Refroidissement hautes performances : comment les ventilateurs compacts à flux diagonal changent la donne

Qu'il s'agisse de serveurs cloud ou de dispositifs mobiles, la puissance de l'électronique offre d'immenses avantages aux entreprises, aux consommateurs et aux administrations. Néanmoins, le défi se pose de savoir comment refroidir les composants vitaux le plus efficacement possible pour garantir vitesse, fiabilité et performances de traitement des données.

Des serveurs et des périphériques plus puissants sont essentiels pour tenir les promesses des technologies autonomes, de l'intelligence artificielle et des solutions Internet des objets (IoT) liées à la 5G. La conception de ces systèmes pour garantir les performances et la fiabilité requiert plusieurs approches de gestion thermique, mais les ventilateurs qui échangent l'air chaud et l'air froid sont cruciaux pour la plupart des applications. C'est pourquoi il est extrêmement important pour les concepteurs de systèmes de prévoir des ventilateurs compacts dotés de capacités de refroidissement ultimes avec un minimum de bruit et d'encombrement.

Surmonter les compromis dans la conception de systèmes électroniques

Depuis 1965, les concepteurs de systèmes électroniques sont confrontés aux exigences de refroidissement liées à la densité croissante phénoménale des circuits intégrés, prédite par le futur co-fondateur d'Intel, Gordon Moore.¹ Lorsque les systèmes surchauffent, les composants peuvent s'arrêter ou, pire encore, être endommagés.

L'électricité qui alimente les systèmes électroniques est convertie en chaleur, qui doit être dissipée pour éviter une surchauffe. Aux États-Unis, le refroidissement représente jusqu'à 40 % de la consommation d'énergie des data centers. Outre les data centers, l'edge computing et une grande variété de dispositifs IoT dépendent généralement d'une dissipation de chaleur avancée avec des exigences extrêmes en termes de miniaturisation et de fiabilité. Les solutions de refroidissement pour ce large éventail de systèmes électroniques reposent souvent sur des ventilateurs compacts, écoénergétiques et silencieux, simples à installer et à entretenir.

Les concepteurs de systèmes cherchant à fournir un refroidissement approprié sont continuellement confrontés à des exigences de puissance toujours plus élevées, à des objectifs de rendement énergétique plus rigoureux et à la nécessité de prendre en compte des composants de plus en plus petits. La solution visant à utiliser un ventilateur plus puissant ou à ajouter des ventilateurs supplémentaires n'est pas réaliste en raison de la consommation d'énergie, des limitations d'espace et des contraintes de bruit.

Les concepteurs disposent de trois options de base pour les ventilateurs et peuvent utiliser les principes de la mécanique des fluides numérique (CFD) pour déterminer quelle approche fournit l'équilibre optimal entre la pression et le débit d'air pour répondre aux besoins de leurs applications (Figure 1) :

• Les ventilateurs axiaux déplacent l'air parallèlement à l'axe de l'arbre du moteur rotatif du ventilateur, comme une hélice. Ils conviennent généralement parfaitement aux applications à basse pression et haut débit afin de remplacer l'air chaud par de l'air de refroidissement. Ils sont appréciés pour leur faible profondeur d'installation, leur faible génération de bruit et leur rendement, et constituent une solution idéale pour les serveurs et les périphériques de stockage où chaque centimètre d'espace compte. Des angles de flux plus importants par rapport aux pales peuvent générer plus de pression, mais cela peut entraîner une augmentation des turbulences et du bruit ainsi qu'une réduction du rendement énergétique.
• Les ventilateurs centrifuges — ou radiaux — dévient l'air à un angle de 90° par rapport à l'arbre et peuvent créer plus de pression avec des débits plus faibles que les ventilateurs axiaux. Ils sont donc parfaits pour diriger l'air dans les conduits de ventilation, par exemple pour le refroidissement des data centers, ou pour des applications plus petites telles que les ordinateurs portables, où la circulation vise à déplacer la chaleur perpendiculairement au flux d'entrée d'air. La contrepartie est une consommation d'énergie supérieure à celle des ventilateurs axiaux.
• Les ventilateurs diagonaux — ou à flux diagonal — aspirent l'air comme un ventilateur axial mais expulsent le flux d'air en diagonale par rapport à l'arbre. Cela permet des niveaux de compression similaires à ceux des ventilateurs centrifuges, permettant une pression statique plus élevée avec moins de turbulences et un plus haut rendement.

Figure 1 : Plages de fonctionnement optimales des trois modèles de ventilateurs. (Source du graphique : ebm-papst)

Ventilateurs axiaux de nouvelle génération

Les ventilateurs axiaux compacts dominent les applications de refroidissement électroniques car ils sont faciles à intégrer et offrent des débits d'air optimaux. Les boîtiers intégrés agissent comme un entonnoir d'aspiration pour l'entrée de l'air tout en fournissant un flux de sortie homogène sans créer de tourbillons qui augmenteraient le bruit.

