Resfriamento de alto desempenho: Como as ventoinhas diagonais compactas estão mudando o jogo

Em tudo, desde servidores de nuvem até dispositivos móveis, os eletrônicos potentes estão proporcionando imensos benefícios para empresas, consumidores e governos. Ainda assim, eles vêm com o desafio de como resfriar os componentes vitais de forma mais eficiente para proporcionar velocidade, confiabilidade e desempenho de processamento de dados.

Servidores e dispositivos de borda mais potentes são essenciais para cumprir as promessas de tecnologias autônomas, inteligência artificial e soluções da Internet das Coisas (IoT) relacionadas ao 5G. Projetar esses sistemas para garantir o desempenho e a confiabilidade requer várias abordagens de gerenciamento térmico, mas as ventoinhas que trocam ar quente e frio são essenciais para a maioria das aplicações. É por isso que é extremamente importante que os projetistas de sistemas planejem ventoinhas compactas que tenham os melhores recursos de resfriamento com o mínimo de ruído e espaço ocupado.

Superando os trade-offs no projeto de sistemas eletrônicos

Desde 1965, os projetistas de sistemas eletrônicos têm lidado com as demandas de resfriamento decorrentes do aumento fenomenal da densidade dos circuitos integrados, previsto de forma célebre pelo futuro cofundador da Intel, Gordon Moore.¹ Desde então, os projetistas de sistemas eletrônicos têm lidado com as demandas de resfriamento decorrentes do aumento da densidade dos sistemas baseados em CIs. Quando os sistemas ficam superaquecidos, os componentes podem se desligar ou, pior ainda, ser danificados.

A eletricidade que alimenta os sistemas eletrônicos é convertida em calor, que deve ser removido para evitar o superaquecimento. Nos EUA, até 40% do uso de energia em data centers é para resfriamento; além dos data centers, a computação de ponta e uma ampla variedade de dispositivos de IoT geralmente dependem de dissipação de calor avançada, além de requisitos extremos de miniaturização e confiabilidade. As soluções de resfriamento para esse amplo espectro de sistemas eletrônicos geralmente dependem de ventoinhas compactas que economizam energia, têm baixo ruído, são simples de instalar e manter.

Os projetistas de sistemas que buscam fornecer o resfriamento adequado são continuamente desafiados por demandas de rendimento de energia cada vez maiores, metas de eficiência energética mais rigorosas e a necessidade de acomodar componentes cada vez menores. Simplesmente planejar a utilização de uma ventoinha mais potente ou conectar ventoinhas adicionais não é realista devido ao consumo de energia, às limitações de espaço e às restrições de ruído.

Os projetistas têm três opções básicas de ventoinhas e podem utilizar os princípios da dinâmica de fluidos computacional (CFD) para determinar qual abordagem pode proporcionar o equilíbrio ideal entre pressão e fluxo de ar para atender às necessidades de suas aplicações (Figura 1):

• As ventoinhas axiais movem o ar paralelamente ao ângulo do eixo rotativo do motor da ventoinha, como uma hélice, e geralmente são ideais para aplicações de baixa pressão e alto fluxo para substituir o ar quente por ar de resfriamento. Elas são valorizadas por sua profundidade de instalação rasa, baixa geração de ruído e eficiência, o que as torna ideais para servidores e dispositivos de armazenamento em que cada centímetro de espaço é precioso. Ângulos de fluxo maiores das pás podem gerar mais pressão, mas isso pode resultar em maior turbulência e ruído, além de reduzir a eficiência energética.
• As ventoinhas centrífugas — ou radiais — desviam o ar em um ângulo de 90˚ em relação ao eixo e podem criar mais pressão com taxas de fluxo mais baixas do que as ventoinhas axiais. Isso as torna ideais para direcionar o ar através de dutos para ventilação, como resfriamento de data centers, ou para aplicações menores, como notebooks, em que a circulação visa mover o calor perpendicularmente ao fluxo de entrada de ar. A desvantagem é que os requisitos de energia excedem o que é necessário para ventoinhas axiais.
• As ventoinhas diagonais puxam o ar como uma ventoinha axial, mas expulsam o fluxo de ar diagonalmente em relação ao eixo. Isso permite níveis de compressão semelhantes aos das ventoinhas centrífugas, possibilitando maior pressão estática com menos turbulência e maior eficiência.

Figura 1: faixas operacionais ideais dos três estilos de ventoinhas. (Fonte do gráfico: ebm-papst)

Ventoinhas axiais de última geração

As ventoinhas axiais compactas dominam as aplicações de resfriamento de produtos eletrônicos, pois são fáceis de integrar e oferecem taxas de fluxo de ar ideais. A estrutura integrada funciona como um funil de sucção para a entrada de ar e, ao mesmo tempo, proporciona um fluxo de saída homogêneo sem criar vórtices que aumentariam o ruído.

