omniCOOL: La introducción de un enfoque único para el diseño del ventilador

El aumento de los servicios de datos IoT y Cloud ha colocado a los centros de datos, que alojan los servidores y dispositivos de almacenamiento potente, a la vanguardia de la industria de la electrónica. También es un hecho bien conocido que estos centros de datos generan enormes cantidades de calor, que tiene que ser extraído del equipo crítico, una tarea que normalmente se inicia con un ventilador.

Lo mismo vale para otras aplicaciones de las que dependemos. Los productos como los equipos domésticos, electrodomésticos y maquinaria industrial sólo funcionan correctamente si se mantienen dentro de un determinado rango de temperatura. En otras palabras, los ventiladores juegan un papel muy importante en la vida moderna.

Cojinetes de rodamiento de bolas en comparación con los de manguito

En el núcleo de cada ventilador está el cojinete. Este componente crítico permite que el ventilador gire el rotor y es clave en la determinación de una vida operacional del ventilador, por lo que resulta fundamental para los diseñadores e ingenieros elegir el cojinete adecuado del ventilador para enfriar su aplicación.

Tradicionalmente, esta elección ha sido entre un ventilador con un cojinete de manguito y uno con un cojinete de bola. Ambos tienen sus ventajas, pero escoger uno sobre el otro suele resultar en una disyuntiva en algún punto a lo largo de la línea. Esta es la razón por la que Same Sky ha adoptado un nuevo enfoque para el diseño del cojinete que cubre la brecha entre las versiones de bola y de manguito.

Sin embargo, antes de que veamos cómo funciona este nuevo diseño del ventilador, primero debemos examinar las ventajas e inconvenientes de los manguitos más tradicionales y los tipos de cojinetes de bolas.

Entender el concepto de cojinetes de manguito

El eje en el centro de los ventiladores con cojinetes de manguito gira dentro de un cilindro de tipo "funda" con una capa de aceite que recubre la funda que permite que el eje gire. La función de la funda es mantener el rotor en la posición correcta, asegurándose de que siempre esté a la distancia correcta desde el estator del motor (Figura 1). Los cojinetes son el diseño más rentable de los dos diseños tradicionales y responden mejor en las aplicaciones que experimentan golpes y vibraciones. Sin embargo, su diseño ofrece varios inconvenientes.

Figura 1: Diagrama de un típico ventilador de cojinete de manguito (fuente de la imagen: Same Sky)

Para minimizar la oscilación del rotor, el manguito debe encajarse alrededor del eje, pero mientras mayor sea esta área de contacto, más tendrá que superar la fricción y más se tarda en arrancar el ventilador. Esto significa que se requiere más energía, tanto para arrancar el ventilador como para mantenerlo girando.

Otro problema con el diseño del manguito es que el peso del rotor es apoyado exclusivamente por el eje en el manguito. Por consiguiente, a medida que éste gira, gradualmente se desgasta el interior del cojinete, distorsionando la forma del orificio. Si el ventilador se utiliza siempre en la misma orientación, se comenzará a desarrollar una sección transversal ovalada en el manguito, lo cual puede hacer que el ventilador se torne ruidoso y provocar oscilación.

Este problema de desgaste del cojinete puede ser peor si se requiere que el ventilador opere en diferentes ángulos, como podría ser el caso de los equipos portátiles. Con la fuerza de gravedad tirando de la masa del rotor en direcciones diferentes, dependiendo del ángulo de uso, el manguito se desgasta de forma desigual, lo que puede exacerbar los problemas de ruido y de oscilación.

En última instancia, este desgaste acorta la vida útil del cojinete y, dependiendo de su diseño, posiblemente toda la unidad del ventilador o incluso el producto que se está enfriando.

Además, el lubricante mencionado anteriormente que es necesario para mantener una rotación de giro, normalmente se proporciona mediante la inclusión de un anillo de aceite y arandela de Mylar en ambos extremos del orificio del cojinete. Estos componentes están destinados a combatir la fricción, pero la realidad es que su presencia se suma a la fricción. Además, su ubicación hace que sea más difícil escapar a los gases generados por la fricción rotacional. Si estos gases no se disipan, se convierten en partículas de nitruro sólidas, que obstruyen el cojinete, impidiendo la rotación y acortando su vida útil.

