Un ventilateur axial déplace de grands volumes d'air le long de son axe de rotation à faible pression statique et constitue le bon choix pour les chemins de refroidissement ouverts et dégagés. Un ventilateur centrifuge, également appelé ventilateur soufflant, redirige l'air à un angle de 90 degrés et crée une pression statique élevée, ce qui en fait le bon choix lorsque le flux d'air doit traverser des composants denses, des conduits étroits ou des enceintes étroitement restreintes. Pour les décisions de refroidissement électronique et de gestion thermique, la règle la plus utile est la suivante : si votre système a une faible impédance système et a besoin d'un débit d'air maximal en CFM (pieds cubes par minute), utilisez un ventilateur axial ; si votre système a une impédance élevée provenant de filtres, de dissipateurs thermiques ou de canaux contraints, utilisez un ventilateur centrifuge ou un ventilateur soufflant. Tout le reste dans la sélection des fans est un raffinement de ce principe fondamental.
| Critère | Ventilateur axial | Ventilateur centrifuge |
|---|---|---|
| Direction du flux d'air | Parallèle à l'axe de l'arbre | Perpendiculaire, sortie à 90 degrés |
| Capacité de pression statique | Faible, généralement 0,05 à 0,5 pouces H2O | Élevé, généralement 0,5 à 5 pouces H2O ou plus |
| Débit d'air en CFM (pieds cubes par minute) | Élevé pour une taille de cadre donnée | Modéré, échangé contre de la pression |
| Profil et montage | Mince, en ligne, se monte sur écran plat | Plus grand, à décharge latérale, convient aux enceintes étroites |
| Niveau de bruit | Inférieur à débit d'air équivalent | Plus élevé en raison de la pointe de la lame et des turbulences du défilement |
| Meilleure application | Boîtiers ouverts, ventilateurs de boîtier, ventilation des racks | Ordinateurs portables, projecteurs, dispositifs médicaux, ventilateurs de serveurs |
Un Ventilateur axial fonctionne en faisant tourner un ensemble de pales inclinées autour d’un moyeu central. Lorsque les pales tournent, elles agissent sur l'air de la même manière qu'une hélice agit sur l'air ou l'eau, poussant le fluide dans la direction indiquée par l'arbre. Ceci définit la direction du flux d'air des ventilateurs axiaux : l'air entre axialement dans la face du ventilateur, c'est-à-dire directement dans les pales en rotation, et sort dans la même direction axiale de l'autre côté. Il n'y a aucun changement dans la direction du flux, c'est pourquoi les installations de ventilateurs axiaux sont simples à intégrer et pourquoi elles dominent partout où un chemin de flux d'air direct est disponible.
La géométrie des pales d’un ventilateur axial est le principal déterminant de ses performances. Un angle d'inclinaison de pale plus élevé déplace plus d'air par tour, mais augmente également la charge sur le moteur et les turbulences derrière la pale, ce qui augmente le bruit. La plupart des produits de ventilateurs axiaux commerciaux pour le refroidissement de l'électronique utilisent un pas de pale optimisé pour le meilleur équilibre entre le débit d'air en CFM (pieds cubes par minute) et la puissance acoustique à une vitesse de rotation donnée, c'est pourquoi la fiche technique montre toujours les chiffres du débit d'air et du bruit ensemble plutôt que l'un ou l'autre isolément.
Quel est l’avantage d’utiliser un ventilateur axial ? Les principaux avantages sont un débit d'air élevé par rapport à la taille physique du cadre du ventilateur, un profil axial fin qui s'adapte entre les panneaux et un coût nettement inférieur à celui d'un ventilateur centrifuge comparable de même diamètre. Un ventilateur axial de 120 mm fonctionnant à 2 000 tr/min fournit généralement 60 à 110 CFM (pieds cubes par minute) tout en consommant seulement 3 à 7 watts, ce qui le rend extrêmement économe en énergie pour le volume d'air déplacé. Un deuxième avantage important est que plusieurs unités de ventilateurs axiaux peuvent être empilées en série ou disposées en parallèle sur un panneau pour augmenter le débit d'air ou la pression sans avoir besoin d'un ensemble de ventilateur centrifuge plus grand et plus coûteux.
