävistä, hiljaisista ja kompakteista laitetuulettimista, jotka on helppo asentaa ja joita on helppo huoltaa.

Kun järjestelmäsuunnittelijat etsivät ratkaisuja jäähdytykseen, he kohtaavat jatkuvasti haasteita, joita yhä korkeampi teho, tiukemmat energiatehokkuustavoitteet ja yhä pienempien komponenttien tarve aiheuttavat. Tehokkaamman laitetuulettimen käyttäminen tai ylimääräisten laitetuulettimen lisääminen on epärealistista virrankulutuksen sekä tila- ja melurajoitusten vuoksi.

Suunnittelijat voivat valita laitetuulettimien suhteen kolmen perusvaihtoehdon kesken, ja he voivat määrittää numeerisen virtausdynamiikan periaatteiden (CFD) avulla, mikä lähestymistapa tarjoaa heidän sovelluksiinsa optimaalisen paineen ja ilmavirran välisen tasapainon (kuva 1):

• Aksiaalilaitetuulettimet liikuttavat ilmaa laitetuulettimen pyörivän moottoriakselin suuntaisesti kuten potkuri. Nämä ovat yleensä optimaalisia matalapaineisiin, suurivirtaisiin sovelluksiin, joissa kuuma ilma korvataan jäähdytysilmalla. Niiden etuina ovat matala asennussyvyys, hiljainen toiminta ja hyvä hyötysuhde, minkä takia ne sopivat erinomaisesti palvelimiin ja tallennuslaitteisiin, joissa jokaisella senttimetrillä on merkitystä. Lapojen korkeampi virtauskulma voi generoida suuremman paineen, mutta tämä voi johtaa turbulenssin ja melun lisääntymiseen sekä energiatehokkuuden heikkenemiseen.
• Keskipakolaitetuulettimet eli radiaalilaitetuulettimet ohjaavat ilmaa 90 asteen kulmassa akseliin nähden, ja ne voivat luoda korkeamman paineen pienemmällä virtausnopeudella kuin aksiaalilaitetuulettimet. Tämän vuoksi ne ovat optimaalisia ilman ohjaamiseen kanavajärjestelmän läpi. Sellaista tarvitaan esimerkiksi datakeskusten jäähdytyksessä, tai pienemmissä sovelluksissa kuten kannettavissa tietokoneissa, joissa kierron tehtävänä on siirtää lämpöä kohtisuoraan ilmanottovirtaukseen nähden. Kompromissina ovat aksiaalilaitetuulettimia korkeammat tehovaatimukset.
• Diagonaalilaitetuulettimet imevät ilmaa aksiaalilaitetuulettimen tapaan, mutta työntävät ilmavirran akselin suuntaisesti. Tämä mahdollistaa keskipakolaitetuulettimien kaltaiset puristusasteet ja siten korkeamman staattisen paineen vähemmällä turbulenssilla ja paremmalla hyötysuhteella.

Kuva 1: Kolmen laitetuuletinmallin optimaaliset toiminta-alueet. (Kaavion lähde: ebm-papst)

Seuraavan sukupolven aksiaalilaitetuulettimet

Kompakteja aksiaalilaitetuulettimia käytetään paljon elektroniikan jäähdytyssovelluksissa, koska ne on helppo integroida ja koska ne tuottavat optimaalisen ilmavirran. Integroidut kotelot toimivat imusuppilona ilman sisäänottoa varten ja tarjoavat samalla homogeenisen ulosvirtauksen ilman melua lisäävien pyörteiden syntymistä.

Perinteiset aksiaalilaitetuulettimet haastetaan kuitenkin usein äärirajoille haluttaessa yhä korkeampaa jäähdytystehoa ja kompaktimpaa ratkaisua. Suunnittelijat, jotka haluavat lisätä jäähdytyskapasiteettia perinteisillä aksiaalilaitetuulettimilla, luottavat usein kaksivaiheisiin aksiaalisiin kompaktilaitetuulettimiin. Niissä on vastakkaisiin suuntiin pyörivät roottorit, jotka tuottavat koko kotelon jäähdytykseen tarvittavan tasaisen korkean paineen. Tämä lisää kuitenkin energiankulutusta ja käytönaikaista melua.

Johtava laitetuuletin- ja moottori-innovaattori ebm-papst on kehittänyt DiaForce-nimisen kompaktin diagonaalilaitetuulettimen, joka ylittää nämä esteet ja jolla pyritään täyttämään elektroniikan jäähdytykseen liittyvät haastavat vaatimukset myös tulevaisuudessa. Ilma virtaa DiaForce-laitetuulettimien läpi sekä aksiaali- että radiaalisuunnassa mahdollistaen kompaktin aksiaalilaitetuuletinyksikön, joka tuottaa vastakkaiseen suuntaan pyörivän laitetuulettimen suorituskyvyn vähemmällä melulla ja huomattavasti pienemmällä tehontarpeella.

