Raffreddamento ad alte prestazioni: le ventole diagonali compatte stanno cambiando le regole del gioco

Dai server cloud ai dispositivi mobili, i potenti dispositivi elettronici offrono immensi vantaggi alle aziende, ai consumatori e alla pubblica amministrazione. Tuttavia, si pone il problema di come raffreddare i componenti vitali nel modo più efficace possibile per garantire velocità, affidabilità e prestazioni di calcolo.

Server e dispositivi edge più potenti sono fondamentali per realizzare le promesse delle tecnologie autonome, di soluzioni di intelligenza artificiale e per l'Internet delle cose (IoT) legate al 5G. La progettazione di questi sistemi per garantire prestazioni e affidabilità richiede molteplici approcci di gestione termica, ma le ventole che scambiano aria calda e fredda sono fondamentali per la maggior parte delle applicazioni. Per questo motivo è fondamentale che i progettisti di sistemi prevedano ventole compatte che abbiano le massime capacità di raffreddamento con un rumore e un ingombro minimi.

Superare i compromessi nella progettazione di sistemi elettronici

Dal 1965, la progettazione di sistemi elettronici è alle prese con le esigenze di raffreddamento dovute alla fenomenale crescita della densità dei circuiti integrati, notoriamente prevista da Gordon Moore, poi co-fondatore di Intel.¹ Da allora, i progettisti di sistemi elettronici sono alle prese con le esigenze di raffreddamento dovute alla crescente densità dei sistemi basati su CI. Quando i sistemi si surriscaldano, i componenti possono spegnersi o, peggio, danneggiarsi.

L'elettricità che alimenta i sistemi elettronici viene convertita in calore, che deve essere smaltito per evitare il surriscaldamento. Negli Stati Uniti, fino al 40% del consumo energetico dei data center è destinato al raffreddamento; a parte i data center, l'edge computing e un'ampia varietà di dispositivi IoT si basano generalmente sulla dissipazione termica avanzata e su requisiti di miniaturizzazione e affidabilità estremi. Le soluzioni di raffreddamento per questo ampio spettro di sistemi elettronici dipendono spesso da ventole compatte a risparmio energetico e a basso rumore, facili da installare e mantenere.

I progettisti di sistemi che cercano di fornire un raffreddamento adeguato sono continuamente messi alla prova dalla richiesta di un throughput di potenza sempre maggiore, da obiettivi di efficienza energetica sempre più rigorosi e dalla necessità di ospitare componenti sempre più piccoli. Pensare semplicemente di utilizzare una ventola più potente o di inserire ventole aggiuntive non è realistico, a causa del consumo energetico, dei limiti di spazio e dei vincoli legati al rumore.

I progettisti hanno a disposizione tre opzioni di base per le ventole e possono utilizzare i principi della fluidodinamica computazionale (CFD) per determinare quale approccio possa fornire l'equilibrio ottimale tra pressione e flusso d'aria per soddisfare le esigenze di un'applicazione (Figura 1):

• Le ventole assiali spostano l'aria parallelamente all'asse dell'albero motore rotante della ventola stessa, come un'elica, e sono generalmente ideali per applicazioni a bassa pressione e ad alta portata per sostituire l'aria calda con aria di raffreddamento. Sono apprezzate per la ridotta profondità di installazione, la bassa generazione di rumore e l'efficienza, che le rendono ideali per i server e i dispositivi di memorizzazione dove ogni centimetro di spazio è prezioso. Angoli di flusso più ampi rispetto alle pale possono generare una maggiore pressione, ma ciò può portare a un aumento della turbolenza e del rumore, nonché a una riduzione dell'efficienza energetica.
• Le ventole centrifughe o radiali deviano l'aria con un angolo di 90° rispetto all'albero e possono creare maggiore pressione con portate inferiori rispetto alle controparti assiali. Ciò le rende ideali per indirizzare l'aria attraverso i condotti di ventilazione, come nel caso del raffreddamento dei data center o per applicazioni più piccole come i PC portatili, dove la circolazione mira a spostare il calore perpendicolarmente al flusso di entrata dell'aria. Il compromesso è che la potenza richiesta è superiore a quella necessaria per le ventole assiali.
• Le ventole diagonali aspirano l'aria come quelle assiali, ma espellono il flusso d'aria in diagonale rispetto all'albero. Ciò offre livelli di compressione simili a quelli delle ventole centrifughe, consentendo una pressione statica più elevata con una minore turbolenza e una maggiore efficienza.

Figura 1: Intervalli di funzionamento ottimali di tre modelli di ventola. (Grafico per gentile concessione di ebm-papst)

Ventole assiali di prossima generazione

Le ventole assiali compatte dominano le applicazioni di raffreddamento dei componenti elettronici, perché sono facili da integrare e forniscono portate d'aria ottimali. Gli alloggiamenti integrati fungono da imbuto di aspirazione per l'ingresso dell'aria e offrono un flusso di uscita omogeneo senza creare vortici che aumenterebbero il rumore.