La limitation du ventilateur axial est précisément sa faible capacité de pression statique. À mesure que l'impédance du système augmente, ce qui signifie que le chemin du flux d'air devient plus obstrué, le CFM (pieds cubes par minute) délivré par le ventilateur axial diminue fortement. Ceci est visible sur n'importe quelle courbe de ventilateur pour un ventilateur axial : la courbe descend fortement à mesure que la contre-pression augmente, et le ventilateur atteint sa pression de décrochage à une valeur relativement faible par rapport à un ventilateur centrifuge du même diamètre.
Comment fonctionne un ventilateur centrifuge ? Un Ventilateur centrifuge , également commercialisé en tant que ventilateur soufflant dans de nombreuses gammes de produits électroniques, aspire l'air axialement à travers une entrée au centre de sa turbine, puis accélère cet air radialement vers l'extérieur en utilisant la force centrifuge pendant que la turbine tourne. L'air est projeté vers le bord extérieur du boîtier de la volute ou de la volute, où l'énergie cinétique est convertie en pression, puis l'air sort par un seul orifice de décharge orienté à 90 degrés par rapport à l'entrée. Ce changement fondamental dans la direction du flux est ce qui donne au ventilateur centrifuge son avantage déterminant : il peut générer une pression statique bien plus élevée qu'un ventilateur axial du même diamètre car le boîtier à volute capture la vitesse radiale de l'air et la convertit en hauteur de pression utilisable.
Les ventilateurs centrifuges sont-ils plus puissants ? En termes de génération de pression, oui. Les ventilateurs centrifuges à haute pression statique peuvent générer 5 à 10 fois la pression statique maximale d'un ventilateur axial de taille comparable. , c'est pourquoi ils sont spécifiés chaque fois que le flux d'air doit traverser un noyau d'échangeur de chaleur, un filtre dense, un ensemble de circuits imprimés très serrés ou un conduit long et étroit où l'impédance du système est élevée. Le compromis est qu'un ventilateur centrifuge est physiquement plus grand qu'un ventilateur axial de même diamètre d'entrée, consomme plus d'énergie à débit d'air équivalent contre résistance et produit généralement un profil de bruit plus tonal en raison de l'interaction des pales dépassant le point de coupure de décharge fixe dans le boîtier à spirale.
Les formes des pales des pales des ventilateurs centrifuges varient considérablement et chaque forme produit un équilibre différent entre pression, débit et efficacité. Les pales incurvées vers l'arrière sont la forme la plus efficace et sont standard dans les ventilateurs de refroidissement électroniques hautes performances car elles ne surchargent pas, ce qui signifie que la consommation électrique du moteur n'augmente pas si la résistance du système chute de manière inattendue. Les pales incurvées vers l'avant déplacent plus d'air à basse pression et sont courantes dans les ventilateurs de CVC et d'appareils grand public. Les lames plates inclinées vers l'arrière offrent un terrain d'entente et sont plus faciles à fabriquer, ce qui les rend rentables pour les applications de milieu de gamme.
| Type de lame | Capacité de pression | Efficacité | Application commune |
|---|---|---|---|
| Courbé vers l'arrière | Élevé | Élevéest, non overloading | Souffleurs de serveurs, dispositifs médicaux, instruments de précision |
| Courbé vers l'avant | Faible à modéré | Modéré | CVC, appareils grand public, environnements à faible bruit |
| Plat incliné vers l'arrière | Modéré | Bon | Ventilation industrielle, électronique milieu de gamme |
| Plat radial | Très élevé | Inférieur | Manutention de matériaux, applications d'air sale |
La sélection efficace d'un ventilateur nécessite une compréhension claire de quatre grandeurs interdépendantes : la pression statique, le débit d'air, le CFM (pieds cubes par minute) et l'impédance du système. Les confondre ou les traiter isolément est la cause première de la plupart des pannes de refroidissement dans le développement de produits électroniques.
La pression statique est la force par unité de surface qu'un ventilateur exerce sur l'air qu'il déplace, mesurée en pouces de colonne d'eau (en H2O) ou en Pascals (Pa). Lorsqu'un ventilateur pousse l'air à travers un chemin restreint, il doit surmonter la résistance de ce chemin, et la pression statique est la monnaie qu'il utilise pour ce faire. Un ventilateur qui génère 0,1 pouce H2O de pression statique maximale fournira un débit d'air proche de zéro si le système qu'il alimente nécessite 0,15 pouce H2O pour surmonter sa résistance.