Fundamentos de los cojinetes de bolas

Los ventiladores con cojinetes de bolas (Figura 2) normalmente tienen dos anillos de pequeñas bolas de acero que rodean el eje, unas más cerca del rotor que las otras. Un anillo de resortes los presiona aparte. Esta configuración ayuda a afrontar los problemas de inclinación del rotor y el desgaste desigual que se obtiene con cojinetes de manguito. La razón para ello es que el peso del rotor descansa sobre el cojinete de bolas más cercano al rotor, pero los resortes ayudan a compensar cualquier inclinación que pueda ocurrir como resultado de la gravedad tirando hacia abajo sobre el rotor. Esto significa que un ventilador con cojinetes de bolas puede ser utilizado en cualquier ángulo, haciendo que este diseño sea una elección superior para los dispositivos portátiles. El menor desgaste de los cojinetes también significa que el tiempo medio entre fallos (MTBF) normalmente será mucho mayor con un diseño basado en el cojinete de bolas en lugar de con una variante con manguito.

Figura 2: Diagrama de un típico ventilador de cojinete de bolas (fuente de la imagen: Same Sky)

Mientras que los cojinetes de bolas reducen la cantidad de fricción que se debe superar para poner en marcha y hacer funcionar el motor del ventilador, son más costosos, más ruidosos, más complejos y menos resistentes al impacto que los cojinetes de manguito.

Sistema omniCOOL™: Cubriendo la brecha

Para minimizar la necesidad para los diseñadores de hacer concesiones cuando se especifica un ventilador, el sistema omniCOOL™ de Same Sky (Figura 3) pretende salvar la brecha en la relación costo-rendimiento al incorporar dos elementos clave en el diseño del ventilador: un rotor equilibrado magnético y una mejor estructura del cojinete de manguito.

Figura 3: Diagrama del sistema omniCOOL de Same Sky (fuente de la imagen: Same Sky)

Gracias a la estructura magnética, el rotor se convierte efectivamente en un trompo que nunca se cae y puede trabajar en cualquier ángulo. Esto es porque la estructura magnética del sistema se encuentra en frente del rotor y uniformemente atrae todo alrededor, no importa en qué ángulo el ventilador esté operando.

Una tapa de soporte en la punta del eje lo mantiene en su lugar, formando el punto alrededor del cual gira el rotor, al igual que la punta de un trompo.

Este enfoque, utilizando la estructura magnética, significa que el peso del rotor no es soportado por el manguito del cojinete, sino por fuerzas magnéticas, que suspenden el rotor en el aire. Esto reduce la fricción entre el interior del cojinete y el eje. También reduce los problemas de inclinación y oscilación que ofrecen los cojinetes de manguito tradicionales.

Aunque la estructura magnética reduce significativamente la cantidad de contacto entre el interior del cojinete y el eje giratorio, el sistema omniCOOL también incluye una funda especialmente endurecida para proporcionar mayor resistencia contra cualquier abrasión que todavía pueda ocurrir. El diseño de la funda mejorada también proporciona resistencia térmica hasta 90 °C, que es más que lo que pueden tolerar la mayoría de los cojinetes de manguito. Las pruebas muestran que esta mejora, el cojinete endurecido, tiene una vida útil significativamente más larga que un cojinete de manguito tradicional: 3,2 veces más a 70°C y tanto como 5,5 veces más a 20°C (Figura 4).

Figura 4: Comparación de la esperanza de vida de un cojinete de manguito tradicional y el sistema omniCOOL (fuente de la imagen: Same Sky)

La otra diferencia clave entre el cojinete mejorado del sistema omniCOOL y el cojinete de manguito estándar es la ausencia de los anillos de aceite y arandelas de Mylar. Con las fuerzas magnéticas reduciendo la abrasión, el lubricante ya no es necesario, por lo tanto, estos componentes se pueden quitar. De este modo, se reduce la fricción, lo que a su vez reduce el ruido y la cantidad de energía necesaria para arrancar y hacer girar el motor. También significa que los gases generados por la fricción rotacional quedan libres de escapar, en lugar de solidificarse y bloquear el cojinete.

Una nueva alternativa a los tradicionales diseños de ventilador

La combinación de tecnologías encontradas en el sistema omniCOOL cierra la brecha entre los cojinetes de manguito y los de bola, proporcionando un ventilador sin ruidos, fuerte y duradero que es adecuado para su uso en cualquier ángulo y más rentable que los diseños de cojinete de bolas. Para los ingenieros, esto ofrece una nueva alternativa para refrigerar los equipos electrónicos sin los tradicionales compromisos.

Ver la la línea de ventiladores axilales CC y refrigeradores con sistema omniCOOL de Same Sky.