Осевой вентилятор против центробежного вентилятора: полное руководство по выбору системы охлаждения электроники

осевой вентилятор против центробежного вентилятора:

Осевой вентилятор перемещает большие объемы воздуха вдоль своей оси вращения при низком статическом давлении и является правильным выбором для открытых и беспрепятственных путей охлаждения. Центробежный вентилятор, также называемый нагнетательным вентилятором, перенаправляет воздух под углом 90 градусов и создает высокое статическое давление, что делает его правильным выбором, когда воздушный поток должен проходить через плотные компоненты, узкие воздуховоды или плотно закрытые корпуса. Для принятия решений по охлаждению электроники и управлению температурным режимом единственное наиболее полезное правило заключается в следующем: если ваша система имеет низкий импеданс системы и требует максимальной скорости воздушного потока в CFM (кубических футах в минуту), используйте осевой вентилятор; Если ваша система имеет высокий импеданс системы из-за фильтров, радиаторов или ограниченных каналов, используйте центробежный вентилятор или нагнетательный вентилятор. Все остальное в выборе фанатов является усовершенствованием этого основного принципа.

Осевой вентилятор: как он работает и направление воздушного потока осевых вентиляторов

Ан Осевой вентилятор работает путем вращения набора наклонных лопастей вокруг центральной втулки. Когда лопасти вращаются, они действуют на воздух так же, как пропеллер действует на воздух или воду, выталкивая жидкость в направлении направления вала. Это определяет направление воздушного потока осевых вентиляторов: воздух входит в лицевую поверхность вентилятора в осевом направлении, то есть прямо на вращающиеся лопасти, и выходит в том же осевом направлении с другой стороны. Направление потока не меняется, поэтому установки осевых вентиляторов легко интегрировать и почему они доминируют везде, где есть прямой путь воздушного потока.

Геометрия лопастей осевого вентилятора является основным фактором, определяющим его производительность. Больший угол наклона лопастей перемещает больше воздуха за оборот, но также увеличивает нагрузку на двигатель и турбулентность за лопастями, что повышает шум. В большинстве коммерческих осевых вентиляторов для охлаждения электроники используется шаг лопастей, оптимизированный для наилучшего баланса скорости воздушного потока в футах в минуту (кубических футов в минуту) и акустической мощности при заданной скорости вращения, поэтому в технических характеристиках всегда показаны показатели воздушного потока и шума вместе, а не каждый из них по отдельности.

В чем преимущество использования осевого вентилятора? Основными преимуществами являются высокая скорость воздушного потока относительно физического размера корпуса вентилятора, тонкий осевой профиль, который помещается между панелями, и значительно более низкая стоимость, чем у сопоставимого центробежного вентилятора того же диаметра. Осевой вентилятор диаметром 120 мм, работающий со скоростью 2000 об/мин, обычно обеспечивает производительность от 60 до 110 кубических футов в минуту (кубических футов в минуту), потребляя всего от 3 до 7 Вт, что делает его чрезвычайно энергоэффективным для объема перемещаемого воздуха. Вторым важным преимуществом является то, что несколько осевых вентиляторов можно соединить последовательно или параллельно на панели для масштабирования воздушного потока или давления без необходимости использования более крупного и дорогого узла центробежного вентилятора.

• Высокая скорость воздушного потока в CFM (кубических футах в минуту) на единицу размера корпуса и потребляемой мощности
• Тонкий осевой профиль позволяет устанавливать непосредственно на плоские панели или между плотно расположенными досками.
• Более низкая акустическая мощность, чем у центробежного вентилятора, обеспечивающего тот же объем воздуха в открытой системе.
• Снижение себестоимости и более широкая доступность стандартных размеров рам от 25 до 250 мм.
• Простая интеграция в существующие вырезы в плоских панелях без спиральных корпусов или адаптеров направленного выпуска.

Ограничением осевого вентилятора является именно его способность к низкому статическому давлению. По мере увеличения импеданса системы, то есть по мере того, как путь воздушного потока становится более затрудненным, производительность осевого вентилятора в CFM (кубических футах в минуту) резко падает. Это видно на любой кривой осевого вентилятора: кривая резко снижается по мере увеличения противодавления, и вентилятор достигает давления остановки при относительно низком значении по сравнению с центробежным вентилятором того же диаметра.