As ventoinhas axiais tradicionais, no entanto, são frequentemente levadas ao limite pela necessidade de uma capacidade de resfriamento cada vez maior e de projetos mais compactos. Os projetistas que buscam aumentar a capacidade de resfriamento com ventoinhas axiais tradicionais geralmente contam com ventoinhas compactas axiais de dois estágios com rotores contra-rotativos para fornecer a alta pressão necessária para o resfriamento uniforme em todo o gabinete. No entanto, isso aumenta o consumo de energia e o ruído operacional.

A ebm-papst, líder em inovação de ventoinhas e motores, desenvolveu uma ventoinha diagonal compacta, a DiaForce, que supera esses obstáculos e visa atender aos futuros e exigentes requisitos de resfriamento de eletrônicos. O ar flui através das ventoinhas DiaForce nas direções axial e radial, permitindo que uma unidade de ventoinha axial compacta ofereça o desempenho de uma ventoinha de contra-rotação com menos ruído e com uma demanda de energia significativamente menor.

As ventoinhas DiaForce integram um motor de rotor externo de última geração diretamente com o impulsor axial e podem fornecer o fluxo de ar potente de uma ventoinha axial com os recursos de contrapressão aumentados de uma ventoinha centrífuga (Figura 2). A geometria exclusiva do impulsor e da estrutura minimiza a turbulência na área da borda para reduzir o ruído e utiliza uma abertura de saída do impulsor maior do que a abertura de admissão para criar um fluxo de ar nas direções axial e radial.

Figura 2: uma comparação direta entre uma ventoinha axial compacta de estágio único (a), uma ventoinha axial compacta de dois estágios (b) e a nova ventoinha compacta diagonal DiaForce (c). (Fonte da foto: ebm-papst)

A ebm-papst desenvolveu a ventoinha diagonal compacta DiaForce para requisitos de alta disponibilidade que caracterizam aplicações como servidores de data centers, comunicações padrão 5G, veículos autônomos e serviços em nuvem.

A geometria das ventoinhas DiaForce minimiza a turbulência e permite um aumento de pressão maior do que as ventoinhas axiais padrão. De acordo com a ebm-papst, a DiaForce é seis dB(A) mais silenciosa do que uma ventoinha axial compacta convencional, com até 50% a mais de desempenho de ar², com as mesmas dimensões de uma ventoinha axial convencional. Ela está em conformidade com as especificações DIN ISO 1940 para balanceamento dinâmico em dois planos.

Ao contrário das ventoinhas convencionais de estágio único, a velocidade de funcionamento das ventoinhas DiaForce pode ser aumentada para acomodar condições adversas, como um aumento na temperatura do ambiente externo. Os motores de alta eficiência, comutados eletronicamente (EC) que acionam as ventoinhas DiaForce operam com um nível de eficiência de até 90% em comparação com o nível de eficiência de 20% a 70% dos motores CA. Os motores EC permitem velocidades infinitamente variáveis e podem fornecer os níveis de saída dos motores CA ou CC em um fator de forma menor.

A DiaForce120 Standard (número de peça 8315100198) fornece resfriamento potente com o mínimo de consumo de energia e ruído. Está disponível em um fator de forma de 119 mm de largura, 119 mm de altura, 86 mm de profundidade, pesando 980 gramas. Sob condições de teste padrão especificadas, ela fornece fluxo máximo de ar livre de 680 m³/h e pressão estática máxima de 3,120 Pa. Dependendo do ponto de operação, ela pode alcançar uma redução de ruído de 6 dB(A) a 12 dB(A), de acordo com a ebm-papst.

A DiaForce é acionada por um motor CC de três fios, com baixo consumo de energia e potência nominal de 500 W, e por um microcontrolador potente para a regulagem inteligente do motor, que permite o máximo torque possível em todas as faixas de carga.

Uma ferramenta de diagnóstico FanCheck integrada opcional calcula continuamente de forma realista a vida útil restante com base no desgaste real experimentado, bem como na temperatura, na velocidade e nos parâmetros ambientais predefinidos. Com a FanCheck, os fabricantes e clientes podem eliminar a prática comum de substituir as ventoinhas antes da vida útil especificada, reduzindo os custos associados e facilitando a programação da substituição para os momentos mais oportunos.

Outras opções das ventoinhas DiaForce disponíveis incluem:

• Alarme Go/No Go
• Alarme com limite de velocidade
• Sensor de temperatura externa
• Sensor de temperatura interna
• Entrada de controle analógico
• Proteção contra umidade

Conclusão

Como os governos, as empresas e os consumidores exigem tecnologias de rede e computadores mais eficientes em termos de energia, os projetistas de sistemas eletrônicos serão constantemente desafiados a oferecer maior desempenho e eficiência energética. Ventoinhas modernas criadas com recursos de monitoramento de condições e de olho nas necessidades futuras são vitais para enfrentar esses desafios. A ventoinha diagonal compacta DiaForce da ebm-papst pode ajudar os projetistas a superar os obstáculos para obter maior capacidade de resfriamento em projetos mais compactos.

Recursos

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/