Høyytelseskjøling: Hvordan kompakte diagonalvifter endrer spillereglene

I alt fra skyservere til mobile enheter gir kraftig elektronikk enorme fordeler for bedrifter, forbrukere og myndigheter. Likevel har de utfordringer med hvordan de kan avkjøle vitale komponenter mest effektivt for å gi hastighet, pålitelighet og data-knusende ytelse.

Kraftigere servere og edge-enheter (inngangspunktenheter) er avgjørende for å oppfylle løftene om autonome teknologier, kunstig intelligens og IoT-løsninger (Internet of Things) relatert til 5G. Å designe disse systemene for å sikre ytelse og pålitelighet krever flere termiske styringsmetoder, men viftene som utveksler varm og kald luft er avgjørende for de fleste utrustninger. Derfor er det svært viktig for systemdesignere å planlegge kompakte vifter som har den beste kjøleevnen med minimalt med støy og fotavtrykk.

Få bukt med kompromisser innen konstruksjon av elektroniske systemer

Siden 1965 har konstruksjon av elektroniske systemer måttet takle kravene til kjøling fra den raskt økende tettheten av integrerte kretser, akkurat som den nært forestående medgründeren av Intel, Gordon Moore, spådde.¹ Siden den gang har designere av elektroniske systemer slitt med kravene til kjøling fra den økende tettheten av IC-baserte systemer. Når systemene blir overopphetet, kan komponenter slå seg av, eller enda verre, bli skadet.

Elektrisiteten som driver elektroniske systemer omdannes til varme som må fjernes for å hindre overoppheting. I USA brukes opptil 40 % av datasenterets energiforbruk til kjøling; alt fra datasentre, edge computing (inngangspunkt-enhetet) og mange forskjellige IoT-enheter er generelt avhengige av avansert varmespredning sammen med ekstreme krav til miniatyrisering og pålitelighet. Kjøleløsninger for dette brede spekteret av elektroniske systemer er ofte avhengig av energibesparende, støysvake og kompakte vifter som er enkle å installere og vedlikeholde.

Systemdesignere som ønsker å sørge for tilstrekkelig kjøling, står kontinuerlig overfor krav om stadig økende kraftgjennomstrømning, strengere energieffektivitetsmål og behovet for å ta i bruk stadig mindre komponenter. Å bare planlegge å bruke en kraftigere vifte eller plugge inn ekstra vifter er urealistisk på grunn av strømforbruk, plassbegrensninger og støykrav.

Designere har tre grunnleggende alternativer innen vifter og kan bruke CFD-prinsipper (Computational Fluid Dynamics) for å bestemme hvilken tilnærming som kan gi den optimale balansen mellom trykk og luftstrøm for å møte behovene i de relevante utrustningene (Figur 1):

• Aksiale vifter flytter luft parallelt med aksen til viftens roterende motoraksel som en propell. Disse er generelt optimale for å erstatte varmluft med kjøleluft for utrustninger med lavt trykk og høy gjennomstrømning. De er verdsatt for sin grunne installasjonsdybde, lave støygenerering og høye virkningsgrad, noe som gjør dem ideelle til servere og lagringsenheter hvor hver centimeter med plass teller. Større strømningsvinkler på bladene kan generere mer trykk, men det kan resultere i økt turbulens og støy samt redusert energibesparelse.
• Sentrifugale – eller radielle – vifter avleder luft i en 90˚ vinkel til akselen og kan skape mer trykk med lavere gjennomstrømningshastigheter enn aksialvifter. Det gjør dem optimale for å lede luft gjennom kanaler for ventilasjon som for eksempel datasenterkjøling, eller for mindre utrustninger som i bærbare datamaskiner, hvor sirkulasjonen tar sikte på å flytte varmen vinkelrett på luftinntaksstrømmen. Avveiningen er strømkrav som overstiger det som trengs for aksialvifter.
• Diagonale vifter trekker inn luft som en aksialvifte, men støter ut luftstrømmen diagonalt til akselen. Dette tillater kompresjonsnivåer tilsvarende sentrifugalvifter, noe som muliggjør høyere statisk trykk med mindre turbulens og større virkningsgrad.

Figur 1: Optimale driftsområder for de tre viftekonstruksjonene. (Grafisk kilde: ebm-papst)

Nestegenerasjons aksialvifter

Aksiale kompakte vifter dominerer utrustninger med kjøling av elektronikk fordi de er enkle å integrere og leverer optimale luftstrømshastigheter. Integrerte hus fungerer som en sugetrakt for luftinntak samtidig som de gir en homogen utløpsstrøm uten å skape virvler som kan øke støyen.

Tradisjonelle aksialvifter blir imidlertid ofte presset til det ytterste av behovet for stadig økende kjølekapasitet og mer kompakt konstruksjon. Designere som ønsker å øke kjølekapasiteten med tradisjonelle aksialvifter, er ofte avhengige av kompakte totrinns aksialvifter med motroterende rotorer for å gi det høye trykket som trengs for jevn kjøling i hele kabinettet. Dette øker imidlertid energiforbruket og driftsstøyen.