Центробежный вентилятор и нагнетательный вентилятор: как работает центробежный вентилятор

Как работает центробежный вентилятор? А Центробежный вентилятор , также продаваемый как вентилятор во многих линейках продуктов для электроники, втягивает воздух в осевом направлении через входное отверстие в центре крыльчатки, а затем ускоряет этот воздух радиально наружу, используя центробежную силу при вращении крыльчатки. Воздух подается к внешнему краю спирального или спирального корпуса, где кинетическая энергия преобразуется в давление, а затем воздух выходит через одно выпускное отверстие, ориентированное под углом 90 градусов к входному отверстию. Это фундаментальное изменение направления потока дает центробежному вентилятору его решающее преимущество: он может создавать гораздо более высокое статическое давление, чем осевой вентилятор того же диаметра, поскольку спиральный корпус улавливает радиальную скорость воздуха и преобразует ее в полезный напор.

Центробежные вентиляторы мощнее? Что касается создания давления, то да. Центробежные нагнетатели высокого статического давления могут создавать в 5–10 раз большее статическое давление, чем осевой вентилятор аналогичного размера. , поэтому их применяют всякий раз, когда поток воздуха должен проходить через сердцевину теплообменника, плотный фильтр, плотно упакованный массив печатных плат или длинный узкий воздуховод, где импеданс системы высок. Компромисс заключается в том, что центробежный вентилятор физически выше, чем осевой вентилятор того же диаметра входного отверстия, потребляет больше мощности при эквивалентном потоке воздуха, преодолевающем сопротивление, и обычно создает более тональный профиль шума из-за взаимодействия лопастей, проходящих фиксированную точку отсечки нагнетания в спиральном корпусе.

Формы лопастей крыльчатки центробежных вентиляторов значительно различаются, и каждая форма обеспечивает различный баланс давления, расхода и эффективности. Загнутые назад лопасти являются наиболее эффективной формой и являются стандартными для высокопроизводительных вентиляторов охлаждения электроники, поскольку они не перегружаются, а это означает, что энергопотребление двигателя не резко возрастает, если сопротивление системы неожиданно падает. Загнутые вперед лопасти перемещают больше воздуха при низком давлении и часто используются в вентиляторах систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и бытовых приборах. Наклоненные назад плоские лезвия предлагают золотую середину и их легче производить, что делает их экономически эффективными для применений среднего радиуса действия.

Объяснение статического давления, скорости воздушного потока, кубических футов в минуту и импеданса системы.

Эффективный выбор вентилятора требует четкого понимания четырех взаимозависимых величин: статического давления, скорости воздушного потока, кубических футов в минуту (кубических футов в минуту) и импеданса системы. Их путаница или изолированное рассмотрение является основной причиной большинства сбоев в охлаждении при разработке электронных продуктов.

Статическое давление — это сила на единицу площади, которую вентилятор оказывает на перемещаемый им воздух, измеряемая в дюймах водяного столба (в H2O) или паскалях (Па). Когда вентилятор проталкивает воздух по ограниченному пути, он должен преодолеть сопротивление этого пути, и для этого он использует статическое давление. Вентилятор, который генерирует максимальное статическое давление 0,1 дюйма H2O, обеспечит поток воздуха, близкий к нулю, если системе, которую он питает, требуется 0,15 дюйма H2O для преодоления сопротивления.

Скорость воздушного потока – это объем воздуха, перемещаемый за единицу времени. В технических характеристиках Северной Америки и большинстве технических характеристик электроники это выражается как CFM (кубические футы в минуту), тогда как в метрических таблицах данных используются кубические метры в час (м3/ч) или литры в секунду (л/с). Стандартный осевой вентилятор диаметром 80 мм, работающий со скоростью 2500 об/мин, обычно обеспечивает производительность от 25 до 40 кубических футов в минуту (кубических футов в минуту) на открытом воздухе, но может обеспечивать только от 10 до 15 кубических футов в минуту при установке внутри корпуса компьютера с умеренным сопротивлением системы. Этот разрыв между производительностью на открытом воздухе и установленной производительностью является причиной многих ошибок управления температурным режимом.

Импеданс системы, иногда называемый сопротивлением системы, представляет собой общее падение давления на всех компонентах на пути воздушного потока при заданной скорости потока. Каждый элемент на пути, решетки, фильтры, радиаторы, зазоры печатных плат, пучки кабелей, увеличивает импеданс системы. По мере увеличения скорости воздушного потока импеданс системы увеличивается примерно пропорционально квадрату скорости потока, поэтому кривые сопротивления системы на диаграмме кривой вентилятора выглядят как параболические линии, а не прямые. Рабочая точка любого вентилятора в любом реальном корпусе — это пересечение кривой зависимости давления вентилятора от расхода с кривой сопротивления системы.

