Confronto tra ventole assiali e ventole centrifughe

Quando si tratta di affrontare il calore in eccesso in un sistema, le ventole sono una soluzione di gestione termica per eliminare il calore indesiderato e fornire aria più fredda ai componenti critici. Al di là della potenza del sistema, l'aggiunta di dissipatori di calore o l'utilizzo di tubi o piastre fredde, spesso si deve trovare un metodo per generare aria forzata per raffreddare ulteriormente i componenti.

Ciò presenta all'ingegnere la scelta tra una ventola assiale o una centrifuga. Pur non essendo una decisione troppo complessa, questo articolo mira a delineare i principi di funzionamento di base dei due tipi, discute le loro applicazioni e gli usi comuni e riassumere i loro vantaggi e svantaggi.

Principi base e applicazioni delle ventole assiali

A volte dette ventole a girante, le ventole assiali sono caratterizzate da pale inclinate montate su un asse rotante (o albero) azionato da un motore. Le ventole assiali funzionano aspirando l'aria da un lato e forzandola all'esterno dall'altro in una direzione parallela all'asse (Figura 1). Sono anche definite ventole tubo-assiali o pale-assiali, in pratica sono ventole assiali destinate all'inserimento in un condotto.

Figura 1: Direzione di base del flusso d'aria di una ventola assiale. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Le ventole assiali sono disponibili praticamente in qualsiasi dimensione, dal livello di scheda alle dimensioni di una stanza e - sebbene dipenda dalle dimensioni - in genere non richiedono molta potenza per funzionare. Offerte in entrambe le versioni c.a. e c.c., le ventole in c.a. utilizzano la corrente di linea e sono generalmente classificate per oltre 100 V, mentre le ventole in c.c. trasportano tensioni molto più basse nell'intervallo da 3 a 48 V c.c. e sono solitamente guidate da batterie o da un alimentatore.

Il flusso d'aria che producono le ventole assiali è ad alto volume, ma a bassa pressione. Questa uscita ad alto volume e bassa pressione le rende adatte per il raffreddamento di attrezzature in spazi sia piccoli che grandi grazie al flusso d'aria distribuito uniformemente in un'area definita. Le ventole assiali spesso raffreddano i computer o le apparecchiature dei data center, sono utilizzate in HVAC, nei condensatori c.a. o negli scambiatori di calore e sono utilizzate per il raffreddamento dei sistemi industriali. Possono anche servire come ventole di scarico.

Principi base e applicazioni delle ventole centrifughe

Dette anche ventole radiali o soffianti centrifughe, le ventole centrifughe sono caratterizzate da giranti contenute in un mozzo azionato da un motore che aspira l'aria nell'alloggiamento e poi la espelle da un'uscita a un angolo di 90 gradi (perpendicolare) rispetto all'aspirazione (Figura 2).

Figura 2: Direzione di base del flusso d'aria di una ventola centrifuga. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Come dispositivi di uscita ad alta pressione e basso volume, le ventole centrifughe essenzialmente pressurizzano l'aria all'interno dell'alloggiamento, che lavora per produrre un flusso d'aria costante e ad alta pressione, ma a volumi più limitati rispetto alle ventole assiali. Poiché espellono l'aria da un'uscita, sono ideali per indirizzare il flusso d'aria in un'area specifica per raffreddare un componente specifico di un sistema che genera più calore, ad esempio un FET di potenza, DSP o FPGA. Simili alle loro controparti assiali, sono anche disponibili nelle versioni in c.a. e c.c. in varie dimensioni, velocità e ingombri, ma tipicamente consumano più energia. Il loro design chiuso offre una protezione aggiuntiva alle varie parti mobili, rendendole un'opzione affidabile, durevole e resistente ai danni.

Sia le ventole centrifughe che quelle assiali producono un rumore udibile ed elettromagnetico, ma le versioni centrifughe tendono ad essere più rumorose dei modelli assiali. Poiché entrambi i modelli utilizzano motori, gli effetti delle EMI possono avere un impatto sulle prestazioni del sistema in applicazioni sensibili.

L'uscita ad alta pressione e basso volume di una ventola centrifuga la rende infine ideale per il flusso d'aria in aree concentrate come tubi o condotti (Figura 3) o per la ventilazione e lo scarico. Questo significa che funzionano bene nei sistemi di aria condizionata o di essiccazione, mentre la loro durata aggiuntiva ne può consentire il funzionamento in ambienti difficili che hanno a che fare con particolato, aria calda e gas. In termini di applicazioni elettroniche, le ventole centrifughe sono comunemente utilizzate nei computer portatili a causa del loro profilo ribassato e della loro maggiore direzionalità (flusso d'aria espulso a 90 gradi dall'aspirazione).

Figura 3: Ventola centrifuga utilizzata in una condotta. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Considerazioni sulle EMI e sul rumore delle ventole

Le interferenze elettromagnetiche (EMI) generate dalle ventole sono una considerazione progettuale importante da valutare sin all'inizio. Tutte le ventole possono generare EMI irradiate dalla ventola stessa o EMI indotte dai cavi di alimentazione. Anche i campi magnetici incontrollati (UMF) derivanti dai magneti del motore e dagli avvolgimenti dello statore possono causare interferenze. Anche se l'applicazione è specifica, un'attenta considerazione nelle prime fasi della progettazione farà risparmiare tempo e denaro lungo la strada. In generale, le ventole in c.c. creano meno EMI delle omologhe in c.a.

Figura 4: Le ventole assiali tendono a produrre meno rumore delle ventole centrifughe. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Un'altra considerazione progettuale specifica dell'applicazione è il rumore udibile generato dalle ventole. Il rumore varia a seconda dell'applicazione, della densità dei componenti, del posizionamento in un sistema, delle dimensioni del ventola, della quantità di aria spostata, dei tipi di cuscinetti utilizzati, ecc. I cuscinetti di una ventola non solo influenzano l'acustica, ma possono influire sulla durata e sulle potenziali applicazioni. Il rumore udibile può spesso essere mitigato da un migliore posizionamento della ventola, da un isolamento meccanico o dall'uso di griglie di ingresso dell'aria o di diffusori di uscita. Una buona regola generale è che maggiore è la portata o il flusso d'aria, maggiore è il rumore udibile. Detto questo, se una ventola più grande e una più piccola hanno entrambe valori di portata simili, la ventola più grande risulterà tipicamente in una soluzione complessiva più silenziosa. Come accennato in precedenza, le ventole assiali sono di solito più silenziose delle opzioni centrifughe.

Confronto finale

Per concludere, ecco un rapido confronto dei vari vantaggi, svantaggi e caratteristiche delle ventole assiali e centrifughe. Decidere l'opzione migliore dipenderà in ultima analisi dall'applicazione prevista, dallo spazio disponibile e dai requisiti termici generali del sistema finale.

Figura 5: Confronto delle caratteristiche di base delle ventole assiali e centrifughe. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

Mantenere freddi i componenti elettronici che producono calore indesiderato è facile da gestire efficacemente con le ventole assiali o centrifughe. Entrambe sono comprovate sul campo da molti anni e sempre soggette al miglioramento continuo. Same Sky offre un'ampia gamma di ventole assiali e centrifughe in c.c. con telai di varie dimensioni e diverse portate d'aria per aiutare a soddisfare i requisiti termici specifici di un ingegnere.