Ein Axialventilator bewegt große Luftmengen entlang seiner Rotationsachse bei niedrigem statischen Druck und ist die richtige Wahl für offene, ungehinderte Kühlwege. Ein Radialventilator, auch Gebläseventilator genannt, leitet die Luft in einem 90-Grad-Winkel um und baut einen hohen statischen Druck auf. Daher ist er immer dann die richtige Wahl, wenn der Luftstrom durch dichte Komponenten, enge Kanäle oder eng begrenzte Gehäuse strömen muss. Bei Entscheidungen zur Elektronikkühlung und zum Wärmemanagement lautet die nützlichste Regel: Wenn Ihr System eine niedrige Systemimpedanz hat und eine maximale Luftstromrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) benötigt, verwenden Sie einen Axialventilator. Wenn Ihr System aufgrund von Filtern, Kühlkörpern oder eingeschränkten Kanälen eine hohe Systemimpedanz aufweist, verwenden Sie einen Radialventilator oder ein Gebläse. Alles andere bei der Lüfterauswahl ist eine Verfeinerung dieses Grundprinzips.
| Kriterium | Axialventilator | Radialventilator |
|---|---|---|
| Luftstromrichtung | Parallel zur Wellenachse | Senkrecht, Ausgänge im 90-Grad-Winkel |
| Statische Druckfähigkeit | Niedrig, typischerweise 0,05 bis 0,5 Zoll H2O | Hoch, typischerweise 0,5 bis 5 Zoll H2O oder mehr |
| Luftstromrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) | Hoch für eine bestimmte Rahmengröße | Mäßig, gegen Druck eingetauscht |
| Profil und Montage | Dünn, inline, Montage auf Flachbildschirm | Höher, seitlicher Auswurf, passend für schmale Gehäuse |
| Geräuschpegel | Niedriger bei gleichem Luftstrom | Höher aufgrund der Turbulenzen an der Blattspitze und der Spirale |
| Beste Einwendung | Offene Gehäuse, Gehäuselüfter, Rackbelüftung | Laptops, Projektoren, medizinische Geräte, Servergebläse |
An Axialventilator Funktioniert durch die Drehung eines Satzes abgewinkelter Klingen um eine zentrale Nabe. Wenn sich die Blätter drehen, wirken sie auf die Luft ein, so wie ein Propeller auf Luft oder Wasser einwirkt und die Flüssigkeit in die Richtung drückt, in die die Welle zeigt. Dies definiert die Luftströmungsrichtung von Axialventilatoren: Luft tritt axial in die Ventilatorfläche ein, d. h. direkt in die rotierenden Flügel, und tritt auf der anderen Seite in derselben axialen Richtung aus. Da es keine Änderung der Strömungsrichtung gibt, sind Axialventilatorinstallationen einfach zu integrieren und dominieren überall dort, wo ein gerader Luftstrompfad verfügbar ist.
Die Flügelgeometrie eines Axialventilators ist der wichtigste Faktor für seine Leistung. Ein größerer Blatteinstellwinkel bewegt mehr Luft pro Umdrehung, erhöht aber auch die Belastung des Motors und die Turbulenzen hinter dem Blatt, was zu einer Erhöhung der Geräuschentwicklung führt. Die meisten kommerziellen Axiallüfterprodukte für die Elektronikkühlung verwenden eine Blattneigung, die für das beste Gleichgewicht zwischen Luftstromrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) und Schallleistung bei einer bestimmten Drehzahl optimiert ist. Aus diesem Grund werden im Datenblatt immer sowohl Luftstrom- als auch Geräuschwerte zusammen und nicht einzeln angezeigt.
Welchen Vorteil bietet die Verwendung eines Axialventilators? Die Hauptvorteile sind eine hohe Luftströmungsrate im Verhältnis zur physischen Rahmengröße des Lüfters, ein dünnes Axialprofil, das zwischen die Platten passt, und deutlich geringere Kosten als ein vergleichbarer Radialventilator mit demselben Durchmesser. Ein 120-mm-Axialventilator, der mit 2000 U/min läuft, liefert typischerweise 60 bis 110 CFM (Kubikfuß pro Minute) und verbraucht dabei nur 3 bis 7 Watt, was ihn im Verhältnis zur bewegten Luftmenge äußerst energieeffizient macht. Ein zweiter wichtiger Vorteil besteht darin, dass mehrere Axialventilatoreinheiten in Reihe gestapelt oder parallel über eine Platte angeordnet werden können, um den Luftstrom oder den Druck zu skalieren, ohne dass eine größere, teurere Radialventilatorbaugruppe erforderlich ist.