Понимание кривых вентилятора: поток воздуха в зависимости от статического давления для практического выбора вентилятора

Понимание кривых воздушного потока вентилятора в зависимости от статического давления является наиболее практически ценным навыком в области управления температурным режимом и выбора вентилятора. Кривая вентилятора представляет собой двухосную диаграмму, где горизонтальная ось показывает скорость воздушного потока в CFM (кубических футах в минуту), а вертикальная ось показывает статическое давление. Каждый вентилятор имеет характеристическую кривую, которая начинается при максимальном статическом давлении, когда расход равен нулю, изгибается вниз по мере увеличения расхода и заканчивается при максимальном свободном расходе воздуха, когда статическое давление равно нулю.

Кривая сопротивления системы наложена на тот же график. Он начинается в начале координат (нулевой расход, нулевое давление) и изгибается вверх по мере увеличения расхода. Точка пересечения двух кривых является рабочей точкой: фактическая скорость воздушного потока и статическое давление, при которых вентилятор будет работать в данной конкретной установке. Перемещение этой рабочей точки является основной задачей выбора вентилятора и теплового проектирования.

Для осевого вентилятора кривая вентилятора резко падает по мере увеличения противодавления. Это означает, что осевой вентилятор, работающий вблизи точки давления срыва, выдает очень небольшую фактическую мощность CFM (кубических футов в минуту), даже если он вращается на полной скорости и потребляет полную мощность. Для центробежного вентилятора кривая давления более пологая в более широком диапазоне скоростей потока, а это означает, что центробежный вентилятор поддерживает полезный воздушный поток даже при увеличении импеданса системы. Эта разница в форме кривой является основной практической причиной выбора центробежного вентилятора для конструкций с ограниченным пространством: не только потому, что он создает большее максимальное статическое давление, но и потому, что он поддерживает это давление в более широком диапазоне рабочих условий.

Большинство технических характеристик вентиляторов также включают в себя кривую мощности, а иногда и кривую шума на одной и той же диаграмме. Считывание всех трех вместе дает полную картину того, что на самом деле будет обеспечивать вентилятор в конкретной точке импеданса системы целевого приложения, а не оптимистические цифры по свободному воздуху, которые появляются в маркетинговых обзорах. Инженеры-теплотехники, которые пропускают этот шаг и определяют размер вентиляторов исключительно по числу кубических футов в минуту свободного воздуха, постоянно обнаруживают, что их конструкции после сборки нагреваются сильнее, чем предполагалось, поскольку установленный поток воздуха всегда ниже, чем поток свободного воздуха.

Разница между осевыми и центробежными вентиляторами: подробный обзор сбоку

Разница между осевыми и центробежными вентиляторами выходит далеко за рамки направления воздушного потока и давления. Понимание полного набора различий позволяет инженеру по управлению температурным режимом или проектировщику продукции принять уверенное решение о выборе вентилятора, не выбирая по умолчанию тот тип вентилятора, который они использовали в предыдущем проекте.

Одним из часто упускаемых из виду аспектов разницы между осевыми и центробежными вентиляторами является поведение при изменении сопротивления системы во время работы. Сервер с засоренным воздушным фильтром создает более высокое сопротивление системы для своих вентиляторов, чем чистый сервер. В этой ситуации осевой вентилятор быстро теряет поток воздуха, и температура процессора повышается, что может привести к тепловому регулированию или отключению. Центробежный вентилятор в той же ситуации сохраняет большую часть своего воздушного потока, преодолевая повышенное сопротивление, давая системе больший тепловой запас до того, как будет достигнуто состояние неисправности. Эта устойчивость к изменяющемуся сопротивлению системы является основной причиной, по которой OEM-производители серверов и систем хранения данных часто предпочитают модули центробежных вентиляторов в системах с высокой плотностью размещения.

Осевой вентилятор или центробежный вентилятор для охлаждения электроники: выбор правильного типа

Решение между осевым вентилятором и центробежным вентилятором для охлаждения электроники сводится к четырем практическим вопросам, на которые можно быстро ответить на ранней стадии проектирования, прежде чем начнется какое-либо тепловое моделирование или испытания прототипа.

1. Какое сопротивление системы имеет путь воздушного потока? Если компоненты плотно упакованы, если есть фильтры, если воздух должен проходить через длинный узкий воздуховод или если на пути находится массив ребер радиатора с малым шагом, сопротивление системы высокое, и центробежный вентилятор является правильной отправной точкой.
2. Какой физический рост доступен для вентилятора? Если корпус тонкий, например, стоечный сервер высотой 1U, ноутбук или планшет, способность центробежного вентилятора всасывать воздух через тонкую щель и выпускать его вбок является геометрическим преимуществом, с которым не может сравниться ни один осевой вентилятор, независимо от производительности по давлению.
3. Каковы акустические требования? Если шум является основной проблемой и система открыта с низким сопротивлением системы, осевой вентилятор почти всегда будет тише при необходимом уровне воздушного потока. Если импеданс системы высок, осевой вентилятор будет вращаться на максимальных оборотах, пытаясь преодолеть сопротивление, и будет шумнее, чем центробежный вентилятор подходящего размера, работающий на умеренной скорости.
4. Какой бюджет на единицу? Осевые вентиляторы стандартных размеров стоят значительно дешевле, чем центробежные вентиляторы, что имеет значение при производстве потребительских товаров в больших объемах. Для промышленного, медицинского или профессионального оборудования, где надежность и производительность имеют первостепенное значение, надбавка к стоимости качественного центробежного вентилятора обычно оправдана.

