การระบายความร้อนประสิทธิภาพสูง: พัดลมขนาดกะทัดรัดแนวทแยงจะสร้างการเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร

ในทุกการใช้งานตั้งแต่เซิร์ฟเวอร์คลาวด์ไปจนถึงอุปกรณ์พกพา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อันทรงพลังจะสร้างผลประโยชน์มหาศาลให้กับธุรกิจ ผู้บริโภค และรัฐบาล ถึงกระนั้น อุปกรณ์เหล่านี้ก็มาพร้อมกับความท้าทายในการระบายความร้อนให้กับส่วนประกอบที่สำคัญอย่างมีประสิทธิผลสูงสุด เพื่อให้การจัดการข้อมูลมีความเร็ว ความน่าเชื่อถือ และมีประสิทธิภาพ

เซิร์ฟเวอร์และอุปกรณ์ระดับเอดจ์ที่ทรงพลังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตอบสนองต่อเทคโนโลยีอัตโนมัติ ปัญญาประดิษฐ์ และโซลูชัน Internet of Things (IoT) ที่เกี่ยวข้องกับ 5G การออกแบบระบบเหล่านี้ที่ทำให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือต้องใช้วิธีการจัดการระบายความร้อนหลายวิธี โดยพัดลมที่แลกเปลี่ยนอากาศร้อนและเย็นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับนักออกแบบระบบในการวางแผนเลือกใช้พัดลมขนาดกะทัดรัดที่มีความสามารถในการระบายความร้อนได้สูงสุดโดยมีเสียงรบกวนต่ำและมีขนาดเล็กมากที่สุด

เอาชนะความท้าทายในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์

ตั้งแต่ปี 1965 การออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้เผชิญกับความต้องการในการระบายความร้อนจากความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากในวงจรรวม ซึ่งเป็นไปตามคำทำนายอันโด่งดังของ Gordon Moore ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel¹ ตั้งแต่นั้นมา ผู้ออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ก็ต้องต่อสู้กับความต้องการในการระบายความร้อนจากความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของระบบที่ใช้ไอซี เมื่อระบบเกิดความร้อนมากเกินไป ส่วนประกอบต่างๆ อาจหยุดทำงาน หรือแย่กว่านั้นคือได้รับความเสียหาย

ไฟฟ้าที่จ่ายให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์จะถูกแปลงเป็นความร้อน ซึ่งจะต้องมีการแทนที่หมุนเวียนอากาศเพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไป ในสหรัฐอเมริกา การใช้พลังงานในศูนย์ข้อมูลมากถึง 40% มีไว้เพื่อการระบายความร้อน นอกจากศูนย์ข้อมูลแล้ว การประมวลผลระดับเอดจ์และอุปกรณ์ IoT ที่หลากหลาย โดยทั่วไปต้องใช้การกระจายความร้อนขั้นสูง พร้อมกับการย่อขนาดและมีความน่าเชื่อถือ โดยโซลูชันการระบายความร้อนสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายนี้มักขึ้นอยู่กับพัดลมขนาดกะทัดรัดที่ประหยัดพลังงานและมีเสียงรบกวนต่ำ ซึ่งติดตั้งและบำรุงรักษาได้ง่าย

นักออกแบบระบบที่ต้องการหาระบบระบายความร้อนที่เหมาะสมมักถูกท้าทายอย่างต่อเนื่องจากความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เป้าหมายด้านประสิทธิภาพพลังงานที่เข้มงวดมากขึ้น และความจำเป็นในการรองรับส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ โดยแผนใช้พัดลมที่ทรงพลังยิ่งขึ้นหรือใช้พัดลมเพิ่มเติมนั้นไม่อาจใช้ได้จริง เนื่องจากการใช้พลังงาน พื้นที่จำกัด และข้อจำกัดด้านเสียง

นักออกแบบมีตัวเลือกพื้นฐานสามแบบสำหรับพัดลม และสามารถใช้หลักการไดนามิกของไหลจากการคำนวณ (CFD) เพื่อพิจารณาว่าแนวทางใดสามารถให้สมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างแรงดันและการไหลเวียนของอากาศ เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งาน (รูปที่ 1):