Die Einschränkung des Axialventilators liegt genau in seiner geringen statischen Druckfähigkeit. Wenn die Systemimpedanz ansteigt, d. h. wenn der Luftstrompfad immer mehr verstopft wird, sinkt der vom Axialventilator gelieferte CFM (Kubikfuß pro Minute) steil. Dies ist an jeder Lüfterkurve eines Axiallüfters sichtbar: Die Kurve fällt mit zunehmendem Gegendruck stark ab, und der Lüfter erreicht seinen Strömungsabrissdruck bei einem relativ niedrigen Wert im Vergleich zu einem Radiallüfter mit demselben Durchmesser.
Wie funktioniert ein Radialventilator? A Radialventilator , in vielen Elektronikproduktlinien auch als Gebläse vermarktet, saugt Luft axial durch einen Einlass in der Mitte seines Laufrads an und beschleunigt diese Luft dann mithilfe der Zentrifugalkraft radial nach außen, während sich das Laufrad dreht. Die Luft wird zum äußeren Rand des Spiral- oder Spiralgehäuses geschleudert, wo kinetische Energie in Druck umgewandelt wird, und dann tritt die Luft durch eine einzelne Auslassöffnung aus, die im 90-Grad-Winkel zum Einlass ausgerichtet ist. Diese grundlegende Änderung der Strömungsrichtung verleiht dem Radialventilator seinen entscheidenden Vorteil: Er kann einen weitaus höheren statischen Druck erzeugen als ein Axialventilator mit demselben Durchmesser, da das Spiralgehäuse die Radialgeschwindigkeit der Luft aufnimmt und in einen nutzbaren Druckkopf umwandelt.
Sind Radialventilatoren leistungsstärker? Was die Druckerzeugung angeht, ja. Zentrifugalgebläse mit hohem statischen Druck können das 5- bis 10-fache des maximalen statischen Drucks eines Axialventilators vergleichbarer Größe erzeugen Aus diesem Grund werden sie immer dann spezifiziert, wenn der Luftstrom durch einen Wärmetauscherkern, einen dichten Filter, eine dicht gepackte Leiterplattenanordnung oder einen langen, schmalen Kanal strömen muss, in dem die Systemimpedanz hoch ist. Der Nachteil besteht darin, dass ein Radialventilator körperlich höher ist als ein Axialventilator mit demselben Einlassdurchmesser, bei gleichem Luftstrom gegen Widerstand mehr Strom verbraucht und aufgrund der Wechselwirkung der Flügel, die den festen Auslassabschaltpunkt im Spiralgehäuse passieren, typischerweise ein tonaleres Geräuschprofil erzeugt.
Die Formen der Laufradschaufeln von Radialventilatoren variieren erheblich und jede Form erzeugt ein anderes Gleichgewicht von Druck, Durchfluss und Effizienz. Rückwärtsgekrümmte Flügel haben die effizienteste Form und sind Standard bei leistungsstarken Elektronik-Kühlgebläsen, da sie nicht überlasten, was bedeutet, dass der Stromverbrauch des Motors nicht ansteigt, wenn der Systemwiderstand unerwartet abfällt. Vorwärts gekrümmte Flügel bewegen mehr Luft bei niedrigem Druck und werden häufig in Gebläsen für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie für Verbrauchergeräte verwendet. Nach hinten geneigte flache Klingen bieten einen Mittelweg und sind einfacher herzustellen, was sie für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich kostengünstig macht.
| Klingentyp | Druckfähigkeit | Effizienz | Gemeinsame Anwendung |
|---|---|---|---|
| Nach hinten gebogen | Hoch | Hochest, non overloading | Servergebläse, medizinische Geräte, Präzisionsinstrumente |
| Vorwärts gebogen | Niedrig bis mäßig | Mäßig | HVAC, Verbrauchergeräte, geräuscharme Umgebungen |
| Nach hinten geneigt flach | Mäßig | Gut | Industrielle Lüftung, Mittelklasse-Elektronik |
| Radial flach | Sehr hoch | Niedriger | Materialhandhabung, Anwendungen mit schmutziger Luft |
Die Auswahl eines effektiven Ventilators erfordert ein klares Verständnis von vier voneinander abhängigen Größen: statischer Druck, Luftdurchsatz, CFM (Kubikfuß pro Minute) und Systemimpedanz. Diese zu verwechseln oder isoliert zu behandeln, ist die Hauptursache für die meisten Kühlungsausfälle bei der Entwicklung elektronischer Produkte.
Statischer Druck ist die Kraft pro Flächeneinheit, die ein Ventilator auf die von ihm bewegte Luft ausübt, gemessen in Zoll Wassersäule (in H2O) oder Pascal (Pa). Wenn ein Ventilator Luft durch einen eingeschränkten Weg drückt, muss er den Widerstand dieses Wegs überwinden, und statischer Druck ist die Währung, die er dafür verwendet. Ein Lüfter, der einen maximalen statischen Druck von 0,1 Zoll H2O erzeugt, liefert einen Luftstrom von nahezu Null, wenn das von ihm gespeiste System 0,15 Zoll H2O benötigt, um seinen Widerstand zu überwinden.
