Refrigeración de alto rendimiento: Cómo los ventiladores compactos diagonales están cambiando el juego

Desde servidores en la nube hasta dispositivos móviles, los potentes dispositivos electrónicos están aportando inmensas ventajas a empresas, consumidores y gobiernos. Aun así, se enfrentan al reto de cómo refrigerar los componentes vitales de la forma más eficaz para proporcionar velocidad, fiabilidad y rendimiento en el procesamiento de datos.

Servidores y dispositivos de borde más potentes son fundamentales para cumplir las promesas de las tecnologías autónomas, la inteligencia artificial y las soluciones de Internet de las cosas (IoT) relacionadas con 5G. El diseño de estos sistemas para garantizar el rendimiento y la fiabilidad requiere múltiples enfoques de gestión térmica, pero los ventiladores que intercambian aire caliente y frío son cruciales para la mayoría de las aplicaciones. Por eso es tan importante que los diseñadores de sistemas planifiquen ventiladores compactos que ofrezcan la máxima capacidad de refrigeración con un ruido y un espacio mínimos.

Superar los compromisos en el diseño de sistemas electrónicos

Desde 1965, el diseño de sistemas electrónicos ha tenido que lidiar con las demandas de refrigeración derivadas de la fenomenal densidad creciente de los circuitos integrados, predicha por el que pronto sería cofundador de Intel, Gordon Moore¹. Desde entonces, los diseñadores de sistemas electrónicos se han enfrentado a las exigencias de refrigeración derivadas de la creciente densidad de los sistemas basados en circuitos integrados. Cuando los sistemas se sobrecalientan, los componentes pueden apagarse o, peor aún, resultar dañados.

La electricidad que alimenta los sistemas electrónicos se convierte en calor, que debe desplazarse para evitar el sobrecalentamiento. En Estados Unidos, hasta el 40% del consumo energético de los centros de datos se destina a refrigeración; lejos del centro de datos, la computación periférica y una amplia variedad de dispositivos IoT suelen depender de una disipación avanzada del calor junto con unos requisitos extremos de miniaturización y fiabilidad. Las soluciones de refrigeración para este amplio espectro de sistemas electrónicos suelen depender de ventiladores compactos de bajo consumo y bajo nivel sonoro, fáciles de instalar y mantener.

Los diseñadores de sistemas que buscan una refrigeración adecuada se enfrentan continuamente a la exigencia de una tasa de producción de energía cada vez mayor, a objetivos de eficiencia energética más rigurosos y a la necesidad de dar cabida a componentes cada vez más pequeños. No es realista planificar la utilización de un ventilador más potente o la clavija de conexión de ventiladores adicionales debido al consumo de energía, las limitaciones de espacio y las restricciones de ruido.

Los diseñadores tienen tres opciones básicas para los ventiladores y pueden utilizar los principios de la dinámica de fluidos computacional (CFD) para determinar qué enfoque puede proporcionar el equilibrio óptimo entre la presión y el flujo de aire para satisfacer las necesidades de sus aplicaciones (Figura 1):

• Los ventiladores axiales mueven el aire paralelamente al eje del motor del ventilador, como una hélice, y suelen ser óptimos para aplicaciones de baja presión y gran caudal para sustituir el aire caliente por aire refrigerante. Se valoran por su escasa profundidad de instalación, su baja generación de ruido y su eficiencia, lo que los hace ideales para servidores y dispositivos de almacenamiento en los que cada centímetro de espacio es primordial. Los mayores ángulos de flujo con respecto a las palas pueden generar más presión, pero eso puede dar lugar a un aumento de las turbulencias y el ruido, así como a una reducción de la eficiencia energética.
• Los ventiladores centrífugos -o radiales- desvían el aire en un ángulo de 90˚ respecto al eje y pueden crear más presión con caudales menores que los ventiladores axiales. Esto los hace óptimos para dirigir el aire a través de conductos para ventilación, como la refrigeración de centros de datos, o para aplicaciones más pequeñas como ordenadores portátiles, donde la circulación tiene por objeto mover el calor perpendicularmente al flujo de entrada de aire. La contrapartida son unos requisitos de potencia superiores a los de los ventiladores axiales.
• Los ventiladores diagonales aspiran aire como un ventilador axial, pero expulsan el flujo de aire en diagonal hacia el eje. Esto permite niveles de compresión similares a los de los ventiladores centrífugos, lo que permite una mayor presión estática con menos turbulencias y mayor eficiencia.

Figura 1: Rangos óptimos de funcionamiento de los tres diseños de ventilador. (Fuente gráfica: ebm-papst)

Ventiladores axiales de última generación

Los ventiladores axiales compactos dominan las aplicaciones de refrigeración de componentes electrónicos porque son fáciles de integrar y ofrecen caudales de aire óptimos. Las carcasas integradas actúan como un embudo de aspiración para la entrada de aire al tiempo que proporcionan un flujo de salida homogéneo sin crear vórtices que aumentarían el ruido.