• พัดลมแบบแนวแกน หมุนเวียนอากาศขนานกับแกนของเพลามอเตอร์ที่กำลังหมุนของพัดลม เช่น ใบพัด โดยทั่วไปแล้วจะเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีแรงดันต่ำและมีการไหลสูงเพื่อแทนที่อากาศร้อนด้วยอากาศเย็น ซึ่งให้การไหลมากแต่มีการติดตั้งใช้พื่นที่น้อย สร้างเสียงรบกวนต่ำ และมีประสิทธิภาพ ทำให้เหมาะสำหรับเซิร์ฟเวอร์และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่ทุกพื้นที่มีความสำคัญ โดยมุมการไหลที่มากขึ้น สามารถสร้างแรงดันได้มากขึ้น แต่นั่นอาจส่งผลให้เกิดความปั่นป่วนและเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น รวมถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงานลดลง
• พัดลมแบบแรงเหวี่ยงหรือแนวรัศมี ผลักดันอากาศทำมุม 90 องศากับเพลา และสามารถสร้างแรงดันได้มากขึ้นโดยมีอัตราการไหลต่ำกว่าพัดลมแบบแนวแกน ซึ่งทำให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการให้อากาศผ่านท่อเพื่อการระบายอากาศ เช่น การระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูล หรือสำหรับการใช้งานขนาดเล็ก เช่น แล็ปท็อป ซึ่งการหมุนเวียนมีจุดมุ่งหมายเพื่อถ่ายเทความร้อนในแนวตั้งฉากกับการไหลของอากาศเข้า ข้อเสียคือการใช้พลังงานที่เกินกว่าที่จำเป็นเมื่อเทียบกับพัดลมแบบแนวแกน
• พัดลมแนวทแยง ดึงอากาศเข้ามาเหมือนพัดลมตามแนวแกน แต่ปล่อยลมออกในแนวทแยงไปยังแกน ช่วยให้มีระดับการบีบอัดใกล้เคียงกับพัดลมแบบแรงเหวี่ยง ช่วยให้แรงดันสูงขึ้นพร้อมความปั่นป่วนน้อยลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

รูปที่ 1: การทำงานที่เหมาะสมที่สุดของการออกแบบพัดลมทั้งสามแบบ (แหล่งที่มากราฟิก: ebm-papst)

พัดลมแนวแกนรุ่นใหม่

พัดลมแนวแกนขนาดกะทัดรัดครองการใช้งานระบบระบายความร้อนในระบบอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากง่ายต่อการผสานรวมและให้อัตราการไหลเวียนอากาศที่เหมาะสม โดยโครงสร้างแบบรวมทำหน้าที่เป็นช่องสำหรับอากาศเข้า ในขณะเดียวกันก็มีการไหลเวียนของทางออกโดยไม่สร้างอากาศวนที่จะเพิ่มเสียงรบกวน

อย่างไรก็ตาม พัดลมแนวแกนแบบดั้งเดิมมักถูกจำกัดด้วยความต้องการความสามารถในการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และการออกแบบที่กะทัดรัดมากขึ้น โดยนักออกแบบที่ต้องการเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อนด้วยพัดลมแกนแบบดั้งเดิมที่มักจะใช้พัดลมแนวแกนขนาดกะทัดรัดแบบใบพัดชั้นพร้อมโรเตอร์หมุนสวนทางเพื่อให้แรงดันที่จำเป็นสำหรับการระบายความร้อนที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะเพิ่มการใช้พลังงานและเสียงรบกวนในการทำงาน

ผู้นำด้านนวัตกรรมพัดลมและมอเตอร์ ebm-papst พัฒนาพัดลมขนาดกะทัดรัดแนวทแยง DiaForce ซึ่งเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้และมีเป้าหมายที่จะตอบสนองความต้องการในอนาคตของระบบระบายความร้อนอิเล็กทรอนิกส์ โดยอากาศไหลผ่านพัดลม DiaForce ทั้งในทิศทางตามแนวแกนและแนวรัศมี ทำให้ได้ชุดพัดลมแนวแกนขนาดกะทัดรัดที่ให้ประสิทธิภาพของพัดลมแบบหมุนทวน โดยมีเสียงรบกวนน้อยลงและใช้พลังงานน้อยลงอย่างมาก

พัดลม DiaForce ผสานรวมมอเตอร์โรเตอร์ภายนอกที่ล้ำสมัยเข้ากับใบพัดแนวแกนโดยตรง และสามารถส่งกระแสลมอันทรงพลังของพัดลมแนวแกนพร้อมความสามารถด้านแรงดันต้านที่เพิ่มขึ้นของพัดลมแบบแรงเหวี่ยง (รูปที่ 2) รูปทรงที่เป็นเอกลักษณ์ของใบพัดและตัวเครื่องช่วยลดความปั่นป่วนในบริเวณขอบเพื่อลดเสียงรบกวน และใช้ช่องทางออกของใบพัดที่ใหญ่กว่าช่องทางเข้าเพื่อสร้างการไหลเวียนของอากาศทั้งในทิศทางตามแนวแกนและแนวรัศมี

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบโดยตรงระหว่างพัดลมขนาดกะทัดรัดแนวแกนแบบใบพัดชั้นเดียว (a) พัดลมขนาดกะทัดรัดแนวแกนแบบใบพัดสองชั้น (b) และพัดลมขนาดกะทัดรัดแนวทแยง DiaForce ใหม่ (c) (แหล่งที่มาภาพ: ebm-papst)

ebm-papst พัฒนาพัดลมขนาดกะทัดรัดแนวทแยง DiaForce สำหรับข้อกำหนดความพร้อมใช้งานในการใช้งานที่มีลักษณะเฉพาะ เช่น เซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูล การสื่อสารมาตรฐาน 5G ยานพาหนะอัตโนมัติ และบริการคลาวด์