Der Luftdurchsatz ist das pro Zeiteinheit bewegte Luftvolumen. In nordamerikanischen technischen und den meisten elektronischen Datenblättern wird dies als CFM (Kubikfuß pro Minute) ausgedrückt, während in metrischen Datenblättern Kubikmeter pro Stunde (m3/h) oder Liter pro Sekunde (L/s) verwendet werden. Ein standardmäßiger 80-mm-Axiallüfter, der mit 2500 U/min läuft, liefert normalerweise 25 bis 40 CFM (Kubikfuß pro Minute) in freier Luft, liefert jedoch möglicherweise nur 10 bis 15 CFM (Kubikfuß pro Minute), wenn er in einem Computergehäuse mit mäßiger Systemimpedanz installiert wird. Diese Lücke zwischen der Leistung bei freier Luft und der installierten Leistung ist die Ursache für viele Fehler beim Wärmemanagement.
Die Systemimpedanz, manchmal auch Systemwiderstand genannt, ist der Gesamtdruckabfall über alle Komponenten im Luftstrompfad bei einer bestimmten Durchflussrate. Jedes Element im Pfad, Gitter, Filter, Kühlkörper, Lücken in der Leiterplatte, Kabelbündel, trägt zur Systemimpedanz bei. Mit zunehmender Luftströmungsrate steigt die Systemimpedanz ungefähr mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit, weshalb Systemwiderstandskurven in einem Lüfterkurvendiagramm als parabolische Linien und nicht als gerade Linien erscheinen. Der Betriebspunkt eines jeden Lüfters in einem realen Gehäuse ist der Schnittpunkt der Druck-Durchfluss-Kurve des Lüfters mit der Widerstandskurve des Systems.
Das Verstehen der Lüfterkurven, des Luftstroms im Vergleich zum statischen Druck, ist die praktisch wertvollste Fähigkeit bei der Wärmemanagement- und Lüfterauswahlarbeit. Eine Lüfterkurve ist ein zweiachsiges Diagramm, bei dem die horizontale Achse die Luftströmungsrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) und die vertikale Achse den statischen Druck anzeigt. Jeder Ventilator verfügt über eine Kennlinie, die bei maximalem statischen Druck beginnt, wenn der Durchfluss Null ist, sich mit steigendem Durchfluss nach unten krümmt und bei maximalem freien Luftstrom endet, wenn der statische Druck Null ist.
Die Systemwiderstandskurve wird demselben Diagramm überlagert. Es beginnt am Ursprung (Nulldurchfluss, Nulldruck) und krümmt sich nach oben, wenn der Durchfluss zunimmt. Der Punkt, an dem sich die beiden Kurven kreuzen, ist der Betriebspunkt: die tatsächliche Luftdurchsatzrate und der statische Druck, mit denen der Lüfter in dieser spezifischen Installation läuft. Die Verschiebung dieses Betriebspunkts ist die zentrale Aufgabe der Lüfterauswahl und des thermischen Designs.
Bei einem Axiallüfter fällt die Lüfterkurve mit steigendem Gegendruck steil ab. Das bedeutet, dass ein Axialventilator, der in der Nähe seines Strömungsabrissdruckpunkts arbeitet, nur sehr wenig tatsächliche CFM (Kubikfuß pro Minute) liefert, obwohl er mit voller Drehzahl dreht und volle Leistung verbraucht. Bei einem Radialventilator ist die Druckkurve über einen größeren Bereich von Durchflussraten flacher, was bedeutet, dass der Radialventilator auch bei steigender Systemimpedanz einen nützlichen Luftstrom aufrechterhält. Dieser Unterschied in der Kurvenform ist der wichtigste praktische Grund für die Wahl eines Radialventilators bei Konstruktionen mit begrenzten Platzverhältnissen: nicht nur, weil er einen höheren maximalen statischen Druck erzeugt, sondern weil er diesen Druck über einen breiteren Bereich von Betriebsbedingungen hinweg aufrechterhält.
Die meisten Lüfterdatenblätter enthalten im selben Diagramm auch eine Leistungskurve und manchmal auch eine Geräuschkurve. Wenn man alle drei Punkte zusammen betrachtet, erhält man ein vollständiges Bild davon, was der Lüfter am spezifischen Systemimpedanzpunkt der Zielanwendung tatsächlich liefern wird, und nicht die optimistischen Zahlen zur freien Luft, die in Marketingzusammenfassungen erscheinen. Wärmetechniker, die diesen Schritt überspringen und die Lüfter ausschließlich anhand der freien Luft-CFM-Zahl (Kubikfuß pro Minute) dimensionieren, stellen immer wieder fest, dass ihre Konstruktionen nach dem Zusammenbau heißer werden als vorhergesagt, da der installierte Luftstrom immer geringer ist als der freie Luftstrom.