Le débit d’air est le volume d’air déplacé par unité de temps. Dans l'ingénierie nord-américaine et dans la plupart des fiches techniques de l'électronique, cela est exprimé en CFM (pieds cubes par minute), tandis que les fiches techniques métriques utilisent des mètres cubes par heure (m3/h) ou des litres par seconde (L/s). Un ventilateur axial standard de 80 mm fonctionnant à 2 500 tr/min délivre généralement 25 à 40 CFM (pieds cubes par minute) en air libre, mais peut fournir seulement 10 à 15 CFM (pieds cubes par minute) lorsqu'il est installé à l'intérieur d'un boîtier d'ordinateur avec une impédance système modérée. Cet écart entre les performances de l'air libre et les performances installées est à l'origine de nombreuses erreurs de gestion thermique.
L'impédance du système, parfois appelée résistance du système, est la chute de pression totale dans tous les composants du trajet du flux d'air à un débit donné. Chaque élément du chemin, grilles, filtres, dissipateurs thermiques, espaces de carte PCB, faisceaux de câbles, ajoute à l'impédance du système. À mesure que le débit d'air augmente, l'impédance du système augmente à peu près avec le carré de la vitesse d'écoulement, c'est pourquoi les courbes de résistance du système sur un graphique de courbe de ventilateur apparaissent sous la forme de lignes paraboliques plutôt que de lignes droites. Le point de fonctionnement de tout ventilateur dans n'importe quelle enceinte réelle est l'intersection de la courbe pression/débit du ventilateur avec la courbe de résistance du système.
Comprendre les courbes des ventilateurs, le débit d'air et la pression statique est la compétence la plus précieuse en pratique dans le travail de gestion thermique et de sélection des ventilateurs. Une courbe de ventilateur est un graphique à deux axes où l'axe horizontal indique le débit d'air en CFM (pieds cubes par minute) et l'axe vertical indique la pression statique. Chaque ventilateur a une courbe caractéristique qui commence à la pression statique maximale lorsque le débit est nul, se courbe vers le bas à mesure que le débit augmente et se termine au débit d'air libre maximal lorsque la pression statique est nulle.
La courbe de résistance du système est superposée sur le même graphique. Il commence à l’origine (débit nul, pression nulle) et s’incurve vers le haut à mesure que le débit augmente. Le point où les deux courbes se croisent est le point de fonctionnement : le débit d'air réel et la pression statique auxquels le ventilateur fonctionnera dans cette installation spécifique. Le déplacement de ce point de fonctionnement est la tâche centrale de la sélection du ventilateur et de la conception thermique.
Pour un ventilateur axial, la courbe du ventilateur diminue fortement à mesure que la contre-pression augmente. Cela signifie qu'un ventilateur axial fonctionnant près de son point de pression de décrochage fournit très peu de CFM (pieds cubes par minute) réels, même s'il tourne à pleine vitesse et consomme toute la puissance. Pour un ventilateur centrifuge, la courbe de pression est plus plate sur une plage de débits plus large, ce qui signifie que le ventilateur centrifuge maintient un débit d'air utile même lorsque l'impédance du système augmente. Cette différence de forme de courbe est la principale raison pratique de choisir un ventilateur centrifuge pour les conceptions à espace restreint : non seulement parce qu'il génère une pression statique maximale plus élevée, mais parce qu'il maintient cette pression dans une gamme plus large de conditions de fonctionnement.
La plupart des fiches techniques des ventilateurs incluent également une courbe de puissance et parfois une courbe de bruit sur le même graphique. La lecture des trois ensemble donne une image complète de ce que le ventilateur fournira réellement au point d'impédance système spécifique de l'application cible, plutôt que les chiffres optimistes de l'air libre qui apparaissent dans les résumés marketing. Les ingénieurs thermiques qui sautent cette étape et dimensionnent les ventilateurs uniquement en fonction du nombre de CFM (pieds cubes par minute) d'air libre constatent systématiquement que leurs constructions chauffent plus que prévu une fois assemblées, car le débit d'air installé est toujours inférieur au débit d'air libre.