Для корпуса настольного компьютера с большими сетчатыми панелями почти всегда правильным ответом будет несколько осевых вентиляторов диаметром 120 или 140 мм на переднем впуске и заднем выпуске. Для стоечного сервера высотой 1U с плотными массивами печатных плат и тонким профилем, ограничивающим диаметр вентилятора, правильным решением будет пара высокоскоростных центробежных вентиляторных модулей в двухпозиционном расположении. Для ноутбука с очень тонкой медной испарительной камерой и ребрами радиатора с мелким шагом один вентилятор, втягивающий воздух из-под клавиатуры и выбрасывающий его через задний край, является единственной конфигурацией, которая одновременно физически соответствует тепловым и геометрическим требованиям.

Сравнение уровня шума осевых и центробежных вентиляторов: что на самом деле испытывают инженеры и пользователи

Сравнение уровня шума осевых и центробежных вентиляторов требует различать два разных сценария: открытые системы со свободным воздухом и установленные системы с ограниченным доступом. В открытой системе со свободным воздухом осевой вентилятор почти всегда выигрывает с точки зрения акустики, поскольку он перемещает большой объем воздуха на низких оборотах, а шум сильно зависит от скорости вращения и скорости кончика лопасти. Осевой вентилятор диаметром 120 мм, обеспечивающий производительность 60 кубических футов в минуту, в открытом корпусе обычно производит уровень шума от 25 до 35 дБА, что считается тихим в большинстве бытовых и офисных помещений.

В установленной системе со значительным импедансом системы сравнение уровня шума осевых и центробежных вентиляторов происходит наоборот. Осевой вентилятор, вынужденный бороться с противодавлением, разгоняется до максимальных оборотов, чтобы поддерживать полезный воздушный поток, и генерирует значительный широкополосный шум из-за срыва лопастей и турбулентности. Центробежный вентилятор, выполняя ту же работу при том же сопротивлении с характерной плоской кривой давления, работает на меньшей части своей максимальной скорости и производит меньшую общую акустическую мощность, даже несмотря на то, что его шум на оборот в минуту выше, чем у осевого вентилятора. В ограниченной системе правильно выбранный центробежный вентилятор, работающий на скорости от 60 до 70 процентов от максимальной, может обеспечить такое же охлаждение, как и осевой вентилятор, работающий на 95 процентах от максимальной скорости, со значительным акустическим преимуществом в большинстве измерений.

Характер тонального шума центробежного вентилятора заслуживает отдельного внимания в любом акустически чувствительном применении. Частота прохождения лопастей, тон, который издается каждый раз, когда лопасть крыльчатки проходит фиксированную границу нагнетания в спирали, воспринимается большинством слушателей как более раздражающий, чем широкополосное шипение осевого вентилятора при том же общем уровне дБА. Инженеры по управлению температурным режимом в бытовой электронике, медицинских устройствах и продуктах для домашнего офиса часто предпочитают осевой вентилятор именно по этой причине даже в умеренно ограниченных системах, соглашаясь на немного более высокую скорость вращения в обмен на шум, менее ощутимый для конечных пользователей.

Вентиляторы охлаждения низкого давления с высоким потоком воздуха: когда осевой вентилятор явно является правильным ответом

Вентиляторы охлаждения низкого давления с высоким потоком воздуха и низким давлением являются естественной областью применения осевых вентиляторов, и указание чего-либо еще в этом сценарии означает платить больше за меньшую производительность. Приложения, которые действительно имеют низкий импеданс системы и требуют максимально возможного CFM (кубических футов в минуту) от доступного пространства панели, включают корпуса настольных компьютеров с открытой башней, телекоммуникационные наружные шкафы с большими дверцами с жалюзи, охлаждение промышленных панелей управления, где корпус глубокий и хорошо вентилируемый, и охлаждающие устройства на уровне ряда центров обработки данных, где воздух проходит через большие открытые пространства между серверными стойками.