Der Unterschied zwischen Axial- und Radialventilatoren geht weit über die Luftstromrichtung und Druckfähigkeit hinaus. Das Verständnis aller Unterschiede ermöglicht es einem Wärmemanagementingenieur oder Produktdesigner, eine sichere Entscheidung über die Lüfterauswahl zu treffen, ohne auf den Lüftertyp zurückgreifen zu müssen, den er im vorherigen Projekt verwendet hat.
| Attribut | Axialventilator | Radialventilator |
|---|---|---|
| Luftstromrichtung | Axial, Einlass und Auslass in Reihe | Radial, Auslass 90 Grad zum Einlass |
| Maximaler statischer Druck | 0,05 bis 0,5 Zoll H2O typisch | 0,5 bis 5 Zoll H2O typisch |
| Freie Luft CFM (Kubikfuß pro Minute) | Hoch for frame size | Niedriger, pressure prioritized |
| Körperliche Größe | Dünn, gleiche Klingentiefe | Höher, inklusive Spiralgehäuse |
| Fußabdruck | Quadratisch, passend zum Schalttafelausschnitt | Asymmetrisch, der Ausfluss erstreckt sich zu einer Seite |
| Empfindlichkeit gegenüber Gegendruck | Hoch, airflow drops sharply | Niedrig, hält den Durchfluss über einen größeren Bereich aufrecht |
| Geräuschcharakter | Breitband, im Allgemeinen niedrigerer dBA | Tonale Klingenpassfrequenz, höherer dBA |
| Stückkosten | Niedriger | Hocher |
Ein oft übersehener Aspekt des Unterschieds zwischen Axial- und Radialventilatoren ist das Verhalten, wenn sich der Systemwiderstand während des Betriebs ändert. Ein Server mit einem verstopften Luftfilter stellt für seine Lüfter eine höhere Systemimpedanz dar als ein sauberer Server. Ein Axiallüfter verliert in dieser Situation schnell an Luftstrom und die Prozessortemperatur steigt, was möglicherweise zu einer thermischen Drosselung oder Abschaltung führt. Ein Radialventilator in der gleichen Situation hält einen größeren Teil seines Luftstroms gegen den erhöhten Widerstand aufrecht und gibt dem System so mehr thermischen Spielraum, bevor ein Fehlerzustand erreicht wird. Diese Robustheit gegenüber schwankenden Systemimpedanzen ist ein Hauptgrund dafür, dass Server- und Speicher-OEMs bei Bereitstellungen mit hoher Dichte häufig Radialventilatormodule bevorzugen.
Die Entscheidung zwischen Axialventilator und Radialgebläse für die Elektronikkühlung hängt von vier praktischen Fragen ab, die in der frühen Entwurfsphase schnell beantwortet werden können, bevor mit der thermischen Simulation oder dem Testen von Prototypen begonnen wird.
Für ein Desktop-Computergehäuse mit großen Mesh-Einsätzen sind mehrere 120-mm- oder 140-mm-Axiallüftereinheiten am vorderen Einlass und am hinteren Auslass fast immer die richtige Lösung. Für einen 1U-Rack-Server mit dichten PCB-Kartenanordnungen und einem dünnen Profil, das den Lüfterdurchmesser einschränkt, ist ein Paar Hochgeschwindigkeits-Radiallüftermodule in Push- oder Pull-Anordnung die richtige Lösung. Bei einem Laptop mit einer sehr dünnen Kupferdampfkammer und Kühlrippen mit feinem Rasterabstand ist ein einzelner Gebläselüfter, der Luft von unterhalb der Tastatur ansaugt und an der Hinterkante ausstößt, die einzige Konfiguration, die physisch den thermischen und geometrischen Anforderungen gleichzeitig entspricht.
Beim Vergleich des Geräuschpegels von Axial- und Radialventilatoren muss zwischen zwei verschiedenen Szenarien unterschieden werden: offenen Systemen mit freier Luft und installierten Systemen mit eingeschränkter Luftzufuhr. In einem offenen System mit freier Luft ist der Axialventilator in puncto Akustik fast immer der Gewinner, da er ein großes Luftvolumen bei niedrigen Drehzahlen bewegt und der Lärm stark mit der Drehzahl und der Geschwindigkeit der Blattspitze korreliert. Ein 120-mm-Axiallüfter mit 60 CFM (Kubikfuß pro Minute) in einem offenen Gehäuse erzeugt typischerweise 25 bis 35 dBA, was in den meisten Verbraucher- und Büroumgebungen als leise gilt.