La différence entre les ventilateurs axiaux et centrifuges s'étend bien au-delà de la direction du flux d'air et de la capacité de pression. Comprendre l'ensemble des différences permet à un ingénieur en gestion thermique ou à un concepteur de produits de prendre une décision de sélection de ventilateur en toute confiance sans choisir par défaut le type de ventilateur utilisé lors du projet précédent.
| Attribut | Ventilateur axial | Ventilateur centrifuge |
|---|---|---|
| Direction du flux d'air | Axial, entrée et sortie en ligne | Radial, sortie 90 degrés vers l'entrée |
| Pression statique maximale | 0,05 à 0,5 pouces H2O typique | 0,5 à 5 pouces H2O typique |
| Air libre CFM (pieds cubes par minute) | Élevé for frame size | Inférieur, pressure prioritized |
| Taille physique | Mince, égale à la profondeur de la lame | Plus grand, comprend un boîtier de défilement |
| Empreinte | Carré, correspond à la découpe du panneau | Asymétrique, la décharge s'étend sur un côté |
| Sensibilité à la contre-pression | Élevé, airflow drops sharply | Faible, maintient le débit sur une plage plus large |
| Caractère du bruit | Haut débit, dBA généralement inférieur | Fréquence de passage de la lame tonale, dBA plus élevé |
| Coût unitaire | Inférieur | Élevéer |
Un aspect souvent négligé de la différence entre les ventilateurs axiaux et centrifuges est le comportement lorsque la résistance du système change pendant le fonctionnement. Un serveur avec un filtre à air obstrué présente une impédance système plus élevée à ses ventilateurs qu'un serveur propre. Dans cette situation, un ventilateur axial perd rapidement le flux d'air et la température du processeur augmente, déclenchant potentiellement une limitation thermique ou un arrêt. Un ventilateur centrifuge dans la même situation maintient une plus grande partie de son débit d'air contre la résistance accrue, donnant au système plus de marge thermique avant qu'une condition de panne ne soit atteinte. Cette robustesse face aux différentes impédances du système est l'une des principales raisons pour lesquelles les OEM de serveurs et de stockage préfèrent souvent les modules de ventilateurs centrifuges dans les déploiements haute densité.
La décision entre un ventilateur axial et un ventilateur centrifuge pour le refroidissement des composants électroniques se résume à quatre questions pratiques auxquelles il est possible de répondre rapidement au cours de la première phase de conception, avant le début de toute simulation thermique ou test de prototype.
Pour un boîtier d'ordinateur de bureau doté de grands panneaux maillés, plusieurs ventilateurs axiaux de 120 mm ou 140 mm sur l'admission avant et l'échappement arrière sont presque universellement la bonne réponse. Pour un serveur rack 1U avec des matrices de cartes PCB denses et un profil fin qui limite le diamètre du ventilateur, une paire de modules de ventilateur centrifuge haute vitesse dans un agencement push ou pull est la bonne solution. Pour un ordinateur portable doté d'une chambre à vapeur en cuivre très fine et d'ailettes de dissipateur thermique à pas fin, un seul ventilateur soufflant aspirant l'air sous le clavier et l'évacuant par le bord arrière est la seule configuration qui répond physiquement simultanément aux exigences thermiques et géométriques.
La comparaison du niveau de bruit des ventilateurs axiaux et centrifuges nécessite de distinguer deux scénarios différents : les systèmes ouverts à l'air libre et les systèmes installés restreints. Dans un système ouvert à l'air libre, le ventilateur axial gagne presque toujours en termes d'acoustique car il déplace un grand volume d'air à bas régime et le bruit évolue fortement avec la vitesse de rotation et la vitesse de pointe des pales. Un ventilateur axial de 120 mm délivrant 60 CFM (pieds cubes par minute) dans un boîtier ouvert produit généralement 25 à 35 dBA, ce qui est considéré comme silencieux dans la plupart des environnements grand public et de bureau.
