קירור בעל ביצועים גבוהים: כיצד מאווררים קומפקטיים דיאגונליים משנים את כללי המשחק

בכל דבר, משרתי ענן ועד התקנים ניידים, אלקטרוניקה רבת עוצמה מעניקה יתרונות עצומים לעסקים, לצרכנים ולממשלה. ובכל זאת, הם מגיעים עם האתגר כיצד לקרר רכיבים חיוניים בצורה היעילה ביותר כדי לספק מהירות, מהימנות וביצועי עיבוד נתונים.

שרתים והתקני קצה רבי-עוצמה הם קריטיים עבור עמידה בהבטחות של טכנולוגיות אוטונומיות, בינה מלאכותית,ופתרונות אינטרנט-של-דברים (IoT‏) הקשורים ל-5G‏. תכנון מערכות אלה כדי להבטיח ביצועים ואמינות דורש מספר גישות ניהול תרמי, אך המאווררים המחליפים אוויר חם וקר הם חיוניים עבור רוב היישומים. לכן חשוב מאוד למתכנני מערכות לתכנן מאווררים קומפקטיים בעלי יכולות קירור אולטימטיביות עם מינימום רעש וחתימת-שטח.

ההתגברות על פשרות בתכנון מערכות אלקטרוניקה

מאז 1965, תכנון מערכות אלקטרוניות התמודד עם דרישות הקירור כתוצאה מהצפיפות של מעגלים משולבים שהלכה וגדלה בקצב פנומנלי, בהתאם לניבוי המפורסם של המייסד-השותף גורדון מור של מה שהפכה להיות Intel‏. ¹ מאז, מתכנני מערכות אלקטרוניות התמודדו עם דרישות הקירור עקב מהצפיפות הגדלה של מערכות מבוססות IC. כאשר מערכות מתחממות יתר על המידה, הרכיבים עלולים להיכבות, או גרוע מכך, להינזק.

החשמל המניע מערכות אלקטרוניות מומר לחום, אותו יש לסלק כדי למנוע התחממות-יתר. בארה"ב, עד 40% מהשימוש באנרגיה במרכזי הנתונים מיועד לקירור; רחוק ממרכז הנתונים, מחשוב הקצה והמגוון הרחב של התקני IoT מסתמכים בדרך כלל על פיזור חום מתקדם יחד עם דרישות מזעור ואמינות קיצוניות. פתרונות קירור עבור הספקטרום הרחב הזה של מערכות אלקטרוניות תלויים לעתים קרובות במאווררים קומפקטיים חוסכי אנרגיה ועם רעש נמוך שהם פשוטים להתקנה ולתחזוקה.

מתכנני מערכות המבקשים לספק קירור מתאים מאותגרים ללא-הרף על ידי דרישות לתפוקת הספק גדלה והולכת, יעדי נצילות אנרגיה קפדניים יותר והצורך להכיל רכיבים קטנים יותר ויותר. תכנון פשוט להשתמש במאוורר חזק יותר או לחבר מאווררים נוספים אינו מציאותי בגלל צריכת החשמל, מגבלות המקום ומגבלות הרעש.

למתכננים יש שלוש אפשרויות בסיסיות עבור מאווררים והם יכולים להשתמש בעקרונות דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) כדי לקבוע איזו גישה יכולה לספק את האיזון האופטימלי בין הלחץ וזרימת האוויר כדי לענות על הצרכים של היישומים שלהם (איור 1):

