Qualsiasi componente o sistema che generi calore operativo che possa influenzarne negativamente le prestazioni deve essere raffreddato. Questa è una di quelle semplici regole di ingegneria che si imparano a scuola e che probabilmente si ignorano fino a quando non ci viene assegnato un progetto di gestione termica nel mondo reale.
A meno di limitare la potenza nel sistema, applicare dei dissipatori di calore o utilizzare tubi o piastre fredde, si dovrà usare una ventola per spostare dell’aria e raffreddare l’ambiente. Questo implica una scelta tra una ventola assiale ed una ventola centrifuga. La domanda è, quale design funzionerà meglio per le proprie esigenze? Questo blog ha l’obiettivo di dare dei consigli.
Cosa sono le ventole assiali?
Una ventola assiale ha un albero rotante motorizzato (asse) su cui sono montate pale inclinate che aspirano l’aria all’interno e la spingono in una direzione parallela all’albero. Le ventole assiali sono talvolta chiamate ventole a elica. Si possono anche incontrare i termini ventole tubeaxial o vaneaxial. Queste sono semplicemente ventole assiali fatte per adattarsi ad un condotto.
Le ventole assiali espellono l’aria parallelamente a quella aspirata
Le ventole assiali spostano in modo efficace ed efficiente volumi elevati di aria per raffreddare oggetti o ventilare spazi. Sono disponibili in quasi tutte le dimensioni, dalle grandezza di una scheda madre alla grandezza di una stanza e non richiedono molta potenza per funzionare, a seconda delle dimensioni. Sono disponibili sia nei modelli CA che CC. Le ventole alimentate in corrente alternata (CA) sono solitamente progettate per tensioni sopra 100 volt e utilizzano corrente di linea. Le tensioni delle ventole alimentate a corrente continua (CC) possono essere molto più basse (3, 5, 12, 24 o 48 Vdc) ma sono tipicamente alimentate da un alimentatore o da batterie.
Il flusso d’aria che le ventole assiali forniscono, tuttavia, è a bassa pressione. Questa combinazione di bassa pressione e flusso d’aria ad alto volume è ideale per raffreddare apparecchiature e spazi poiché il flusso d’aria è distribuito uniformemente in un’area definita.
Applicazioni comuni per ventole assiali
Le ventole assiali movimentano grandi volumi di aria in modo efficace ed efficiente e sono comunemente utilizzate per raffreddare sia piccoli che grandi spazi. Possono raffreddare apparecchiature elettroniche o sale computer. Possono essere utilizzate nelle operazioni HVAC, nei condensatori CA, nelle unità di scambio termico o per il raffreddamento in particolari zone di impianti industriali. Le ventole assiali possono funzionare anche come ventole di scarico.
Cosa sono le ventole centrifughe?
Le ventole centrifughe sono talvolta chiamate ventole radiali o ventilatori centrifughi. Hanno un mozzo motorizzato che contiene giranti che spingono l’aria nell’alloggiamento della ventola e da qui questa viene quindi diretta a una presa. Le ventole centrifughe scaricano l’aria ad un angolo di 90 gradi (perpendicolare) alla presa d’aria.
Le ventole centrifughe espellono l’aria a 90° dall’aspirazione
Le ventole centrifughe pressurizzano essenzialmente l’aria all’interno dell’alloggiamento del ventilatore. Producono un flusso d’aria costante e ad alta pressione rispetto alle ventole assiali, ma spostano volumi d’aria inferiori. Sono disponibili con giranti curvi in avanti o indietro per soffiare o aspirare. Le ventole centrifughe espellono l’aria da una cappa, il che consente loro di indirizzare un’area specifica, rendendole migliori per il raffreddamento di una parte particolare di un’applicazione elettronica che genera più calore, come un FET di potenza, DSP o FPGA. Come per le ventole assiali, anche queste sono disponibili nei modelli alimentati sia in corrente alternata che in corrente continua, a seconda dell’applicazione, ma le ventole centrifughe in genere richiedono più potenza per funzionare rispetto alle ventole assiali. Sia i ventilatori centrifughi che le ventole assiali producono rumore acustico ed elettromagnetico, ma i modelli centrifughi sono un po’ più rumorosi di quelli assiali. Poiché entrambi i modelli di ventole utilizzano motori, gli effetti di interferenza elettromagnetica EMI di entrambi possono influire sulle prestazioni del sistema in applicazioni sensibili.
Come le ventole assiali, anche i ventilatori centrifughi sono disponibili in diverse dimensioni, velocità e superfici occupate. Il loro design, con un involucro che circonda le parti in movimento, è affidabile, durevole e abbastanza difficile da danneggiare.
La combinazione di alta pressione con l’erogazione di aria a basso volume rende le ventole centrifughe perfette per spostare l’aria attraverso un’area concentrata come condotte o tubi, o per scarichi o ventilazione.
