omniCOOL: Presentazione di un approccio esclusivo alla progettazione di ventole

L'ascesa dei servizi di dati IoT e cloud ha portato i data center, che alloggiano potenti server e dispositivi di storage, all'avanguardia nel settore dell'elettronica. È anche noto che questi data center generano enormi quantità di calore, che deve essere rimosso dalle apparecchiature critiche, e per questo di solito si parte da una ventola.

Lo stesso vale per altre applicazioni dalle quali dipendiamo. Prodotti come computer domestici, elettrodomestici e macchinari industriali funzioneranno in modo affidabile solo se verranno tenuti entro un determinato intervallo di temperatura. In altre parole, le ventole svolgono un ruolo incredibilmente importante nella vita moderna.

Il compromesso tra bronzine e cuscinetti a sfere

Nel cuore di ogni ventola c'è il cuscinetto. Questo componente consente al rotore della ventola di ruotare ed è fondamentale per determinarne la vita operativa. È quindi cruciale che progettisti e ingegneri scelgano il cuscinetto più adatto per le ventole di raffreddamento della propria applicazione.

Tradizionalmente, la scelta era tra una ventola con bronzine e una con cuscinetti a sfere. Entrambe hanno i loro punti di forza, ma la preferenza di una rispetto all'altra si tradurrà in un certo compromesso. Ecco perché Same Sky ha adottato un nuovo approccio alla progettazione dei cuscinetti che colma il divario tra cuscinetti a sfere e bronzine.

Tuttavia, prima di esaminare come funziona questa nuova ventola, dobbiamo valutare i pro e i contro dei tipi più tradizionali di cuscinetti a sfere e bronzine.

Uno sguardo alle bronzine

L'albero delle ventole che ruota all'interno delle bronzine ruota in un cilindro "a forma di manicotto" rivestito con uno strato di olio che agevola lo scorrimento. Il ruolo del manicotto è quello di mantenere il rotore nella giusta posizione, assicurandosi che sia sempre alla distanza corretta dallo statore del motore (Figura 1). Le bronzine sono il tipo più economico tra i due disegni tradizionali e saranno più idonee in applicazioni soggette a urti e vibrazioni. Tuttavia, il loro disegno presenta diversi inconvenienti.

Figura 1: Schema di una tipica ventola a bronzine (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Per ridurre al minimo l'oscillazione del rotore, il manicotto deve adattarsi perfettamente all'albero, ma maggiore è l'area di contatto maggiore sarà l'attrito da vincere e il tempo necessario per avviare la ventola. Ciò significa che serve più energia, sia per avviare la ventola che per mantenerla in rotazione.

Un altro problema del disegno del manicotto è dato dal fatto che il peso del rotore è supportato unicamente dall'albero nel manicotto. Di conseguenza, mentre ruota, consuma gradualmente l'interno del supporto, deformando la forma del foro. Se la ventola viene utilizzata sempre con lo stesso orientamento, il manicotto inizierà a ovalizzarsi, il che potrebbe rendere la ventola più rumorosa e farla oscillare.

Questo problema di usura dei cuscinetti radenti può essere peggiore se si richiede alla ventola di operare a diverse angolazioni, come nel caso delle apparecchiature portatili. Con la forza di gravità che tira la massa del rotore in direzioni diverse, a seconda dell'angolo di utilizzo, il manicotto si usura in modo non uniforme, il che può esacerbare i problemi di oscillazione e rumore.

Alla fine, questa usura riduce la durata del cuscinetto e, a seconda del progetto, probabilmente l'intera unità ventola o anche il prodotto che sta raffreddando.

Inoltre, il lubrificante menzionato in precedenza che è necessario per permettere una fluida rotazione viene tipicamente rifornito tramite un anello d'olio e una rondella in mylar ad entrambe le estremità del foro della bronzina. Questi componenti hanno lo scopo di combattere l'attrito, ma di fatto la loro presenza lo aumenta. Inoltre, il loro posizionamento rende più difficile la fuoriuscita dei gas generati dall'attrito rotazionale. Se questi gas non riescono a disperdersi, si trasformano in particelle solide di nitruro che intasano il cuscinetto, ostacolando la rotazione e riducendone la durata.