Cependant, les ventilateurs axiaux traditionnels sont souvent poussés à leurs limites en raison du besoin d'une capacité de refroidissement toujours croissante et de conceptions plus compactes. Les concepteurs cherchant à augmenter la capacité de refroidissement avec des ventilateurs axiaux traditionnels ont souvent recours à des ventilateurs axiaux compacts à deux étages avec des rotors contrarotatifs pour fournir la haute pression requise pour un refroidissement uniforme dans l'ensemble du boîtier. Cependant, cela augmente la consommation d'énergie et le bruit de fonctionnement.

Innovateur leader en matière de ventilateurs et de moteurs, ebm-papst a développé un ventilateur à flux diagonal compact, DiaForce, qui surmonte ces obstacles et vise à répondre aux exigences futures du refroidissement électronique. L'air circule à travers les ventilateurs DiaForce dans les directions axiale et radiale, ce qui permet d'obtenir un ventilateur axial compact qui offre les performances d'un ventilateur contrarotatif avec moins de bruit et une consommation d'énergie nettement inférieure.

Les ventilateurs DiaForce intègrent un moteur à rotor externe de pointe directement avec la roue axiale et peuvent fournir le flux d'air puissant d'un ventilateur axial avec les capacités de contre-pression accrues d'un ventilateur centrifuge (Figure 2). La géométrie unique de la roue et du boîtier minimise les turbulences dans la zone périphérique pour réduire le bruit, et utilise une ouverture de sortie de la roue plus grande que l'ouverture d'aspiration pour créer un flux d'air dans les directions axiale et radiale.

Figure 2 : Comparaison directe entre un ventilateur axial à un étage compact (a), un ventilateur axial à deux étages compact (b) et le nouveau ventilateur à flux diagonal compact DiaForce (c). (Source de l'image : ebm-papst)

ebm-papst a développé le ventilateur à flux diagonal compact DiaForce pour répondre aux exigences de haute disponibilité typiques des applications telles que les serveurs de data centers, les communications standard 5G, les véhicules autonomes et les services cloud.

La géométrie des ventilateurs DiaForce minimise les turbulences et permet une augmentation de pression supérieure à celle des ventilateurs axiaux standard. Selon ebm-papst, le DiaForce est 6 dB(A) plus silencieux qu'un ventilateur axial compact classique — avec un débit d'air jusqu'à 50 % supérieur² — et ce, avec les mêmes dimensions qu'un ventilateur axial classique. Il est conforme aux spécifications DIN ISO 1940 pour l'équilibrage dynamique dans deux plans.

Contrairement aux ventilateurs à un étage classiques, la vitesse à laquelle les ventilateurs DiaForce fonctionnent peut être augmentée pour s'adapter à des conditions défavorables, telles qu'une augmentation de la température de l'environnement externe. Les moteurs à commutation électronique (EC) à haut rendement qui entraînent les ventilateurs DiaForce fonctionnent à un niveau de rendement atteignant 90 %, contre 20 % à 70 % pour les moteurs CA. Les moteurs EC permettent des vitesses variables à l'infini et peuvent fournir les niveaux de sortie des moteurs CA ou CC dans un facteur de forme plus petit.

Le DiaForce120 standard (numéro de référence 8315100198) fournit un refroidissement puissant avec une consommation d'énergie et un bruit minimum. Il est disponible dans un facteur de forme de 119 mm de largeur, 119 mm de hauteur et 86 mm de profondeur, et un poids de 980 grammes. Dans des conditions de test standard spécifiées, il fournit un débit d'air libre maximum de 680 m³/h et une pression statique maximum de 3,120 Pa. Selon le point de fonctionnement, il peut atteindre une réduction du bruit de 6 dB(A) à 12 dB(A), selon ebm-papst.

Le DiaForce est entraîné par un moteur CC écoénergétique répertorié à 500 W, et commandé par un puissant microcontrôleur pour la régulation intelligente du moteur permettant un couple possible maximum dans toutes les plages de charge.

Un outil de diagnostic FanCheck intégré en option calcule en permanence la durée de vie restante réaliste en fonction de l'usure réelle subie, de la température, de la vitesse et des paramètres environnementaux prédéfinis. Avec FanCheck, les fabricants et les clients peuvent éliminer la pratique courante consistant à remplacer les ventilateurs avant la fin de leur durée de vie spécifiée, ce qui réduit ainsi les coûts associés et facilite la planification des remplacements aux moments les plus opportuns.

Les autres options disponibles des ventilateurs DiaForce incluent :

• Alarme Go/No Go
• Alarme avec limite de vitesse
• Capteur de température externe
• Capteur de température interne
• Entrée de commande analogique
• Protection contre l'humidité

Conclusion

Alors que les administrations, les entreprises et les consommateurs exigent des technologies informatiques et de réseau plus écoénergétiques, les concepteurs de systèmes électroniques sont constamment mis au défi de fournir des performances et un rendement énergétique supérieurs. Des ventilateurs modernes dotés de capacités de surveillance d'état appropriées et d'une vision des exigences futures sont essentiels pour relever ces défis. Le ventilateur compact à flux diagonal DiaForce d'ebm-papst peut aider les concepteurs à surmonter les obstacles liés à l'obtention d'une capacité de refroidissement plus élevée dans des conceptions plus compactes.

Ressources :

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/