Dans un système installé avec une impédance système importante, la comparaison du niveau de bruit des ventilateurs axiaux et centrifuges s'inverse. Le ventilateur axial, obligé de lutter contre la contre-pression, accélère jusqu'au régime maximum pour maintenir tout flux d'air utile et génère un bruit considérable à large bande dû au décrochage des pales et aux turbulences. Le ventilateur centrifuge, faisant le même travail contre la même résistance avec sa courbe de pression typiquement plate, fonctionne à une fraction inférieure de sa vitesse maximale et produit moins de puissance acoustique totale même si son bruit par tr/min est plus élevé que le ventilateur axial. Dans un système restreint, un ventilateur centrifuge correctement sélectionné fonctionnant à 60 à 70 pour cent de la vitesse maximale peut fournir le même CFM (pieds cubes par minute) de refroidissement qu'un ventilateur axial fonctionnant à 95 pour cent de la vitesse maximale, avec un avantage acoustique significatif dans la plupart des mesures.
Le caractère sonore tonal d’un ventilateur centrifuge mérite une attention particulière dans toute application acoustiquement sensible. La fréquence de passage des pales, le son produit chaque fois qu'une pale de turbine dépasse le seuil de décharge fixe dans la spirale, est perçue par la plupart des auditeurs comme plus gênante que le sifflement à large bande d'un ventilateur axial au même niveau total de dBA. Les ingénieurs en gestion thermique dans les domaines de l'électronique grand public, des appareils médicaux et des produits de bureau à domicile préfèrent souvent le ventilateur axial précisément pour cette raison, même dans les systèmes modérément restreints, acceptant un régime légèrement plus élevé en échange d'un bruit moins perceptible pour les utilisateurs finaux.
Les ventilateurs de refroidissement basse pression à débit d'air élevé sont le domaine naturel du ventilateur axial, et spécifier autre chose dans ce scénario signifie payer plus pour moins de performances. Les applications qui présentent véritablement une faible impédance système et nécessitent le maximum de CFM (pieds cubes par minute) possible à partir de l'espace disponible du panneau comprennent les boîtiers d'ordinateurs de bureau à tour ouverte, les armoires de télécommunication extérieures avec de grandes portes à persiennes, le refroidissement des panneaux de commande industriels où le boîtier est profond et bien ventilé, et les unités de refroidissement au niveau des rangées de centres de données où l'air circule à travers de grands espaces ouverts entre les racks de serveurs.
Pour ces applications de ventilateurs de refroidissement basse pression à haut débit d'air, un ventilateur axial de 120 mm ou 140 mm à 1 200 à 1 800 tr/min offre la meilleure combinaison disponible en termes de débit d'air, de bruit, de consommation d'énergie et de coût. L'empilage de deux ventilateurs axiaux en série dans le même conduit double à peu près la pression statique avec seulement une légère pénalité de débit d'air, ce qui est utile lorsqu'un système autrement ouvert présente un seul goulot d'étranglement, tel qu'une pile d'ailettes de dissipateur thermique dense, à travers laquelle les ventilateurs doivent pousser l'air avant que le reste du chemin ne s'ouvre à nouveau.
Les ventilateurs centrifuges à haute pression statique occupent une zone de performances spécifique que les ventilateurs axiaux ne peuvent réellement pas atteindre, quel que soit leur nombre disposé en série. Lorsque l'impédance du système dépasse environ 0,5 à 0,8 pouces H2O sur l'ensemble du trajet de refroidissement, les ventilateurs centrifuges à haute pression statique sont la seule solution à ventilateur unique qui fournit un flux d'air adéquat. Ce seuil est couramment franchi dans les catégories de produits suivantes.
Choisir le meilleur ventilateur de refroidissement pour les racks de serveurs haute densité nécessite d'équilibrer la pression statique, le débit d'air en CFM (pieds cubes par minute), les contraintes physiques, la redondance et la facilité d'entretien d'une manière que la gestion thermique des ordinateurs de bureau ou des postes de travail n'exige pas. Les racks de serveurs haute densité dissipent généralement 20 à 40 kW ou plus par rack, ce qui signifie que les besoins en flux d'air sont mesurés en centaines de CFM (pieds cubes par minute) par serveur 1U ou 2U, et les ventilateurs qui entraînent ce flux d'air sont parmi les composants les plus sollicités de l'ensemble du centre de données.
Pour les serveurs rack 1U, la solution dominante dans l'industrie est un ensemble de 4 à 7 modules de ventilateurs centrifuges à double rotor disposés à l'arrière du châssis du serveur, chaque module étant contrôlé indépendamment et remplaçable à chaud pour une redondance N plus 1. Ces modules utilisent des turbines incurvées vers l'arrière tournant entre 15 000 et 25 000 tr/min et fournissant 15 à 30 CFM (pieds cubes par minute) chacune contre l'impédance système de 0,8 à 2,0 pouces H2O présentée par un serveur 1U densément chargé. Un ventilateur axial de ce diamètre et de cette vitesse calerait complètement face à ce niveau de contre-pression et ne délivrerait pratiquement aucun flux d'air.