• מאווררים אקסיאליים מניעים אוויר במקביל לציר המנוע המסתובב של המאוורר, כמו מדחף. אלה הם בדרך כלל אופטימליים עבור יישומים בלחץ נמוך וזרימה גבוהה כדי להחליף אוויר חם באוויר מקרר. הם מוערכים בשל עומק ההתקנה הרדוד, הרעש הנמוך והנצילות הגבוהה שלהם, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור שרתים והתקני אחסון שבהם כל סנטימטר של שטח המקום מהווה שיקול עיקרי. זוויות זרימה גדולות יותר ללהבים יכולות ליצור לחץ רב יותר, אך הדבר עלול לגרום לעלייה במערבולות וברעש, כמו גם בנצילות אנרגיה מופחתת.
• מאווררים צנטריפוגליים - או רדיאליים מסיטים אוויר בזווית של °‏90‏ אל הציר ויכולים ליצור לחץ רב יותר עם קצבי זרימה נמוכים יותר לעומת מאווררים אקסיאליים. זה הופך אותם לאופטימליים עבור הכוונת אוויר דרך תעלות אוורור, כגון קירור מרכזי נתונים, או עבור יישומים קטנים יותר כמו מחשבים ניידים, שבהם הצירקולציה שואפת להניע חום בניצב לזרימת כניסת האוויר. הפשרה היא דרישות הספק החורגות מהדרוש עבור מאווררים אקסיאליים.
• מאווררים דיאגונליים מושכים אוויר כמו מאווררים אקסיאליים אך מסלקים את זרימת האוויר באלכסון אל הציר. זה מאפשר רמות דחיסה דומות לאלו של מאווררים צנטריפוגליים, מה שמאפשר לחץ סטטי גבוה יותר עם פחות מערבולות ונצילות גבוהה יותר.

איור 1‏: תחומי פעולה אופטימליים של שלושת תכני המאווררים. (מקור הגרפיקה: ebm-papst)

הדור-הבא של ממאווררים אקסיאליים

מאווררים אקסיאליים קומפקטיים שולטים ביישומי קירור אלקטרוניקה מכיוון שהם קלים לשילוב ומספקים קצבי זרימת אוויר אופטימליים. בתים משולבים פועלים כמשפך יניקה עבור כניסת אוויר תוך הספקת זרימת יציאה הומוגנית מבלי ליצור מערבולות שיגבירו את הרעש.

עם זאת, מאווררים אקסיאליים מסורתיים נדחפים לרוב לגבולות הביצועים שלהם בשל הצורך בקיבולת קירור גדלה והולכת ותכנים קומפקטיים יותר. המתכננים המבקשים להגדיל את יכולת הקירור עם מאווררים אקסיאליים מסורתיים מסתמכים לעתים קרובות על מאווררים קומפקטיים דו-שלביים עם רוטורים המסתובבים בכיוונים הפוכים כדי לספק את הלחץ הגבוה הדרוש עבור קירור אחיד בכל המארז. עם זאת, זה מגדיל את צריכת האנרגיה ואת רעש הפעולה.

חדשנית המאווררים והמנועים המובילה ebm-papst פיתחה מאוורר קומפקטי דיאגונלי, DiaForce‏, המתגבר על מכשולים אלו ומטרתו לעמוד בדרישות העתידיות התובעניות של קירור אלקטרוניקה. זרמי האוויר דרך מאווררי DiaForce הם בכיוונים גם אקסיאליים וגם רדיאליים, ומאפשרים יחידת מאוורר אקסיאלי קומפקטית המעניקה ביצועי מאוורר המסתובב בכיוון הפוך עם פחות רעש ועם צריכת הספק נמוכה יותר משמעותית.

מאווררי DiaForce משלבים מנוע רוטור חיצוני מתקדם ביותר ישירות עם אימפלר אקסיאלי ויכולים לספק את זרימת האוויר רבת-העוצמה של מאוורר אקסיאלי עם יכולות הלחץ האחורי המוגבר של מאוורר צנטריפוגלי (איור 2). הגיאומטריה הייחודית של האימפלר והבית ממזערת את המערבולות באזור הקצה כדי להפחית את הרעש, והיא משתמשת בפתח יציאת אימפלר הגדול יותר מפתח היניקה כדי ליצור זרימת אוויר בכיוונים אקסיאליים ורדיאליים כאחד.

איור 2: השוואה ישירה בין מאוורר אקסיאלי חד-שלבי (a), מאוורר אקסיאלי דו-שלבי (b)ומאוורר דיאגונליDiaForce‏ (c). (מקור התמונה: ebm-papst)

ebm-papst פיתחה את המאוורר הדיאגונלי הקומפקטי DiaForce עבור דרישות זמינות גבוהות המאפיינות יישומים כגון שרתי מרכזי נתונים, תקשורת סטנדרטית 5G, רכבים אוטונומיים ושירותי ענן.