In einem installierten System mit erheblicher Systemimpedanz kehrt sich der Geräuschpegelvergleich von Axial- und Radialventilatoren um. Der Axialventilator, der gezwungen ist, gegen den Gegendruck anzukämpfen, beschleunigt auf maximale Drehzahl, um einen nützlichen Luftstrom aufrechtzuerhalten, und erzeugt beträchtliche Breitbandgeräusche durch Abwürgen der Rotorblätter und Turbulenzen. Der Radialventilator verrichtet mit seiner charakteristisch flachen Druckkurve die gleiche Arbeit gegen den gleichen Widerstand, läuft mit einem geringeren Bruchteil seiner Maximalgeschwindigkeit und erzeugt weniger Gesamtschallleistung, obwohl sein Geräusch pro U/min höher ist als der des Axialventilators. In einem eingeschränkten System kann ein richtig ausgewählter Radialventilator, der mit 60 bis 70 Prozent der Maximalgeschwindigkeit läuft, die gleiche Kühlung in CFM (Kubikfuß pro Minute) liefern wie ein Axialventilator, der mit 95 Prozent der Maximalgeschwindigkeit läuft, mit einem deutlichen akustischen Vorteil bei den meisten Messungen.
Der tonale Geräuschcharakter eines Radialventilators verdient bei jeder akustisch sensiblen Anwendung besondere Aufmerksamkeit. Die Schaufeldurchgangsfrequenz, der Ton, der jedes Mal erzeugt wird, wenn eine Laufradschaufel die feste Auslassgrenze in der Spirale passiert, wird von den meisten Zuhörern als störender empfunden als das Breitbandzischen eines Axialventilators bei gleichem dBA-Gesamtpegel. Wärmemanagement-Ingenieure in der Unterhaltungselektronik, bei medizinischen Geräten und Home-Office-Produkten bevorzugen aus genau diesem Grund häufig den Axiallüfter, selbst in mäßig eingeschränkten Systemen, und akzeptieren eine etwas höhere Drehzahl im Austausch für Geräusche, die für Endbenutzer weniger wahrnehmbar sind.
Lüfter mit hohem Luftstrom und niedrigem Druck sind die natürliche Domäne des Axiallüfters. Wenn Sie in diesem Szenario etwas anderes spezifizieren, müssen Sie mehr für weniger Leistung bezahlen. Zu den Anwendungen, die tatsächlich eine niedrige Systemimpedanz aufweisen und die maximal mögliche CFM (Kubikfuß pro Minute) aus dem verfügbaren Schaltschrankraum benötigen, gehören offene Tower-Desktop-Computergehäuse, Telekommunikations-Außenschränke mit großen Lamellentüren, industrielle Schalttafelkühlung, bei der das Gehäuse tief und gut belüftet ist, und Kühleinheiten auf Reihenebene in Rechenzentren, bei denen die Luft durch große offene Räume zwischen Server-Racks strömt.
Für diese Niederdruck-Lüfteranwendungen mit hohem Luftstrom liefert ein 120-mm- oder 140-mm-Axiallüfter mit 1200 bis 1800 U/min die beste verfügbare Kombination aus Luftstrom, Geräuschentwicklung, Stromverbrauch und Kosten. Durch die Reihenschaltung von zwei Axiallüftereinheiten im selben Kanal wird der statische Druck ungefähr verdoppelt, wobei der Luftstrom nur geringfügig beeinträchtigt wird. Dies ist nützlich, wenn ein ansonsten offenes System einen einzigen Engpass aufweist, beispielsweise einen dichten Kühlrippenstapel, durch den die Lüfter Luft drücken müssen, bevor sich der Rest des Pfads wieder öffnet.
Zentrifugalgebläse mit hohem statischem Druck besetzen einen bestimmten Leistungsbereich, den Axialventilatoreinheiten tatsächlich nicht erreichen können, unabhängig davon, wie viele in Reihe angeordnet sind. Wenn die Systemimpedanz über den gesamten Kühlpfad etwa 0,5 bis 0,8 Zoll H2O überschreitet, sind Zentrifugalgebläse mit hohem statischem Druck die einzige Einzellüfterlösung, die einen ausreichenden Luftstrom liefert. In den folgenden Produktkategorien wird dieser Schwellenwert häufig überschritten.
Die Auswahl des besten Lüfters für Server-Racks mit hoher Dichte erfordert ein Gleichgewicht zwischen statischem Druck, Luftdurchsatz in CFM (Kubikfuß pro Minute), physischen Einschränkungen, Redundanz und Wartungsfreundlichkeit auf eine Art und Weise, die das Wärmemanagement eines Desktops oder einer Workstation nicht erfordert. Server-Racks mit hoher Dichte verbrauchen in der Regel 20 bis 40 kW oder mehr pro Rack, was bedeutet, dass der Luftstrombedarf in Hunderten von CFM (Kubikfuß pro Minute) pro 1U- oder 2U-Server gemessen wird und die Lüfter, die diesen Luftstrom antreiben, zu den am stärksten beanspruchten Komponenten im gesamten Rechenzentrum gehören.