Для таких применений охлаждающих вентиляторов низкого давления с высоким потоком воздуха осевой вентилятор диаметром 120 или 140 мм со скоростью от 1200 до 1800 об/мин обеспечивает наилучшее сочетание воздушного потока, шума, энергопотребления и стоимости. Последовательное расположение двух блоков осевых вентиляторов в одном и том же воздуховоде примерно удваивает статическое давление с лишь незначительным ухудшением воздушного потока, что полезно, когда в противном случае открытая система имеет единственное узкое место, такое как плотный набор ребер радиатора, через который вентиляторы должны проталкивать воздух, прежде чем остальная часть пути снова откроется.

Центробежные вентиляторы высокого статического давления: области применения, где их невозможно заменить

Центробежные нагнетатели высокого статического давления занимают определенную зону производительности, которую осевые вентиляторы действительно не могут достичь, независимо от того, сколько из них расположены последовательно. Когда импеданс системы превышает примерно 0,5–0,8 дюйма водного столба по всему пути охлаждения, центробежные вентиляторы высокого статического давления являются единственным решением с одним вентилятором, обеспечивающим достаточный поток воздуха. Этот порог обычно пересекается в следующих категориях продуктов.

• Ноутбуки, в которых воздух должен проходить через медный радиатор с очень мелким шагом с высокой скоростью и через очень маленькую площадь поперечного сечения, что требует уровня статического давления, который не может обеспечить ни один осевой вентилятор такого размера.
• Проекторы, в которых пылевые фильтры, перегородки оптического двигателя и каналы охлаждения ламп создают сложный путь воздушного потока с высоким сопротивлением в чрезвычайно компактном корпусе.
• Медицинское диагностическое оборудование, в котором герметичные корпуса, фильтры тонкой очистки и необходимость создания положительного давления внутри устройства для предотвращения загрязнения одновременно увеличивают импеданс системы.
• Промышленные приборы и анализаторы, в которых воздух должен прокачиваться через реакционные камеры или сенсорные ячейки с определенной скоростью потока, несмотря на переменное противодавление из линий отбора проб.
• Сетевые коммутаторы и маршрутизаторы компактного форм-фактора, в которых линейные карты создают очень высокое сопротивление системы в корпусе, слишком узком для стандартных модулей осевых вентиляторов.

Лучший охлаждающий вентилятор для серверных стоек высокой плотности: массивы осевых вентиляторов и модули центробежных вентиляторов

Выбор лучшего охлаждающего вентилятора для серверных стоек с высокой плотностью размещения требует балансировки статического давления, скорости воздушного потока в кубических футах в минуту, физических ограничений, резервирования и удобства обслуживания такими способами, которые не требуются для управления температурой настольного компьютера или рабочей станции. Серверные стойки высокой плотности обычно рассеивают от 20 до 40 кВт или более на стойку, что означает, что требования к воздушному потоку измеряются сотнями кубических футов в минуту (кубических футов в минуту) на сервер высотой 1U или 2U, а вентиляторы, обеспечивающие этот воздушный поток, являются одними из самых нагруженных компонентов во всем центре обработки данных.

Для стоечных серверов высотой 1U доминирующим решением в отрасли является массив из 4–7 модулей центробежных вентиляторов с двойным ротором, расположенных в задней части серверного шасси, причем каждый модуль управляется независимо и имеет возможность горячей замены для резервирования N плюс 1. В этих модулях используются загнутые назад крыльчатки, вращающиеся со скоростью от 15 000 до 25 000 об/мин и обеспечивающие производительность от 15 до 30 кубических футов в минуту (кубических футов в минуту) каждый при полном сопротивлении системы от 0,8 до 2,0 дюймов водяного столба, которое обеспечивает плотно нагруженный сервер высотой 1U. Осевой вентилятор такого диаметра и скорости полностью остановится при таком уровне противодавления и практически не будет обеспечивать воздушный поток.

Для серверов высотой 2U и более с более доступным диаметром вентилятора в некоторых архитектурах целесообразно использовать более крупные осевые вентиляторы диаметром от 60 до 80 мм, особенно когда в сервере используется открытая конструкция объединительной платы, где воздушный поток проходит через большие отверстия в каркасе для плат с относительно низким импедансом системы. Однако даже в этих случаях ведущие производители гипермасштабируемых серверов перешли на модули центробежных вентиляторов в большинстве линеек продуктов из-за их превосходной стабильности производительности во всем диапазоне нагрузок фильтров и температурных условий, встречающихся в реальных условиях эксплуатации центров обработки данных.