Pour les serveurs 2U et plus grands avec un diamètre de ventilateur plus disponible, les unités de ventilateur axial plus grandes dans la gamme 60 à 80 mm deviennent pratiques dans certaines architectures, en particulier lorsque le serveur utilise une conception de fond de panier ouvert où le flux d'air circule à travers de grandes ouvertures de cage à cartes avec une impédance système relativement faible. Cependant, même dans ces cas, les principaux fabricants de serveurs hyperscale se sont tournés vers les modules de ventilateurs centrifuges dans la plupart de leurs gammes de produits en raison de leur stabilité de performances supérieure dans toute la gamme de charges de filtre et de conditions thermiques rencontrées dans le fonctionnement réel d'un centre de données.
Résumé du meilleur ventilateur de refroidissement pour les racks de serveurs haute densité par facteur de forme du serveur :
| Facteur de forme du serveur | Densité de puissance typique | Type de ventilateur recommandé | Impédance typique du système |
|---|---|---|---|
| Serveur rack 1U | 200 à 500 W par unité | Ventilateur centrifuge modules, N plus 1 array | 0,8 à 2,0 pouces H2O |
| Serveur rack 2U | 300 à 800 W par unité | Ventilateur centrifuge modules or large Axial fan | 0,4 à 1,2 pouces H2O |
| Tour ou stockage 4U | 200 à 600 W par unité | Ventilateur axial array with ducting | 0,1 à 0,5 pouces H2O |
La sélection d'un ventilateur centrifuge pour les conceptions à espace restreint est un processus qui diffère considérablement de la sélection générale d'un ventilateur, car les contraintes physiques de l'enceinte l'emportent souvent sur les préférences aérodynamiques pures et obligent l'ingénieur à optimiser dans un espace de solution étroitement délimité.
Le premier paramètre à établir lors de la sélection d'un ventilateur centrifuge pour des conceptions à espace restreint est le diamètre d'entrée maximum disponible, puisque le diamètre de la roue est le plus grand déterminant de la capacité de pression et de débit. Même quelques millimètres de diamètre d'entrée supplémentaire modifient considérablement ce qu'un ventilateur centrifuge peut offrir. Pour un ordinateur portable avec une hauteur de ventilateur disponible de 8 mm, le choix peut être limité à une turbine de 50 à 65 mm de diamètre, et l'ensemble de la conception thermique doit être construit autour de ce que cette taille de ventilateur peut réellement réaliser.
Le deuxième paramètre est la direction de refoulement et la taille de l'orifice, puisque le refoulement d'un ventilateur centrifuge doit s'aligner avec l'orifice d'échappement du boîtier. La plupart des conceptions de ventilateurs centrifuges pour ordinateurs portables fins s'évacuent à travers une fente étroite le long d'un bord du boîtier, et la géométrie du boîtier à volutes doit acheminer la décharge précisément vers cette fente sans courbures inutiles qui ajouteraient de la résistance et réduiraient le débit d'air délivré.
Un guide de conception thermique pour le refroidissement des boîtiers d'ordinateurs doit aborder la sélection du type de ventilateur, la conception du chemin de circulation d'air et l'interaction entre eux en tant que système intégré plutôt que de traiter le ventilateur comme une décision de composant isolé. Un ventilateur puissant placé dans un chemin de circulation d'air mal conçu donnera des résultats décevants, tandis qu'un ventilateur modeste placé dans un chemin de circulation d'air bien conçu peut dépasser les performances thermiques d'un ventilateur plus puissant luttant contre un flux d'air chaotique ou en recirculation.