Bei 1U-Rack-Servern ist die branchenweit vorherrschende Lösung eine Anordnung von 4 bis 7 Doppelrotor-Radiallüftermodulen, die auf der Rückseite des Servergehäuses angeordnet sind. Jedes Modul ist unabhängig gesteuert und im laufenden Betrieb austauschbar, um N plus 1-Redundanz zu gewährleisten. Diese Module verwenden rückwärts gekrümmte Laufräder, die sich mit 15.000 bis 25.000 U/min drehen, und liefern jeweils 15 bis 30 CFM (Kubikfuß pro Minute) gegenüber der Systemimpedanz von 0,8 bis 2,0 Zoll H2O, die ein dicht ausgelasteter 1U-Server aufweist. Ein Axialventilator mit diesem Durchmesser und dieser Geschwindigkeit würde bei diesem Gegendruck vollständig abwürgen und praktisch keinen Luftstrom liefern.
Bei 2U- und größeren Servern mit größerem verfügbaren Lüfterdurchmesser sind größere Axiallüftereinheiten im Bereich von 60 bis 80 mm in einigen Architekturen praktisch, insbesondere wenn der Server ein offenes Midplane-Design verwendet, bei dem der Luftstrom durch große Kartenkäfigöffnungen mit relativ niedriger Systemimpedanz strömt. Doch selbst in diesen Fällen sind die führenden Hersteller von Hyperscale-Servern in den meisten Produktlinien auf Radiallüftermodule umgestiegen, da diese über den gesamten Bereich der Filterbeladung und thermischen Bedingungen, die im realen Rechenzentrumsbetrieb auftreten, eine überlegene Leistungsstabilität bieten.
Zusammenfassung der besten Lüfter für Server-Racks mit hoher Dichte nach Server-Formfaktor:
| Server-Formfaktor | Typische Leistungsdichte | Empfohlener Lüftertyp | Typische Systemimpedanz |
|---|---|---|---|
| 1U-Rack-Server | 200 bis 500 W pro Einheit | Radialventilator modules, N plus 1 array | 0,8 bis 2,0 Zoll H2O |
| 2U-Rack-Server | 300 bis 800 W pro Einheit | Radialventilator modules or large Axial fan | 0,4 bis 1,2 Zoll H2O |
| 4U-Tower oder Speicher | 200 bis 600 W pro Einheit | Axialventilator array with ducting | 0,1 bis 0,5 Zoll H2O |
Die Auswahl eines Radialventilators für Designs mit begrenzten Platzverhältnissen ist ein Prozess, der sich erheblich von der allgemeinen Ventilatorauswahl unterscheidet, da die physischen Einschränkungen des Gehäuses oft Vorrang vor reinen aerodynamischen Präferenzen haben und vom Ingenieur eine Optimierung innerhalb eines eng begrenzten Lösungsraums erfordern.
Der erste Parameter, der bei der Auswahl eines Radialventilators für Konstruktionen mit begrenzten Platzverhältnissen festgelegt werden muss, ist der maximal verfügbare Einlassdurchmesser, da der Laufraddurchmesser der größte Einflussfaktor sowohl für den Druck als auch für die Durchflusskapazität ist. Selbst ein paar Millimeter zusätzlicher Einlassdurchmesser verändern die Leistung eines Radialventilators erheblich. Bei einem Laptop mit einer verfügbaren Lüfterhöhe von 8 mm kann die Wahl auf ein Laufrad mit 50 bis 65 mm Durchmesser beschränkt sein, und das gesamte thermische Design muss darauf ausgerichtet sein, was dieser Lüfter tatsächlich leisten kann.
Der zweite Parameter ist die Auslassrichtung und die Anschlussgröße, da der Auslass eines Radialventilators mit dem Abluftanschluss des Gehäuses übereinstimmen muss. Bei den meisten dünnen Notebook-Radiallüftern erfolgt die Luftabgabe durch einen schmalen Schlitz entlang einer Kante des Gehäuses, und die Geometrie des Spiralgehäuses muss die Luftabgabe genau zu diesem Schlitz leiten, ohne unnötige Biegungen, die den Widerstand erhöhen und den zugeführten Luftstrom verringern würden.
Ein thermischer Designleitfaden für die Kühlung von Computergehäusen muss sich mit der Auswahl des Lüftertyps, dem Design des Luftstrompfads und der Interaktion zwischen ihnen als integriertes System befassen, anstatt den Lüfter als isolierte Komponentenentscheidung zu behandeln. Ein leistungsstarker Lüfter in einem schlecht gestalteten Luftstromweg liefert enttäuschende Ergebnisse, während ein bescheidener Lüfter in einem gut gestalteten Luftweg die thermische Leistung eines leistungsstärkeren Lüfters übertreffen kann, der einen chaotischen oder rezirkulierenden Luftstrom bekämpft.
Ein Full-Tower- oder Mid-Tower-ATX-Gehäuse mit Mesh-Frontplatte, offenen Kartensteckplätzen und einer hinteren Abluftöffnung weist eine niedrige Systemimpedanz über den Hauptluftstromweg auf. Zwei oder drei 120-mm- oder 140-mm-Axiallüftereinheiten an der Vorderseite, die kühle Luft ansaugen, kombiniert mit einer oder zwei Axiallüftereinheiten an der Rückseite und oben, die heiße Luft abführen, erzeugen einen positiven Druckgradienten von vorne nach hinten, der die Wärme effizient von der CPU und der GPU ableitet. Dieser Wärmemanagementansatz funktioniert, weil die Systemimpedanz niedrig genug ist, damit Axiallüftereinheiten in der Nähe ihres Spitzeneffizienzpunkts auf ihren Lüfterkurven arbeiten können.