Le ventole assiali tradizionali, tuttavia, sono spesso spinte al limite dalla necessità di una capacità di raffreddamento sempre maggiore e di un design più compatto. I progettisti che desiderano di aumentare la capacità di raffreddamento con le ventole assiali tradizionali spesso si affidano a ventole assiali compatte a due stadi con rotori controrotanti per fornire l'alta pressione necessaria per un raffreddamento uniforme in tutto l'involucro. Tuttavia, questo aumenta il consumo energetico e il rumore di funzionamento.

ebm-papst, leader nel settore delle ventole e dei motori, ha sviluppato un ventola diagonale compatta, DiaForce, che supera questi ostacoli e mira a soddisfare i requisiti futuri di raffreddamento dei componenti elettronici. L'aria fluisce nelle ventole DiaForce sia in direzione assiale che radiale, risultando in un'unità di ventilazione assiale compatta che offre le prestazioni di un ventola controrotante con un rumore minore e una richiesta di potenza significativamente inferiore.

Le ventole DiaForce integrano un motore esterno a rotore allo stato dell'arte con la girante assiale e possono fornire il potente flusso d'aria di un ventola assiale con le maggiori capacità di contropressione di una ventola centrifuga (Figura 2). La geometria unica della girante e dell'alloggiamento riduce al minimo la turbolenza ai bordi per ridurre il rumore e l'apertura di uscita della girante è più grande dell'apertura di ingresso per creare un flusso d'aria sia in direzione assiale che radiale.

Figura 2: Confronto diretto tra una ventola assiale compatta monostadio (a), una ventola assiale compatta bistadio (b) e la nuova ventola diagonale compatta DiaForce (c). (Foto per gentile concessione di ebm-papst)

ebm-papst ha sviluppato la ventola diagonale compatta DiaForce per i requisiti di alta disponibilità che caratterizzano applicazioni come i server per data center, le comunicazioni standard 5G, i veicoli autonomi e i servizi cloud.

La geometria delle ventole DiaForce riduce al minimo la turbolenza e assicura un aumento della pressione maggiore rispetto alle ventole assiali standard. Secondo ebm-papst, DiaForce è più silenziosa di 6 dB(A) rispetto a una ventola assiale compatta convenzionale, con prestazioni di aerazione fino al 50% in più², a parità di dimensioni di un ventola assiale convenzionale. È conforme alle specifiche DIN ISO 1940 per il bilanciamento dinamico su due piani.

A differenza delle ventole monostadio convenzionali, la velocità operativa delle ventole DiaForce può essere aumentata per far fronte a condizioni avverse, come un aumento della temperatura ambiente esterna. I motori a commutazione elettronica (EC) ad alta efficienza che azionano le ventole DiaForce funzionano con un livello di efficienza fino al 90%, rispetto al livello di efficienza del 20%-70% dei motori c.a. I motori EC offrono velocità infinitamente variabili e possono fornire i livelli di uscita dei motori c.a. o c.c. in un fattore di forma più piccolo.

Il modello DiaForce120 Standard (codice componente 8315100198) offre un raffreddamento potente con un consumo energetico e un rumore minimi. È disponibile in un fattore di forma di 119 mm di larghezza, 119 mm di altezza, 86 mm di profondità e un peso di 980 grammi. In condizioni di test standard specificate, fornisce un flusso d'aria libero massimo di 680 m³/h e una pressione statica massima di 3.120 Pa. In funzione del punto di funzionamento, può portare a una riduzione del rumore da 6 dB(A) a 12 dB(A), secondo ebm-papst.

La ventola DiaForce è dotata di un motore c.c. a tre fili e ad alta efficienza energetica da 500 W e di un potente microcontroller per la regolazione intelligente che produce il massimo momento torcente possibile in tutti gli intervalli di carico.

Lo strumento diagnostico integrato FanCheck, opzionale, calcola continuamente la durata in servizio residua in base all'usura effettiva, alla temperatura, alla velocità e ai parametri ambientali preimpostati. Con FanCheck, i produttori e i clienti possono eliminare la pratica comune di sostituire le ventole prima del fine vita specificato, riducendo i costi associati e facilitando i programmi di sostituzione nei momenti più opportuni.

Altre opzioni di ventole DiaForce disponibili sono:

• Allarme Go/No Go
• Allarme con limite di velocità
• Sensore di temperatura esterno
• Sensore di temperatura interno
• Ingresso di controllo analogico
• Protezione dall'umidità

Conclusione

Poiché i governi, le aziende e i consumatori richiedono tecnologie informatiche e di rete più efficienti dal punto di vista energetico, i progettisti di sistemi elettronici saranno costantemente chiamati a fornire maggiori prestazioni ed efficienza energetica. Le ventole moderne, create con funzionalità di monitoraggio delle condizioni e con un occhio alle esigenze future, sono fondamentali per affrontare queste sfide. La ventola diagonale compatta DiaForce di ebm-papst può aiutare i progettisti a superare gli ostacoli alla maggiore capacità di raffreddamento in progetti più compatti.

Risorse:

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/