הגיאומטריה של מאווררי DiaForce ממזערת מערבולות ומאפשרת עליית לחץ גדולה יותר לעומת מאווררים אקסיאליים סטנדרטיים. לפי ebm-papst‏, ה-DiaForce שקט יותר בשישה (dB(A לעומת מאוורר קומפקטי אקסיאלי רגיל - עם עד 50% יותר ביצועי אוויר ^2‏ -עם אותם ממדים כמו מאוורר אקסיאלי רגיל. הוא תואם למפרטי DIN ISO 1940‏ עבור איזון דינמי בשני מישורים.

בניגוד למאווררים חד-שלביים רגילים, ניתן להגביר את המהירות בה פועלים מאווררי DiaForce כדי להתאים לתנאים קשים, כגון עלייה בטמפרטורה של הסביבה החיצונית. מנועים עם קומוטציה אלקטרונית (EC) בעלי נצילות גבוהה המניעים מאווררי DiaForce פועלים ברמת נצילות של עד 90%, בהשוואה לרמת נצילות של 20% עד 70% של מנועי AC‏. מנועי EC מאפשרים מהירויות משתנות אינסופיות ויכולים לספק את רמות היציאה של מנועי AC או DC בגורם צורה קטן יותר.

תקן DiaForce120‏ (מק"ט 8315100198‏) מעניק קירור רב-עוצמה עם צריכת אנרגיה ורעש מינימליים. הוא זמין בפורמט של 119 מ"מ רוחב, 119 מ"מ גובה, 86 מ"מ עומק ומשקל של 980 גרם. בתנאי הבדיקה הסטנדרטיים שבמפרט, הוא מספק זרימת אוויר חופשית מקסימלית של m³/h‏ 680‏ולחץ סטטי מקסימלי של pa‏ 3.120‏. בהתאם לנקודת הפעולה, הוא יכול להשיג הפחתת רעש מ-(dB(A‏ 6‏ ל-(dB(A‏ 12‏, לפי ebm-papst‏.

הנעת ה-DiaForce היא באמצעות מנוע DC תלת-גדילים חסכוני באנרגיה בדירוג של W‏ 500‏ ומיקרו-בקר רב-עוצמה עבור ייצוב מנוע חכם המאפשר מומנט מקסימלי אפשרי בכל תחומי העומס.

דיאגנוסטיקה משולבת אופציונלית FanCheck‏ מחשבת באופן רציף את חיי השירות הריאליים שנותרו על בסיס הבלאי בפועל, כמו גם הטמפרטורה, המהירות ופרמטרי הסביבה שהוגדרו מראש. עם FanCheck, יצרנים ולקוחות יכולים לחסוך את הנוהג המקובל של החלפת מאווררים מוקדם יותר מחיי השירות שצוינו, להפחית את העלויות הנלוות ולהקל על תזמון החלפה לזמנים המתאימים ביותר.

אפשרויות נוספות הזמינות למאוורר DiaForce כוללות:

• התרעת Go/No-Go
• התרעה עם גבול מהירות
• חיישן טמפרטורה חיצוני
• חיישן טמפרטורה פנימי
• כניסת בקרה אנלוגית
• הגנה מפני רטיבות

סיכום

ככל שממשלות, עסקים וצרכנים דורשים יותר טכנולוגיית מחשבים ורשתות יעילות-אנרגטית, מתכנני מערכות אלקטרוניות יאתגרו ללא-הרף לספק ביצועים ויעילות אנרגטית גבוהים יותר. מאווררים מודרניים שנוצרו עם יכולות ניטור מצב ומבט לצרכים העתידיים הם חיוניים לעמידה באתגרים הללו. המאוורר הקומפקטי הדיאגונלי DiaForce של ebm-papst יכול לעזור למתכננים להתגבר על המכשולים להשגת קיבולת קירור גבוהה יותר בתכנים קומפקטיים יותר.

משאבים:

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/