Los ventiladores axiales tradicionales, sin embargo, se ven a menudo llevados al límite por la necesidad de una capacidad de refrigeración cada vez mayor y diseños más compactos. Los diseñadores que buscan aumentar la capacidad de refrigeración con ventiladores axiales tradicionales suelen confiar en los ventiladores axiales compactos de dos etapas con rotores contrarrotatorios para proporcionar la alta presión necesaria para una refrigeración uniforme en todo el gabinete. Sin embargo, esto aumenta el consumo de energía y el ruido de funcionamiento.

El innovador líder en ventiladores y motores ebm-papst ha desarrollado un ventilador compacto diagonal, DiaForce, que supera estos obstáculos y está destinado a satisfacer los exigentes requisitos futuros de la refrigeración de componentes electrónicos. El aire fluye a través de los ventiladores DiaForce en ambas direcciones, axial y radial, lo que permite una unidad de ventilador axial compacta que ofrece el rendimiento de un ventilador contrarrotatorio con menos ruido y una demanda de potencia significativamente menor.

Los ventiladores DiaForce integran un motor de rotor externo de última generación directamente con el impulsor axial y pueden suministrar el potente caudal de aire de un ventilador axial con la mayor capacidad de contrapresión de un ventilador centrífugo (figura 2). La geometría exclusiva del impulsor y la carcasa minimiza las turbulencias en la zona de los bordes para reducir el ruido y utiliza una abertura de salida del impulsor mayor que la abertura de admisión para crear flujo de aire tanto en dirección axial como radial.

Figura 2: Comparación directa entre un ventilador compacto axial de una etapa (a), un ventilador compacto axial de dos etapas (b) y el nuevo ventilador compacto diagonal DiaForce (c). (Fuente de la foto: ebm-papst)

ebm-papst desarrolló el ventilador compacto diagonal DiaForce para los requisitos de alta disponibilidad que tipifican aplicaciones como servidores de centros de datos, comunicaciones estándar 5G, vehículos autónomos y servicios en la nube.

La geometría de los ventiladores DiaForce minimiza las turbulencias y permite un aumento de presión superior al de los ventiladores axiales estándar. Según ebm-papst, DiaForce es seis dB(A) más silencioso que un ventilador axial compacto convencional -con hasta un 50% más de rendimiento de aire² - dentro de las mismas dimensiones que un ventilador axial convencional. Cumple las especificaciones DIN ISO 1940 para el equilibrado dinámico en dos planos.

A diferencia de los ventiladores convencionales de una etapa, la velocidad a la que funcionan los ventiladores DiaForce puede aumentarse para adaptarse a condiciones adversas, como un aumento de la temperatura del entorno exterior. Los motores electrónicamente conmutados (EC) de alta eficiencia que impulsan los ventiladores DiaForce funcionan con un nivel de eficiencia de hasta el 90%, en comparación con el nivel de eficiencia de entre el 20% y el 70% de los motores de CA. Los motores EC permiten velocidades infinitamente variables y pueden proporcionar los niveles de salida de los motores de CA o CC en un factor de forma más pequeño.

El DiaForce120 Standard (número de pieza 8315100198) ofrece una refrigeración potente con un consumo de energía y un ruido mínimos. Está disponible en un factor de forma de 119 mm de ancho, 119 mm de alto, 86 mm de fondo y un peso de 980 gramos. En las condiciones de prueba estándar especificadas, proporciona un caudal de aire libre máximo de 680 m³/h y una presión estática máxima de 3.120 Pa. En función del punto de funcionamiento, puede conseguir una reducción del ruido de 6 dB(A) a 12 dB(A), según ebm-papst.

DiaForce está impulsado por un motor de CC de tres hilos y bajo consumo de 500 W y un potente microcontrolador para la regulación inteligente del motor que permite obtener el máximo par de torsión posible en todos los rangos de carga.

Una herramienta de diagnóstico FanCheck integrada y opcional calcula continuamente la vida útil restante realista basándose en el desgaste real experimentado, así como en la temperatura, la velocidad y los parámetros ambientales preestablecidos. Con FanCheck, los fabricantes y clientes pueden eliminar la práctica común de sustituir los ventiladores antes de su vida útil especificada, reduciendo los costos asociados y facilitando la programación de la sustitución para los momentos más oportunos.

Otras opciones de ventiladores DiaForce disponibles son:

• Alarma Go/No Go
• Alarma con límite de velocidad
• Sensor de temperatura exterior
• Sensor de temperatura interna
• Entrada de control analógica
• Protección contra humedad

Conclusión:

A medida que los gobiernos, las empresas y los consumidores demanden una tecnología informática y de redes más eficiente desde el punto de vista energético, los diseñadores de sistemas electrónicos se enfrentarán al reto constante de ofrecer un mayor rendimiento y eficiencia energética. Los ventiladores modernos creados con capacidades de monitorización del estado y con la vista puesta en las necesidades futuras son vitales para afrontar esos retos. El ventilador compacto diagonal DiaForce de ebm-papst puede ayudar a los diseñadores a superar los obstáculos para lograr una mayor capacidad de enfriamiento en diseños más 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/