I principi di base dei cuscinetti a sfere

Le ventole con cuscinetti a sfere (Figura 2) hanno generalmente due corone di piccole sfere di acciaio attorno all'albero, una più vicino al rotore rispetto all'altra. Un anello di molle li tiene distanziati. Questa configurazione aiuta ad affrontare i problemi di inclinazione del rotore e di usura irregolare causati dalle bronzine. La ragione è dovuta al fatto che il peso del rotore poggia sul cuscinetto a sfere più vicino al rotore stesso, ma le molle aiutano a compensare eventuali inclinazioni che potrebbero verificarsi a causa della gravità esercitata sul rotore. Ciò significa che una ventola con cuscinetti a sfere può essere utilizzata con qualsiasi angolazione, rendendo questo disegno una scelta preferibile per i dispositivi portatili. L'usura ridotta del cuscinetto significa anche che il tempo medio tra i guasti (MTBF) sarà in genere molto più elevato con un progetto basato su cuscinetti a sfere piuttosto che con una variante a bronzine.

Figura 2: Schema di una tipica ventola con cuscinetti a sfere (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Anche se i cuscinetti a sfere riducono la quantità di attrito da superare per avviare e azionare il motore della ventola, sono più costosi, più rumorosi, più complessi e meno resistenti agli urti delle bronzine.

Sistema omniCOOL™: colmare il divario

Per ridurre al minimo la necessità per i progettisti di scendere a compromessi quando specificano una ventola, il sistema omniCOOL™ di Same Sky (Figura 3) cerca di colmare il divario costo-prestazioni incorporando due elementi chiave nel progetto della ventola: una struttura magnetica di bilanciamento del rotore e bronzine migliorate.

Figura 3: Schema del sistema omniCOOL di Same Sky (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Grazie alla struttura magnetica, il rotore diventa di fatto una trottola che non cade mai e in grado di funzionare a qualsiasi angolazione. Questo perché la struttura magnetica del sistema è posta di fronte al rotore e lo attrae in modo uniforme, indipendentemente dall'angolo di funzionamento della ventola.

Un cappuccio di supporto sulla punta dell'albero lo mantiene in posizione, formando il punto attorno al quale ruota il rotore, proprio come la punta di una trottola.

Questo approccio che utilizza la struttura magnetica fa sì che il peso del rotore non sia sopportato dalle bronzine ma da forze magnetiche che sospendono il rotore in aria. Ciò riduce l'attrito tra l'interno del cuscinetto e l'albero. Riduce anche i problemi di inclinazione e oscillazione riscontrati con le bronzine tradizionali.

Sebbene la struttura magnetica riduca significativamente la quantità di contatto tra l'interno del cuscinetto e l'albero rotante, il sistema omniCOOL include anche un manicotto temprato in modo particolare per fornire una maggiore resistenza contro qualsiasi abrasione che potrebbe ancora verificarsi. Il design rinforzato del manicotto offre anche una resistenza al calore fino a 90 °C, che è più di quanto la maggior parte delle bronzine possa tollerare. I test dimostrano che questo cuscinetto rinforzato e migliorato ha una durata operativa prevista molto maggiore rispetto a una bronzina tradizionale: 3,2 volte più lunga a 70 ° C e fino a 5,5 volte in più a 20 °C (Figura 4).

Figura 4: Confronto tra l'aspettativa di vita di una bronzina tradizionale e del sistema omniCOOL (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

L'altra differenza chiave tra il cuscinetto migliorato del sistema omniCOOL e una bronzina standard è l'assenza degli anelli d'olio e delle rondelle in mylar. Dato che le forze magnetiche riducono l'abrasione, il lubrificante non serve più, quindi questi componenti possono essere rimossi. Questo riduce l'attrito, che a sua volta riduce il rumore e la quantità di energia richiesta per avviare e far girare il motore. Significa anche che i gas generati dall'attrito rotazionale possono fuoriuscire, invece di solidificarsi e bloccare il cuscinetto.

Una nuova alternativa ai disegni tradizionali delle ventole

La combinazione delle tecnologie inserite nel sistema omniCOOL colma il divario tra cuscinetti a sfere e bronzine, assicurando una ventola silenziosa, robusta e duratura, adatta per l'uso a qualsiasi angolazione e più economica rispetto ai disegni con cuscinetti a sfere.  Per gli ingegneri, fornisce una nuova alternativa per raffreddare le apparecchiature elettroniche senza i tradizionali compromessi.

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