Ein Gehäuse mit kleinem Formfaktor, begrenztem Innenvolumen, minimalen Panelöffnungen und einer GPU mit einem Referenzgebläsekühler bietet ein ganz anderes Bild der Systemimpedanz. Hier ist der GPU-eigene Lüfter, ein Zentrifugallüfter, der Luft von oberhalb der Platine ansaugt und direkt aus dem hinteren Halterungssteckplatz ausströmt, häufig eine bessere thermische Lösung als ein Open-Air-GPU-Kühler, da er die Wärme sofort aus dem Gehäuse abführt, anstatt sie in den geschlossenen Raum zurückzuleiten, wo sie die Wirksamkeit der CPU-Kühlung verringert.
Der thermische Designleitfaden für das Kühlprinzip von Computergehäusen, der alle Formfaktoren umfasst: Entwerfen Sie zuerst den Luftstrompfad und wählen Sie dann Lüfter aus, deren Lüfterkurven die Systemwiderstandskurve beim erforderlichen CFM (Kubikfuß pro Minute) und an einem Punkt weit entfernt vom Stallbereich schneiden. Ein Lüfter, der in der Nähe des Strömungsabrisses läuft, ist laut, ineffizient und sorgt trotz hohem Stromverbrauch für eine schlechte tatsächliche Kühlung. Ein Lüfter, der mit 50 bis 70 Prozent seiner maximalen Durchflussrate läuft, ist leise, effizient und kann die Drehzahl erhöhen, wenn die Temperaturen unter Last steigen.
Wann ein Gebläse anstelle eines Axialventilators verwendet werden sollte, ist letztendlich eine Frage, die durch die Kombination aus Systemimpedanz und physikalischer Geometrie beantwortet wird. Wenn Sie der folgenden Logik folgen, wird bei jedem Wärmemanagementprojekt sowohl ein Over-Engineering als auch ein Under-Engineering verhindert.
Verwenden Sie ein Gebläse oder einen Radialventilator, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft:
Verwenden Sie einen Axialventilator, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft:
Die Antwort auf die Frage, wann ein Gebläse anstelle eines Axialventilators verwendet werden sollte, liegt immer in der Systemimpedanz: Messen oder schätzen Sie den Widerstand des Luftstrompfads, zeichnen Sie ihn auf der Ventilatorkurve jedes Kandidaten auf, und die richtige Wahl wird deutlich, wenn der Betriebspunkt auf jeder Kurve liegt. Keine Faustregel ersetzt diesen Schritt in einem ernsthaften Wärmemanagement-Engineering-Prozess.
Welchen Vorteil bietet die Verwendung eines Axialventilators? Die Hauptvorteile sind eine hohe Luftstromrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) im Verhältnis zur physischen Rahmengröße des Lüfters, ein dünnes Axialprofil, das direkt auf Flachbildschirme ohne Spiralgehäuse passt, geringere Geräuschentwicklung bei gleichwertigem Luftstrom in offenen Systemen, geringere Stückkosten und eine größere Verfügbarkeit in Standardgrößen von 25 mm bis 250 mm. Diese Vorteile machen den Axiallüfter zur ersten Wahl für alle offenen Kühlanwendungen mit niedriger Systemimpedanz.
Sind Radialventilatoren leistungsstärker? Was die Fähigkeit zum statischen Druck angeht, ja, mit großem Abstand: Zentrifugalgebläse mit hohem statischem Druck können das 5- bis 10-fache des maximalen statischen Drucks eines Axialventilators vergleichbarer Größe erzeugen. In Bezug auf die freie Luftströmungsrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) liefern Axialventilatoren bei einem gegebenen Rahmendurchmesser und einer gegebenen Leistungsaufnahme typischerweise mehr. Welche leistungsfähiger ist, hängt ganz von den Anforderungen der Anwendung ab.
Wie funktioniert ein Radialventilator? Es saugt Luft axial in die Mitte eines rotierenden Laufrads und schleudert diese dann mithilfe der Zentrifugalkraft radial nach außen. Dabei wird kinetische Energie in statischen Druck im Inneren eines Spiralgehäuses umgewandelt, bevor sie im 90-Grad-Winkel zum Einlass abgegeben wird. Ein Axialventilator bewegt die Luft direkt in die gleiche Richtung, in der sich die Welle dreht, und erzeugt so eine Luftströmungsrate in CFM (Kubikfuß pro Minute) bei minimaler Druckumwandlung.
