omniCOOL : une approche unique de la conception de ventilateurs

Avec le développement de l'IoT et des services de données sur le cloud, les data centers, les serveurs d'hébergement puissants et les dispositifs de stockage se retrouvent au premier plan du secteur de l'électronique. Il est bien connu que ces data centers génèrent énormément de chaleur, qui doit être évacuée des équipements stratégiques. Cette tâche commence généralement par l'utilisation d'un ventilateur.

Il en va de même pour d'autres applications indispensables. Les produits comme les ordinateurs domestiques, les appareils ménagers et les machines industrielles ne peuvent fonctionner de manière fiable que s'ils sont maintenus dans une plage de températures définie. En d'autres termes, les ventilateurs jouent un rôle extrêmement important dans la vie moderne.

Palier à coussinet-douille contre roulement à billes

L'élément central de tout ventilateur est le palier ou le roulement. Ce composant essentiel permet au rotor du ventilateur de tourner et détermine la durée de vie du ventilateur. Il est donc primordial que les concepteurs et les ingénieurs choisissent le bon palier ou roulement de ventilateur pour refroidir leur application.

Depuis toujours, ils ont le choix entre un ventilateur avec palier à coussinet-douille et un ventilateur avec roulement à billes. Chacun présente des points forts, mais la décision de choisir l'un plutôt que l'autre finit généralement par entraîner des compromis. C'est la raison pour laquelle Same Sky a adopté une nouvelle approche de la conception qui comble l'écart entre les roulements à billes et les paliers à coussinet-douille.

Toutefois, avant d'étudier le fonctionnement de cette nouvelle conception de ventilateurs, il est important d'examiner les avantages et les inconvénients des paliers à coussinet-douille et des roulements à billes traditionnels.

Comprendre les paliers à coussinet-douille

L'arbre au centre des ventilateurs avec palier à coussinet-douille tourne à l'intérieur d'un cylindre de type manchon. Une couche d'huile sur la paroi interne du manchon permet à l'arbre de tourner. Le rôle du manchon consiste à maintenir le rotor dans la bonne position, pour qu'il soit toujours à la bonne distance du stator du moteur (Figure 1). Le palier à coussinet-douille est le plus rentable des deux systèmes traditionnels. Il résiste mieux aux applications qui impliquent des chocs et des vibrations. Cependant, sa conception présente aussi quelques inconvénients.

Figure 1 : Schéma d'un ventilateur standard avec palier à coussinet-douille (source de l'image : Same Sky)

Pour réduire l'oscillation du rotor, le coussinet-douille doit parfaitement épouser l'arbre, mais plus cette zone de contact est grande, plus il y a de friction et plus il faut de temps pour démarrer le ventilateur. Cela signifie qu'il faut davantage d'énergie, à la fois pour démarrer le ventilateur et pour lui permettre de continuer à tourner.

Autre problème concernant la conception avec coussinet-douille : le poids du rotor est supporté uniquement par l'arbre à l'intérieur du coussinet-douille. Par conséquent, lorsqu'il tourne, il use progressivement l'intérieur du palier, ce qui entraîne une déformation de l'alésage. Si vous utilisez toujours votre ventilateur dans la même direction, le coussinet-douille va se déformer pour prendre une forme ovale, ce qui peut rendre le ventilateur plus bruyant et le faire osciller.

Ce problème d'usure du palier est d'autant plus présent si vous devez utiliser le ventilateur à différents angles, comme c'est le cas pour les équipements portables. Étant donné que la gravité attire la masse du rotor dans diverses directions (en fonction de l'angle d'utilisation), le coussinet-douille va s'user de manière irrégulière, ce qui peut aggraver les problèmes de bruit et d'oscillation.

À terme, cette usure réduit la durée de vie du palier, voire, selon votre conception, celle du ventilateur tout entier ou du produit qu'il refroidit.

De plus, l'huile de graissage mentionnée plus haut, nécessaire pour faire tourner le système, est généralement apportée par une bague de lubrification et une rondelle Mylar placées à chaque extrémité de l'alésage du palier. Ces composants sont faits pour lutter contre la friction, mais en réalité ils ne font qu'en rajouter. En outre, leur position complique l'évacuation des gaz générés par la friction lors de la rotation. Si ces gaz ne peuvent pas se dissiper, ils se transforment en particules solides de nitrure qui obstruent le palier, ce qui ralentit la rotation et réduit la durée de vie du système.