DiaForce-laitetuulettimissa ulkoinen, uusinta tekniikkaa edustava roottorimoottori on integroitu suoraan aksiaalipyörään. Ne voivat tuottaa aksiaalilaitetuulettimen voimakkaan ilmavirran keskipakolaitetuulettimen korkeammalla vastapaineella (kuva 2). Potkurin ja kotelon ainutlaatuinen geometria minimoi turbulenssin reuna-alueella melun vähentämiseksi. Se hyödyntää potkurin ulostuloaukkoa, joka on imuaukkoa suurempi, ilmavirtauksen luontiin sekä aksiaali- että radiaalisuunnassa.

Kuva 2: Yksivaiheisen kompaktin aksiaalilaitetuulettimen (a), kaksivaiheisen kompaktin aksiaalilaitetuulettimen (b) ja uuden kompaktin DiaForce-diagonaalilaitetuulettimen (c) suora vertailu. (Kuvan lähde: ebm-papst)

ebm-papst kehitti kompaktin DiaForce-diagonaalilaitetuulettimen korkean käytettävyystason vaatimuksiin, jotka ovat tyypillisiä sellaisissa sovelluksissa kuten datakeskusten palvelimissa, 5G-standardin mukaisessa kommunikaatiossa, autonomisissa ajoneuvoissa ja pilvipalveluissa.

DiaForce-laitetuulettimien geometria minimoi turbulenssin ja mahdollistaa tavallisia aksiaalilaitetuulettimia korkeamman paineen nousun. ebm-papstin mukaan DiaForce on kuusi dB(A) perinteistä kompaktia aksiaalilaitetuuletinta hiljaisempi – jopa 50 % suuremmalla ilmateholla² – samoilla mitoilla kuin perinteinen aksiaalilaitetuuletin. Se täyttää DIN ISO 1940 -standardin vaatimukset dynaamisesta tasapainotuksesta kahdessa tasossa.

Toisin kuin tavanomaisissa yksivaiheisissa laitetuulettimissa, DiaForce-laitetuulettimien käyntinopeutta voidaan nostaa epäsuotuisien olosuhteiden, kuten ulkoisen ympäristön lämpötilan nousun, vuoksi. DiaForce-laitetuulettimien elektronisesti kommutoitujen (EC) korkean hyötysuhteen moottoreiden hyötysuhde on jopa 90 % verrattuna AC-moottoreiden hyötysuhteeseen 20–70 %. EC-moottorit mahdollistavat portaattomasti säädettävän nopeuden ja ne voivat tarjota AC- tai DC-moottoreiden tehotason pienemmässä koossa.

DiaForce120 Standard (osanumero 8315100198) tarjoaa tehokkaan jäähdytyksen minimaalisella energiankulutuksella ja melutasolla. Se on saatavana koossa: leveys 119 mm, korkeus 119 mm ja syvyys 86 mm. Laite painaa 980 grammaa. Sen maksimi vapaa ilmavirta on määritellyissä vakiotestiolosuhteissa 680 m³/h ja maksimi staattinen paine 3120 Pa. Tämä laite voi ebm-papstin mukaan vähentää melua toimintapisteestä riippuen 6–12 dB(A).

DiaForce-laitetuulettimia ohjaavat kolmijohtoinen energiatehokas DC-moottori, jonka teho on 500 W, sekä tehokas, älykkäästi moottoria säätävä mikrokontrolleri, joka mahdollistaa korkeimman mahdollisen vääntömomentin kaikilla kuormitusalueilla.

Lisävarusteena saatava integroitu FanCheck-diagnostiikkatyökalu laskee jatkuvasti jäljellä olevan realistisen käyttöiän todellisen kulumisen sekä lämpötilan, nopeuden ja esiasetettujen ympäristöparametrien perusteella. FanCheck-toiminnon ansiosta valmistajat ja asiakkaat voivat luopua yleisestä käytännöstä, jonka mukaan laitetuulettimet vaihdetaan ennen niiden määritellyn käyttöiän saavuttamista. Tämä vähentää kustannuksia ja helpottaa vaihtojen ajoittamista kaikkein sopivimpiin ajankohtiin.

Muihin saatavilla oleviin DiaForce-laitetuuletinvaihtoehtoihin kuuluvat:

• Go/No Go -hälytys
• hälytys nopeusrajoituksella
• ulkoinen lämpötila-anturi
• sisäinen lämpötila-anturi
• analoginen ohjaustulo
• kosteussuojaus.

Yhteenveto

Koska hallitukset, yritykset ja kuluttajat vaativat entistä energiatehokkaampaa tietokone- ja verkkoteknologiaa, elektroniikkajärjestelmien suunnittelijat joutuvat jatkuvasti parantamaan suorituskykyä ja energiatehokkuutta. Nykyaikaiset laitetuulettimet, jotka on varustettu kunnonvalvontaominaisuuksilla ja jotka on luotu tulevaisuuden tarpeita silmällä pitäen, ovat elintärkeitä näihin haasteiden ratkaisemiseksi. ebm-papstin kompakti DiaForce-diagonaalilaitetuuletin voi auttaa suunnittelijoita voittamaan esteitä korkeamman jäähdytystehon saavuttamisessa ratkaisuissa, jotka ovat yhä kompaktimpia.

Resurssit:

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/