Die Luftströmungsrichtung von Axialventilatoren verläuft parallel zur Rotationswelle. Luft tritt axial in die Stirnseite der rotierenden Schaufeln ein und verlässt die gegenüberliegende Stirnseite in derselben axialen Richtung. Dieser gerade Durchgangsströmungsweg ist das entscheidende Merkmal, das die Integration des Axialventilators in Flachbildschirmausschnitte und Inline-Kanalabschnitte erleichtert.
Wenn man die Lüfterkurven des Luftstroms im Vergleich zum statischen Druck versteht, zeigt sich der wichtigste praktische Unterschied: Die Kurve des Axiallüfters fällt steil ab, wenn der Gegendruck steigt, was bedeutet, dass sein gelieferter CFM (Kubikfuß pro Minute) mit zunehmender Systemimpedanz stark abfällt. Die Kurve des Radialventilators ist viel flacher und sorgt so für einen nützlichen Luftstrom über einen größeren Gegendruckbereich. Dieser Unterschied in der Kurvenform, nicht der maximale Druck oder die maximale Durchflusszahl allein, ist es, der den Unterschied zwischen Axial- und Radialventilatoren in real installierten Anwendungen bestimmt.
Der beste Kühllüfter für Server-Racks mit hoher Dichte im 1U-Formfaktor ist eine Reihe von rückwärts gekrümmten Radiallüftermodulen, die mit 15.000 bis 25.000 U/min laufen und in einer N plus 1 Hot-Swap-Anordnung eingesetzt werden. Diese liefern jeweils 15 bis 30 CFM (Kubikfuß pro Minute) bei einer Systemimpedanz von 0,8 bis 2,0 Zoll H2O, die für einen dicht belasteten 1U-Server typisch ist, ein Niveau statischen Drucks, mit dem Axiallüftereinheiten mit vergleichbaren Durchmessern nicht mithalten können.
Wann sollte ein Gebläse anstelle eines Axiallüfters verwendet werden: Wählen Sie einen Gebläselüfter, wenn die Systemimpedanz etwa 0,5 Zoll H2O übersteigt, wenn das Gehäuse zu dünn für einen Axiallüfter mit ausreichendem Durchmesser ist oder wenn der Luftstrom um 90 Grad umgelenkt werden muss, um durch einen bestimmten Schlitz oder Anschluss auszutreten. Verwenden Sie einen Axialventilator, wenn die Systemimpedanz niedrig ist, die maximale freie Luft CFM (Kubikfuß pro Minute) pro Geräuscheinheit Priorität hat und die Kosten eine wesentliche Einschränkung darstellen.
Die Systemimpedanz ist der Gesamtwiderstand, den der Luftstromweg dem Lüfter entgegensetzt. Wenn die Systemimpedanz steigt, verliert ein Axialventilator schnell an geliefertem CFM (Kubikfuß pro Minute), weil seine Ventilatorkurve steil ist, während ein Radialventilator einen höheren Luftstrom aufrechterhält, weil seine Kurve flacher ist. Daher beginnt die Lüfterauswahl mit der Messung oder Schätzung der Systemimpedanz und deren Anpassung an den richtigen Lüftertyp, bevor andere Parameter berücksichtigt werden.
In offenen Systemen mit niedriger Systemimpedanz begünstigt der Vergleich des Geräuschpegels zwischen Axial- und Radialventilatoren den Axialventilator, da dieser große CFM (Kubikfuß pro Minute) bei niedriger Drehzahl und niedrigem dBA liefert. In Systemen mit eingeschränkter Systemimpedanz kehrt sich der Vergleich um, da der Axiallüfter gegen den Gegendruck auf maximale Drehzahl laufen muss, während der Radiallüfter die gleiche thermische Last bei einem geringeren Teil seiner Drehzahl abdeckt. Der Radialventilator hat auch einen tonalen Charakter des Laufgeräuschs der Schaufeln, den viele Zuhörer bei gleichem dBA-Gesamtpegel als störender empfinden als Breitband-Axialventilatorgeräusche.
Die Auswahl eines Radialventilators für Konstruktionen mit begrenzten Platzverhältnissen umfasst fünf Hauptschritte: Messen Sie zunächst die maximal verfügbare Höhe und den Einlassdurchmesser innerhalb des Gehäuses. Zweitens: Schätzen Sie die Systemimpedanz für den spezifischen Kühlkörper und Kanalpfad. Drittens überprüfen Sie die Auslassrichtung und die Anschlussabmessungen, um sicherzustellen, dass die Ausrichtung des Spiralgehäuses zum Gehäuselayout passt. Viertens überprüfen Sie die Lüfterkurve am berechneten Betriebspunkt der Systemimpedanz, um sicherzustellen, dass der gelieferte CFM (Kubikfuß pro Minute) den Anforderungen des Wärmemanagements entspricht. und fünftens: Überprüfen Sie die Schallleistung bei Betriebsgeschwindigkeit anhand der Produktgeräuschspezifikation.
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