Un boîtier ATX tour complète ou moyenne tour avec panneau avant en maille, emplacements pour cartes ouverts et ouverture d'échappement arrière a une faible impédance du système sur le chemin de flux d'air principal. Deux ou trois unités de ventilateurs axiaux de 120 mm ou 140 mm à l'avant aspirant l'air frais, combinées à une ou deux unités de ventilateurs axiaux à l'arrière et au sommet évacuant l'air chaud, créent un gradient de pression positif de l'avant vers l'arrière qui balaie efficacement la chaleur du CPU et du GPU. Cette approche de gestion thermique fonctionne car l'impédance du système est suffisamment basse pour que les unités de ventilateur axial fonctionnent près de leur point d'efficacité maximale sur leurs courbes de ventilateur.
Un boîtier à petit facteur de forme avec un volume interne contraint, des ouvertures de panneau minimales et un GPU avec un ventilateur de refroidissement de style de référence présente une image d'impédance système très différente. Ici, le propre ventilateur du GPU, un ventilateur centrifuge qui aspire l'air au-dessus du PCB et l'évacue directement par la fente du support arrière, est souvent une meilleure solution thermique qu'un refroidisseur de GPU en plein air car il élimine immédiatement la chaleur du boîtier plutôt que de la recirculer dans le volume fermé où il réduit l'efficacité du refroidissement du processeur.
Le guide de conception thermique pour le principe de refroidissement des boîtiers d'ordinateur qui relie tous les facteurs de forme : concevez d'abord le chemin du flux d'air, puis sélectionnez les ventilateurs dont les courbes de ventilateur croisent la courbe de résistance du système au CFM (pieds cubes par minute) requis et à un point éloigné de la région de décrochage. Un ventilateur fonctionnant près du point de décrochage est bruyant, inefficace et offre un refroidissement réel médiocre malgré une consommation d'énergie élevée. Un ventilateur fonctionnant à 50 à 70 % de son débit maximum est silencieux, efficace et dispose d'une marge pour augmenter sa vitesse si les températures augmentent sous charge.
Quand utiliser un ventilateur au lieu d'un ventilateur axial est en fin de compte une question à laquelle répond la combinaison de l'impédance du système et de la géométrie physique, et le fait de suivre la logique ci-dessous évite à la fois la sur-ingénierie et la sous-ingénierie dans tout projet de gestion thermique.
Utilisez un ventilateur soufflant ou un ventilateur centrifuge lorsque l'une des conditions suivantes s'applique :
Utilisez un ventilateur axial lorsque l’une des conditions suivantes s’applique :
La réponse à la question de savoir quand utiliser un ventilateur au lieu d'un ventilateur axial est toujours enracinée dans l'impédance du système : mesurez ou estimez la résistance du trajet du flux d'air, tracez-la sur la courbe du ventilateur de chaque candidat, et le choix correct devient évident à partir de l'endroit où le point de fonctionnement se situe sur chaque courbe. Aucune règle empirique ne remplace cette étape dans un processus sérieux d’ingénierie de gestion thermique.
Quel est l’avantage d’utiliser un ventilateur axial ? Les principaux avantages sont un débit d'air élevé en CFM (pieds cubes par minute) par rapport à la taille physique du cadre du ventilateur, un profil axial fin qui s'adapte directement aux panneaux plats sans boîtier à volute, un bruit plus faible à débit d'air équivalent dans les systèmes ouverts, un coût unitaire inférieur et une plus grande disponibilité dans des tailles standard de 25 mm à 250 mm. Ces avantages font du ventilateur axial le choix dominant pour toute application de refroidissement ouverte à faible impédance système.
Les ventilateurs centrifuges sont-ils plus puissants ? En termes de capacité de pression statique, oui et dans une large mesure : les ventilateurs centrifuges à haute pression statique peuvent produire 5 à 10 fois la pression statique maximale d'un ventilateur axial de taille comparable. En termes de débit d'air libre en CFM (pieds cubes par minute), les ventilateurs axiaux fournissent généralement plus pour un diamètre de cadre et une puissance absorbée donnés. Ce qui est le plus puissant dépend entièrement de ce que demande l’application.
Comment fonctionne un ventilateur centrifuge ? Il aspire l'air axialement au centre d'une turbine en rotation, puis projette cet air radialement vers l'extérieur en utilisant la force centrifuge, convertissant l'énergie cinétique en pression statique à l'intérieur d'un boîtier à volutes avant de l'évacuer à 90 degrés vers l'entrée. Un ventilateur axial déplace l'air directement dans la même direction que la rotation de l'arbre, générant un débit d'air en CFM (pieds cubes par minute) avec une conversion de pression minimale.