Обзор лучших охлаждающих вентиляторов для серверных стоек высокой плотности по форм-факторам серверов:

Выбор центробежного вентилятора для конструкций с ограниченным пространством: основные параметры и процесс

Выбор центробежного вентилятора для конструкций с ограниченным пространством — это процесс, который существенно отличается от общего выбора вентилятора, поскольку физические ограничения корпуса часто перевешивают чисто аэродинамические предпочтения и требуют от инженера оптимизации в пределах жестко ограниченного пространства решения.

Первым параметром, который необходимо определить при выборе центробежного вентилятора для конструкции с ограниченным пространством, является максимально доступный диаметр впускного отверстия, поскольку диаметр рабочего колеса является единственным определяющим фактором как давления, так и пропускной способности. Даже несколько миллиметров дополнительного входного диаметра существенно меняют возможности центробежного вентилятора. Для ноутбука с доступной высотой вентилятора 8 мм выбор может быть ограничен диаметром крыльчатки от 50 до 65 мм, и весь тепловой расчет должен строиться с учетом того, чего фактически может достичь вентилятор этого размера.

Второй параметр — это направление выпуска и размер отверстия, поскольку выпуск центробежного вентилятора должен совпадать с выпускным отверстием корпуса. В большинстве конструкций центробежных вентиляторов для тонких ноутбуков выброс воздуха осуществляется через узкую прорезь вдоль одного края корпуса, а геометрия спирального корпуса должна направлять выпуск воздуха точно в эту прорезь без ненужных изгибов, которые могли бы добавить сопротивление и уменьшить подаваемый поток воздуха.

• Определите максимально возможную высоту и диаметр рабочего колеса, прежде чем обращаться к каталогу вентиляторов или к поставщику.
• Измерьте или оцените полное сопротивление системы для конкретного радиатора и пути воздуховода в целевом корпусе, а не общую оценку.
• Подтвердите направление и размеры выпускного отверстия, чтобы спиральный корпус можно было правильно сориентировать в компоновке корпуса.
• Проверьте кривую вентилятора в расчетной рабочей точке полного сопротивления системы, чтобы убедиться, что подаваемый CFM (кубические футы в минуту) соответствует требованиям по управлению температурным режимом.
• Убедитесь, что мощность двигателя в рабочей точке находится в пределах теплового и электрического баланса главной платы или источника питания.
• Подтвердите акустическую мощность при рабочей точке скорости с учетом любого баланса шума, указанного в спецификации продукта.

Руководство по термическому проектированию для охлаждения корпуса компьютера: интеграция выбора вентилятора в полную систему

Руководство по тепловому проектированию для охлаждения корпуса компьютера должно учитывать выбор типа вентилятора, конструкцию пути воздушного потока и взаимодействие между ними как интегрированной системой, а не рассматривать вентилятор как изолированный компонент. Мощный вентилятор в плохо спроектированном канале воздушного потока даст неутешительные результаты, в то время как скромный вентилятор в хорошо спроектированном канале может превзойти тепловые характеристики более мощного вентилятора, борющегося с хаотичным или рециркулирующим воздушным потоком.

Настольный корпус ATX: стандартный подход с осевым вентилятором

Корпус ATX формата Full Tower или Mid Tower с сетчатой передней панелью, открытыми слотами для карт и задним выпускным отверстием имеет низкий импеданс системы на основном пути воздушного потока. Два или три блока осевых вентиляторов диаметром 120 или 140 мм спереди, втягивающие холодный воздух, в сочетании с одним или двумя блоками осевых вентиляторов сзади и сверху, отводящие горячий воздух, создают положительный градиент давления спереди назад, который эффективно отводит тепло от процессора и графического процессора. Этот подход к управлению температурным режимом работает, поскольку импеданс системы достаточно низок, чтобы осевые вентиляторы могли работать вблизи точки максимальной эффективности на своих кривых вентилятора.

Корпуса малого форм-фактора и Mini ITX: когда вентилятор становится необходимым

Корпус небольшого форм-фактора с ограниченным внутренним объемом, минимальными отверстиями в панели и графическим процессором с вентилятором Blower эталонного стиля представляет совершенно другую картину импеданса системы. В данном случае собственный вентилятор нагнетателя графического процессора, центробежный вентилятор, который втягивает воздух сверху печатной платы и выбрасывает воздух непосредственно из слота заднего кронштейна, часто является лучшим решением для охлаждения, чем кулер графического процессора на открытом воздухе, поскольку он немедленно отводит тепло от корпуса, а не рециркулирует его в замкнутый объем, где это снижает эффективность охлаждения процессора.