Principes de base des roulements à billes

Les ventilateurs avec roulements à billes (Figure 2) disposent généralement de deux anneaux de petites billes en acier autour de l'arbre, l'un étant plus proche du rotor que l'autre. Un anneau de ressorts les maintient écartés. Cette configuration permet de résoudre les problèmes d'inclinaison du rotor et d'usure irrégulière rencontrés avec les paliers à coussinet-douille. En effet, le poids du rotor repose sur le roulement à billes le plus proche du rotor, mais les ressorts compensent l'inclinaison que pourrait entraîner la gravité qui tire le rotor vers le bas. Cela signifie qu'un ventilateur avec roulements à billes peut être utilisé à n'importe quel angle. Cette conception est donc l'option idéale pour les dispositifs portables. La réduction de l'usure du roulement entraîne également un temps moyen entre pannes (MTBF) beaucoup plus élevé qu'avec un palier à coussinet-douille.

Figure 2 : Schéma d'un ventilateur avec roulement à billes (source de l'image : Same Sky)

Même si les roulements à billes réduisent le niveau de friction au démarrage et au fonctionnement du moteur du ventilateur, ils sont plus coûteux, plus bruyants, plus complexes et résistent moins bien aux chocs que les paliers à coussinet-douille.

Combler l'écart : système omniCOOL™

Pour éviter aux concepteurs de faire des compromis lors de la conception d'un ventilateur, le système omniCOOL™ de Same Sky (Figure 3) cherche à combler l'écart entre le coût et les performances en intégrant deux éléments clés à la conception du ventilateur : une structure magnétique contribuant à l'équilibre du rotor et un palier à coussinet-douille amélioré.

Figure 3 : Schéma du système omniCOOL de Same Sky (source de l'image : Same Sky)

Grâce à la structure magnétique, le rotor se transforme en un élément supérieur rotatif qui ne tombe jamais et qui peut fonctionner à n'importe quel angle. En effet, la structure magnétique du système est positionnée devant le rotor et l'attire de manière uniforme de tous les côtés, quel que soit l'angle de fonctionnement du ventilateur.

Une capsule de maintien au bout de l'arbre permet de le maintenir bien en place et forme la pointe autour de laquelle le rotor tourne, comme la pointe d'une toupie.

Grâce à cette approche avec structure magnétique, le poids du rotor n'est pas supporté par le palier à coussinet-douille, mais par des forces magnétiques qui suspendent le rotor dans les airs. Cela élimine la friction entre l'intérieur du palier et l'arbre. Cette configuration réduit également les problèmes d'inclinaison et d'oscillation rencontrés avec les paliers à coussinet-douille traditionnels.

Même si la structure magnétique réduit considérablement le contact entre l'intérieur du palier et l'arbre rotatif, le système omniCOOL comprend un palier trempé conçu spécialement pour mieux résister à une éventuelle abrasion. La conception améliorée du palier offre également une résistance à la chaleur jusqu'à 90°C, soit plus que ce que la plupart des paliers à coussinet-douille peuvent endurer. Des tests montrent que ce palier trempé amélioré a une durée de vie beaucoup plus longue qu'un palier à coussinet-douille traditionnel : 3,2 fois plus longue à 70°C et 5,5 fois plus longue à 20°C (Figure 4).

Figure 4 : Comparaison de la durée de vie d'un palier à coussinet-douille traditionnel et du système omniCOOL (source de l'image : Same Sky)

Autre différence majeure entre le palier amélioré du système omniCOOL et un palier à coussinet-douille standard : l'absence de bagues de lubrification et de rondelles Mylar. Grâce aux forces magnétiques qui réduisent l'abrasion, l'huile de graissage n'est plus nécessaire et ces composants peuvent donc être supprimés. Sans eux, la friction est réduite, ce qui réduit aussi le bruit et la quantité d'énergie nécessaire pour démarrer le moteur et le faire tourner. Cela signifie également que les gaz générés par la friction à la rotation peuvent se dissiper au lieu de se solidifier et de bloquer le palier.

Une nouvelle alternative aux conceptions traditionnelles de ventilateurs

La combinaison des technologies propres au système omniCOOL permet de combler l'écart entre les roulements à billes et les paliers à coussinet-douille, pour des ventilateurs silencieux, puissants et résistants, adaptés à n'importe quel angle d'utilisation et plus rentables que les conceptions avec roulements à billes. Les ingénieurs bénéficient ainsi d'une nouvelle alternative leur permettant de refroidir les équipements électroniques sans avoir à se soucier des compromis traditionnels.

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