รูปทรงของพัดลม DiaForce ช่วยลดความปั่นป่วนและช่วยเพิ่มแรงดันได้มากกว่าพัดลมแนวแกนมาตรฐาน จากข้อมูลของ ebm-papst DiaForce เงียบกว่าพัดลมแกนขนาดกะทัดรัดทั่วไปถึง 6 dB(A) พร้อมประสิทธิภาพอากาศเพิ่มขึ้นสูงสุด 50%² โดยขนาดภายในเท่ากับพัดลมแนวแกนทั่วไป เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะของ DIN ISO 1940 สำหรับการปรับสมดุลแบบไดนามิกในสองระนาบ

ความเร็วที่พัดลม DiaForce ทำงานสามารถเพิ่มขึ้นได้เพื่อรองรับสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งต่างจากพัดลมใบพัดชั้นเดียวทั่วไป โดยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงแบบอิเล็กทรอนิกส์คอมมิวเตอร์ (EC) ที่ขับเคลื่อนพัดลม DiaForce ทำงานที่ระดับประสิทธิภาพสูงถึง 90% เมื่อเทียบกับระดับประสิทธิภาพ 20% ถึง 70% ของมอเตอร์ AC มอเตอร์ EC สามารถมีความเร็วที่แปรผันได้อย่างไม่จำกัด และสามารถให้ระดับเอาท์พุตของมอเตอร์ AC หรือ DC ในฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กกว่า

DiaForce120 Standard (หมายเลขชิ้นส่วน 8315100198) ระบายความร้อนอย่างทรงพลังโดยใช้พลังงานและเสียงรบกวนน้อยที่สุด มาในขนาดกว้าง 119 มม. สูง 119 มม. ลึก 86 มม. และน้ำหนัก 980 กรัม ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐานที่กำหนด ให้การไหลเวียนของอากาศอิสระสูงสุด 680 m³/h และแรงดันสถิตสูงสุด 3.120 Pa โดย ebm-papst สามารถลดเสียงรบกวนได้ตั้งแต่ 6 dB(A) ถึง 12 dB(A) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

ระบบขับเคลื่อน DiaForce นั้นเป็นมอเตอร์ DC แบบสามเกลียวที่ประหยัดพลังงานซึ่งมีกำลังไฟ 500 W และไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ทรงพลังสำหรับการควบคุมมอเตอร์อัจฉริยะที่ให้แรงบิดสูงสุดที่เป็นไปได้ในทุกช่วงโหลด

เครื่องมือวินิจฉัย FanCheck ในตัวที่เป็นอุปกรณ์เสริมจะคำนวณอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ตามความเป็นจริงอย่างต่อเนื่องโดยพิจารณาจากการสึกหรอที่เกิดขึ้นจริง รวมถึงอุณหภูมิ ความเร็ว และพารามิเตอร์สภาพแวดล้อมที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ด้วย FanCheck ผู้ผลิตและลูกค้าสามารถขจัดแนวทางปฏิบัติทั่วไปในการเปลี่ยนพัดลมเร็วกว่าอายุการใช้งานที่ระบุ ซึ่งช่วยลดต้นทุนที่เกี่ยวข้อง และทำให้ง่ายต่อการกำหนดเวลาการเปลี่ยนพัดลมในช่วงเวลาที่เหมาะสมที่สุด

ตัวเลือกพัดลม DiaForce อื่นๆ ที่มี ได้แก่:

• การแจ้งเตือน Go/No Go
• การแจ้งเตือนการจำกัดความเร็ว
• เซ็นเซอร์อุณหภูมิภายนอก
• เซ็นเซอร์อุณหภูมิภายใน
• อินพุตควบคุมแบบแอนะล็อก
• ป้องกันความชื้น

สรุป

เนื่องจากรัฐบาล ธุรกิจ และผู้บริโภคต้องการคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีเครือข่ายที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น นักออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ถึงถูกท้าทายอย่างต่อเนื่องในการส่งมอบประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดียิ่งขึ้น พัดลมแบบใหม่ที่สร้างขึ้นมาพร้อมกับความสามารถในการตรวจสอบสภาพและการสังเกตความต้องการในอนาคตมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเผชิญกับความท้าทายเหล่านั้น โดยพัดลมขนาดกะทัดรัดแนวทแยง ebm-papst DiaForce สามารถช่วยให้นักออกแบบเอาชนะอุปสรรคเพื่อให้ได้ความสามารถในการทำความเย็นที่สูงขึ้นในการออกแบบที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น

แหล่งข้อมูล:

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/