Руководство по термическому проектированию для принципа охлаждения компьютерного корпуса, который объединяет все форм-факторы: сначала спроектируйте путь воздушного потока, затем выберите вентиляторы, кривые вентиляторов которых пересекают кривую сопротивления системы при требуемом CFM (кубических футах в минуту) и в точке, находящейся далеко от зоны стойла. Вентилятор, работающий вблизи остановки, шумный, неэффективный и обеспечивает плохое фактическое охлаждение, несмотря на высокое энергопотребление. Вентилятор, работающий на скорости от 50 до 70 процентов от максимального расхода, работает тихо, эффективно и имеет запас для увеличения скорости, если под нагрузкой температура повышается.

Когда использовать нагнетатель вместо осевого вентилятора: краткое изложение практического решения

Вопрос, когда использовать нагнетатель вместо осевого вентилятора, в конечном итоге является вопросом, на который отвечает сочетание импеданса системы и физической геометрии, а следование приведенной ниже логике предотвращает как чрезмерное, так и недостаточное проектирование в любом проекте управления температурным режимом.

Используйте нагнетательный или центробежный вентилятор при наличии любого из следующих условий:

• Импеданс системы превышает 0,5 дюйма водяного столба, поскольку путь воздушного потока проходит через плотные радиаторы, фильтры тонкой очистки или длинные узкие каналы, в которых осевой вентилятор может остановиться.
• Корпус настолько тонкий, что доступный диаметр вентилятора слишком мал для того, чтобы осевой вентилятор мог обеспечить достаточное количество кубических футов в минуту (кубических футов в минуту) при приемлемом уровне шума.
• Направление выпуска должно быть изменено с направления впуска, чтобы направить поток воздуха к определенному выпускному отверстию в корпусе, например, вдоль края ноутбука или через задний кронштейн видеокарты.
• Резервирование и возможность горячей замены необходимы в серверных или телекоммуникационных приложениях, где неисправный вентилятор необходимо заменить без выключения системы.

Используйте осевой вентилятор при наличии любого из следующих условий:

• Импеданс системы низкий, поскольку корпус хорошо вентилируется и путь воздушного потока открыт без плотных препятствий.
• Требуется максимально возможный CFM (кубические футы в минуту) на единицу шума, например, в тихом домашнем офисе или в бытовой аудиосистеме.
• Стоимость единицы вентилятора является первоочередным фактором, и конструкция системы может предусматривать большие вырезы в панели, которые требуются для стандартных размеров корпуса осевого вентилятора.
• Несколько вентиляторов будут установлены параллельно на большой панели, чтобы максимизировать общий воздушный поток на большой площади, например, у передней двери стоечного шкафа или телекоммуникационного шкафа для настенного монтажа.

Ответ на вопрос, когда использовать нагнетатель вместо осевого вентилятора, всегда основан на импедансе системы: измерьте или оцените сопротивление пути воздушного потока, нанесите его на кривую вентилятора каждого кандидата, и правильный выбор станет очевидным, исходя из того, где рабочая точка попадает на каждую кривую. Никакое эмпирическое правило не заменит этот шаг в серьезном процессе проектирования терморегулирования.

Часто задаваемые вопросы

В чем преимущество использования осевого вентилятора перед центробежным?

В чем преимущество использования осевого вентилятора? Основными преимуществами являются высокая скорость воздушного потока в кубических футах в минуту относительно физического размера корпуса вентилятора, тонкий осевой профиль, который подходит непосредственно к плоским панелям без спирального корпуса, более низкий уровень шума при эквивалентном расходе воздуха в открытых системах, более низкая стоимость единицы продукции и более широкая доступность стандартных размеров от 25 мм до 250 мм. Эти преимущества делают осевой вентилятор доминирующим выбором для любой открытой системы охлаждения с низким импедансом.

Центробежные вентиляторы мощнее осевых?

Центробежные вентиляторы мощнее? С точки зрения статического давления, да, с большим запасом: центробежные нагнетатели высокого статического давления могут создавать в 5–10 раз большее статическое давление, чем осевой вентилятор аналогичного размера. Что касается расхода свободного воздуха в кубических футах в минуту, осевые вентиляторы обычно обеспечивают большую производительность при заданном диаметре рамы и потребляемой мощности. Какой из них более мощный, полностью зависит от требований приложения.

Чем центробежный вентилятор отличается от осевого?

Как работает центробежный вентилятор? Он втягивает воздух в осевом направлении в центр вращающейся крыльчатки, а затем выбрасывает этот воздух радиально наружу с помощью центробежной силы, преобразуя кинетическую энергию в статическое давление внутри спирального корпуса перед выпуском его под углом 90 градусов к впускному отверстию. Осевой вентилятор перемещает воздух прямо в том же направлении, в котором вращается вал, генерируя скорость воздушного потока в CFM (кубических футах в минуту) с минимальным преобразованием давления.

Каково направление воздушного потока осевых вентиляторов?