Den ledende innovatøren av vifter og motorer ebm-papst utviklet en diagonal kompakt vifte, DiaForce, som overvinner disse hindringene og er rettet mot å oppfylle de krevende fremtidige kravene til kjøling av elektronikk. Luft strømmer gjennom DiaForce-viften i både aksial og radiell retning, noe som gir en kompakt aksialvifteenhet som leverer ytelsen til en motroterende vifte med mindre støy og betydelig lavere kraftbehov.

DiaForce-vifter består av en ekstern, toppmoderne rotormotor direkte på det aksiale kompressorhjulet og kan levere like kraftig luftstrømmen som en aksialvifte sammen med den økte mottrykkskapasiteten til en sentrifugalvifte (Figur 2). Den unike geometrien til kompressorhjulet og huset minimerer turbulens i edge-området (inngangspunkt-området) for å redusere støy, og den benytter en utløpsåpning for kompressorhjulet som er større enn inntaksåpningen for å skape luftstrøm i både aksial og radiell retning.

Figur 2: En direkte sammenligning mellom en kompakt ett-trinns aksialvifte (a), en totrinns kompakt aksialvifte (b) og den nye kompakte DiaForce diagonalviften (c). (Fotokilde: ebm-papst)

ebm-papst utviklet DiaForce-kompakt diagonalvifte for de høye kravene om tilgjengelighet som kjennetegner utrustninger som datasenterservere, 5G-standardkommunikasjon, selvkjørende kjøretøy og skytjenester.

Geometrien i DiaForce-viftene minimerer turbulens og muliggjør en trykkøkning som er større enn standard aksialvifter. I følge ebm-papst er DiaForce seks dB(A) stillere enn en konvensjonell kompakt aksialvifte – med opptil 50 % mer luftytelse² — innenfor samme dimensjoner som en konvensjonell aksialvifte. Den oppfyller spesifikasjonene i DIN ISO 1940 for dynamisk balansering i to plan.

I motsetning til konvensjonelle ett-trinns vifter, kan hastigheten som DiaForce vifter kjører med, økes for å håndtere ugunstige forhold som for eksempel økning i temperaturen i det ytre miljøet. Høyeffektive, elektronisk kommuterte (EC) motorer som driver DiaForce-viftene, har en virkningsgrad på opptil 90 %, sammenlignet med 20 % til 70 % effektivitetsnivå med AC-motorer. EC-motorer tillater uendelig variable hastigheter og kan gi utgangsnivåene til AC- eller DC-motorer i en mindre formfaktor.

DiaForce120 Standard (delenummer 8315100198) leverer kraftig kjøling med minimalt energiforbruk og støy. Den er tilgjengelig i en formfaktor på 119 mm bredde, 119 mm høyde, 86 mm dybde og en vekt på 980 gram. Under spesifiserte standard testforhold leverer den maksimal friluftstrøm på 680 m³/t og maksimalt statisk trykk på 3,120 Pa. Avhengig av driftspunktet, kan den oppnå en støyreduksjon fra 6 dB(A) til 12 dB(A), ifølge ebm-papst.

DiaForce drives av en tretrådet, energieffektiv DC-motor på 500 W og en kraftig mikrostyring for intelligent motorregulering som muliggjør maksimalt dreiemoment i alle belastningsområder.

Et valgfritt integrert diagnoseverktøy kalt FanCheck beregner kontinuerlig den realistiske gjenværende levetiden basert på faktisk slitasje, samt temperatur, hastighet og forhåndsinnstilte miljøparametere. Med FanCheck kan produsenter og kunder eliminere den vanlige praksisen med å bytte ut vifter raskere enn den angitte levetiden, redusere de tilknyttede kostnadene og gjøre det enklere å planlegge utskifting på de mest hensiktsmessige tidspunktene.

Andre valgfrie alternativer til DiaForce-vifter er:

• Go/No Go-alarm
• Alarm med hastighetsgrense
• Utvendig temperatursensor
• Innebygd temperatursensor
• Analog kontrollinngang
• Fuktbeskyttelse

Konklusjon

Ettersom myndigheter, bedrifter og forbrukere krever mer energieffektiv data- og nettverksteknologi, vil designere av elektroniske systemer stadig bli utfordret til å levere høyere ytelse og energibesparelse. Moderne vifter laget med funksjoner for tilstandsovervåkning og som tar hensyn til fremtidige behov, er avgjørende for å møte disse utfordringene. Den kompakte diagonalviften fra DiaForce ebm-papst kan hjelpe designere med å overvinne utfordringene med å oppnå høyere kjølekapasitet i mer kompakte design.

Ressurser:

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/