La direction du flux d'air des ventilateurs axiaux est parallèle à l'arbre de rotation. L'air entre axialement dans la face des pales en rotation et sort par la face opposée dans la même direction axiale. Ce chemin d'écoulement direct est la caractéristique déterminante qui rend le ventilateur axial simple à intégrer dans les découpes d'écrans plats et les sections de conduits en ligne.
Comprendre les courbes du ventilateur entre le débit d'air et la pression statique révèle la différence pratique la plus importante : la courbe du ventilateur axial diminue fortement à mesure que la contre-pression augmente, ce qui signifie que son CFM (pieds cubes par minute) délivré diminue fortement avec l'augmentation de l'impédance du système. La courbe du ventilateur centrifuge est beaucoup plus plate, maintenant un flux d'air utile sur une plus large plage de contre-pression. Cette différence de forme de courbe, et non seulement la pression maximale ou le débit maximal, est ce qui détermine la différence entre les ventilateurs axiaux et centrifuges dans les applications réelles installées.
Le meilleur ventilateur de refroidissement pour les racks de serveurs haute densité au format 1U est une gamme de modules de ventilateurs centrifuges courbés vers l'arrière fonctionnant entre 15 000 et 25 000 tr/min, déployés dans un arrangement N plus 1 remplaçable à chaud. Ceux-ci fournissent 15 à 30 CFM (pieds cubes par minute) chacun contre l'impédance système de 0,8 à 2,0 pouces H2O typique dans un serveur 1U densément chargé, un niveau de pression statique que les unités de ventilateur axial de diamètres comparables ne peuvent pas égaler.
Quand utiliser un ventilateur au lieu d'un ventilateur axial : choisissez un ventilateur soufflant lorsque l'impédance du système dépasse environ 0,5 pouce H2O, lorsque le boîtier est trop mince pour un ventilateur axial de diamètre adéquat, ou lorsque le flux d'air doit être redirigé à 90 degrés pour sortir par une fente ou un port spécifique. Utilisez un ventilateur axial lorsque l'impédance du système est faible, le CFM (pieds cubes par minute) maximum d'air libre par unité de bruit est la priorité et le coût est une contrainte clé.
L'impédance du système est la résistance totale que le chemin du flux d'air présente au ventilateur. À mesure que l'impédance du système augmente, un ventilateur axial perd rapidement des CFM (pieds cubes par minute) délivrés car sa courbe de ventilateur est raide, tandis qu'un ventilateur centrifuge maintient plus de débit d'air car sa courbe est plus plate. La sélection du ventilateur commence donc par mesurer ou estimer l'impédance du système et par l'adapter au type de ventilateur correct avant de prendre en compte tout autre paramètre.
Dans les systèmes ouverts à faible impédance, la comparaison du niveau de bruit entre les ventilateurs axiaux et les ventilateurs centrifuges favorise le ventilateur axial car il fournit de grands CFM (pieds cubes par minute) à faible régime et à faible dBA. Dans les systèmes restreints à impédance système élevée, la comparaison s'inverse car le ventilateur axial doit atteindre le régime maximum contre la contre-pression tandis que le ventilateur centrifuge couvre la même charge thermique à une fraction inférieure de sa vitesse. Le ventilateur centrifuge a également un caractère de bruit de pale tonal que de nombreux auditeurs trouvent plus ennuyeux que le bruit du ventilateur axial à large bande au même niveau total de dBA.
La sélection d'un ventilateur centrifuge pour les conceptions à espace restreint implique cinq étapes principales : premièrement, mesurer la hauteur maximale disponible et le diamètre d'entrée dans l'enceinte ; Deuxièmement, estimez l'impédance du système pour le dissipateur thermique et le chemin de conduit spécifiques ; Troisièmement, confirmez la direction de décharge et les dimensions de l'orifice pour garantir que l'orientation du boîtier de la spirale correspond à la disposition du boîtier ; quatrièmement, vérifiez la courbe du ventilateur au point de fonctionnement de l'impédance calculée du système pour vérifier que le CFM (pieds cubes par minute) fourni répond aux exigences de gestion thermique ; et cinquièmement, vérifiez la sortie acoustique à la vitesse de fonctionnement par rapport aux spécifications de bruit du produit.
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Ventilateur axial CVC