Направление воздушного потока осевых вентиляторов параллельно валу вращения. Воздух поступает на поверхность вращающихся лопастей в осевом направлении и выходит с противоположной стороны в том же осевом направлении. Прямой путь потока является определяющей характеристикой, которая позволяет легко интегрировать осевой вентилятор в вырезы плоских панелей и линейные секции воздуховодов.

В чем ключевое различие между осевыми и центробежными вентиляторами для понимания кривых вентиляторов?

Понимание кривых вентилятора: поток воздуха в зависимости от статического давления показывает наиболее важную практическую разницу: кривая осевого вентилятора резко падает по мере увеличения противодавления, а это означает, что его подаваемый CFM (кубические футы в минуту) резко падает с увеличением импеданса системы. Кривая центробежного вентилятора намного более пологая, что позволяет поддерживать полезный воздушный поток в более широком диапазоне противодавления. Эта разница в форме кривой, а не только максимальное давление или максимальный расход, является причиной разницы между осевыми и центробежными вентиляторами в реальных установленных приложениях.

Какой охлаждающий вентилятор лучше всего подходит для серверных стоек высокой плотности?

Лучший охлаждающий вентилятор для серверных стоек высокой плотности в форм-факторе 1U представляет собой набор модулей центробежных вентиляторов с загнутыми назад лопатками, работающих со скоростью от 15 000 до 25 000 об/мин и развернутых по схеме N плюс 1 с возможностью горячей замены. Они обеспечивают производительность от 15 до 30 CFM (кубических футов в минуту) каждый при импедансе системы от 0,8 до 2,0 дюймов водного столба, типичном для плотно нагруженного сервера высотой 1U, уровне статического давления, которому не могут соответствовать осевые вентиляторы сопоставимых диаметров.

Когда при охлаждении электроники использовать нагнетатель вместо осевого вентилятора?

Когда следует использовать нагнетатель вместо осевого вентилятора: выбирайте нагнетательный вентилятор, если импеданс системы превышает примерно 0,5 дюйма водяного столба, когда корпус слишком тонкий для осевого вентилятора достаточного диаметра или когда поток воздуха необходимо перенаправить под углом 90 градусов для выхода через определенный слот или порт. Используйте осевой вентилятор, когда полное сопротивление системы низкое, приоритетом является максимальный объем свободного воздуха в кубических футах в минуту на единицу шума, а ключевым ограничением является стоимость.

Как сопротивление системы влияет на выбор вентилятора осевого или центробежного типа?

Импеданс системы — это общее сопротивление, оказываемое вентилятором на пути воздушного потока. По мере увеличения импеданса системы осевой вентилятор быстро теряет подаваемый CFM (кубические футы в минуту), поскольку кривая его вентилятора крутая, в то время как центробежный вентилятор поддерживает больший поток воздуха, потому что его кривая более пологая. Поэтому выбор вентилятора начинается с измерения или оценки импеданса системы и сопоставления его с правильным типом вентилятора, прежде чем рассматривать какие-либо другие параметры.

Как на практике происходит сравнение уровня шума осевых и центробежных вентиляторов?

В открытых системах с низким сопротивлением системы сравнение уровня шума осевых и центробежных вентиляторов отдает предпочтение осевому вентилятору, поскольку он обеспечивает большую производительность CFM (кубических футов в минуту) при низких оборотах в минуту и ​​низком уровне дБА. В системах с ограниченным высоким сопротивлением системы сравнение происходит наоборот, поскольку осевой вентилятор должен развивать максимальную скорость вращения, преодолевая противодавление, в то время как центробежный вентилятор покрывает ту же тепловую нагрузку на меньшей части своей скорости. Центробежный вентилятор также имеет характер тонального шума прохождения лопастей, который многие слушатели находят более раздражающим, чем шум широкополосного осевого вентилятора при том же общем уровне дБА.

Каковы основные этапы выбора центробежного вентилятора для конструкций с ограниченным пространством?

Выбор центробежного вентилятора для конструкций с ограниченным пространством включает пять основных этапов: во-первых, измерение максимальной доступной высоты и диаметра входного отверстия внутри корпуса; во-вторых, оцените полное сопротивление системы для конкретного радиатора и тракта воздуховода; в-третьих, подтвердите направление выпуска и размеры отверстий, чтобы убедиться, что ориентация спирального корпуса соответствует компоновке корпуса; в-четвертых, проверьте кривую вентилятора в расчетной рабочей точке импеданса системы, чтобы убедиться, что подаваемый CFM (кубические футы в минуту) соответствует требованиям управления температурным режимом; и в-пятых, проверьте акустическую мощность на рабочей скорости на соответствие характеристикам шума изделия.