Applicazioni comuni per ventole centrifughe
Data l’affidabilità e la durata del loro design, le ventole centrifughe possono operare bene in molte applicazioni che funzionano in ambienti difficili e sporchi con particolato, aria calda e gas. Dal momento che sono tipicamente utilizzate con canalizzazioni o tubazioni, funzionano bene negli impianti di condizionamento o asciugatura, anche ad un livello di sistema ridotto. Per l’elettronica, le ventole centrifughe si trovano spesso in piccoli dispositivi come i laptop a causa di come l’aria viene espulsa a 90 gradi dall’aspirazione, portando a una direzionalità più elevata.
Esempio di ventilatore centrifugo utilizzato in un sistema di condotte
Interferenza e rumore creati dalle ventole
Vanno fatte delle considerazioni progettuali iniziali per le interferenze. Tutte le ventole possono generare interferenze elettromagnetiche (EMI) sia dalla ventola stessa (EMI irradiato), sia dai cavi di alimentazione (EMI condotto). Le interferenze possono derivare anche da campi magnetici non controllati (UMF) derivanti dai magneti del motore o dagli avvolgimenti dello statore. A seconda dell’applicazione, l’analisi precoce di questi fattori in fase di progettazione può far risparmiare tempo e denaro. Le ventole alimentate a corrente continua tendono a produrre meno EMI rispetto alle ventole alimentate a corrente alternata.
Le ventole assiali in genere producono meno rumore rispetto ai ventilatori centrifughi
Un po’ di rumore sarà inoltre generato da qualunque ventola in funzione e questo potrebbe essere un fattore da considerare nella progettazione a seconda dell’uso finale. Il rumore varia in base all’applicazione, al posizionamento in un sistema, alla densità dei componenti, alla quantità di aria spostata, alle dimensioni della ventola, ai tipi di cuscinetti utilizzati, ecc. I cuscinetti in una ventola non solo influenzano l’acustica, ma possono anche modificare la durata di vita e le possibili applicazioni. Il rumore può spesso essere mitigato da un migliore posizionamento della ventola, dall’isolamento meccanico o dall’uso di griglie di ingresso dell’aria o diffusori di uscita. Generalmente, maggiore è il CFM, o la quantità di aria spostata, maggiore è il rumore. Tuttavia, una ventola più grande che muove lo stesso CFM di una ventola più piccola tende ad essere più silenziosa. Ancora una volta, le ventole assiali sono tipicamente più silenziose delle ventole centrifughe.
Confronto tra ventole assiali e ventole centrifughe
Le considerazioni di gestione termica per i sistemi che generano calore, in particolare quelle che sono di natura elettronica, devono essere fatte nella fase iniziale della progettazione. Ciò è coerente con le iniziative di risparmio di tempo e costi che cercano di evitare ri-progettazioni. Può anche essere molto utile fare delle considerazioni termiche dovute ai miglioramenti programmati dei componenti durante l’intero ciclo di vita di un prodotto o di un sistema, se questi possono generare calore aggiuntivo.
L’utilizzo di una ventola assiale o di una ventola centrifuga come soluzione di raffreddamento può dipendere da diversi fattori, in base ai pro e ai contro di ciascun design della ventola e da ciò che il proprio sistema richiede. Ecco un breve riassunto delle loro caratteristiche principali:
| Ventole assiali | Ventole centrifughe |
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Domande da porsi quando si deve decidere se scegliere ventole assiali o centrifughe
Prima di specificare il tipo di ventola di raffreddamento necessaria per la progettazione, è necessario rispondere ad alcune domande:
- Quale area bisogna raffreddare?
- Le esigenze di raffreddamento saranno costanti o variabili?
- Che superfici occupate sono presenti nel progetto del dispositivo di raffreddamento?
- Quale potenza sarà disponibile per azionare il dispositivo di raffreddamento?
- Il prodotto funzionerà in un ambiente ostile?
- Il prodotto produrrà gas o particolato di per se?
- Il prodotto o sistema è sensibile all’interferenza elettromagnerica EMI?
- Il livello di rumore udibile prodotto dalla ventola è un problema?
- In che verso verrà montata la ventola?
- Il prodotto è destinato ad un’applicazione ad alta affidabilità?
- Qual è il ciclo di vita previsto del prodotto?
- La riparazione/rilavorazione/manutenzione è un fattore importante?
Conclusioni
Il raffreddamento convettivo delle apparecchiature che generano calore indesiderato può essere gestito efficacemente con ventole assiali o ventole centrifughe. Entrambi i tipi di dispositivi sono stati testati sul campo ed hanno molti anni di utilizzo e miglioramento continuo. I design moderni di entrambi i tipi di ventole incorporano materiali più resistenti, più leggeri e più economici rispetto ai modelli precedenti. La decisione di utilizzare l’una o l’altra ventola si riduce alla fine semplicemente a quella che meglio soddisfa i requisiti del proprio sistema. CUI Devices offre una vasta gamma di ventole assiali a corrente continua e ventilatori centrifughi con una varietà di dimensioni del telaio e valori del flusso d’aria.