Chłodzenie urządzeń
Dobór wentylatora/dmuchawy
do chłodzenia układu na
podstawie dokumentacji firmy
Sunon
Wentylator może być traktowany tak, jak pompa
powietrza, która zamienia ruch wirowy i moc
napędzającego ją silnika na przepływ strumienia Fot. 1. Wentylator
powietrza o określonej prędkości i ciśnieniu. Do
nych parametrach, z czym bywa różnie u daleko-
konwersji używany jest element wykonawczy
wschodnich producentów.
w postaci śmigła. Nic bardziej oczywistego. Podstawowa różnica pomiędzy wentylatorem a dmu-
chawą polega na sposobie przepływu powietrza
A jak pogodzić wielkość wentylatora z ilością
i charakterystyce wywieranego ciśnienia. Wentylator
odprowadzanego ciepłego powietrza? Kiedy
przemieszcza powietrze w kierunku, który jest pro-
zastosować wentylator a kiedy dmuchawę?
stopadły do płaszczyzny wirowania śmigła. Może
Postaram się odpowiedzieć na to i inne możliwe
przy tym powodować znaczny jego przepływ (tab. 1),
pytania korzystając z materiałów tajwańskiej
ale słabo radzi sobie przy dużej różnicy ciśnień, wy-
firmy Sunon.
dmuchując powietrze  przeciwko wysokiemu ciśnie-
niu. Dmuchawa przemieszcza powietrze w kierunku,
Wentylator i dmuchawa są pompami powietrza i dla-
który jest równoległy do płaszczyzny wirowania, przy
tego do opisu ich pracy będą miały zastosowanie te
same parametry, które charakteryzują pracę każdej
pompy.
W wentylatorze czy dmuchawie ruch obrotowy silnika
zamieniany jest na ruch postępowy powietrza przy
pomocy śmigła. Na fot. 1 pokazano typowy wentyla-
tor, a na fot. 2 dmuchawę. Obie fotografie pokazują
produkty firmy Sunon. Oczywiście podobne można
znalez
ć w ofertach innych producentów. Dla potrzeb
tego artykułu wybrałem firmę Sunon, ponieważ wy-
twarza ona wyroby o bardzo dobrze udokumentowa-
1 z 6
Fot. 2. Dmuchawa
wane produkowane przez Su-
Tab. 1. Dane wybranych wentylatorów Sunon
Wymiary Przepływ Wymiary Przepływ Wymiary Przepływ
non mają minimalne napięcie
(mm) (cfm) (mm) (cfm) (mm) (cfm)
zasilania 5 V DC, a maksymal-
17�17�8 0,7& 0,9 40�40�10 7,0& 8,0 60�60�60 67,0
20�20�8 1,3& 1,6 40�40�15 14,0 70�70�15 19,0& 27,0
ne 230 V AC.
20�20�10 1,5& 1,9 40�40�20 6,3& 10,8 70�70�20 23,5& 43,0
25�25�6 2,2& 3,0 40�40�24 21,6 70�70�25 24,0& 49,0
25�25�10 3,0& 3,5 40�40�28 23,4 80�80�15 32,0& 40,0
A
ożyskowanie wirnika
25�25�15 2,2& 3,1 40�40�56 26,7 80�80�20 29,0& 53,0
30�30�6 3,7& 4,9 45�45�10 9,2& 11,0 80�80�25 33,0& 60,0
Dla trwałości wentylatora klu-
30�30�10 4,6& 5,5 50�50�10 11,0& 13,0 80�80�32 61,9
czowe znaczenie ma sposób
30�30�15 4,8& 6,0 50�50�15 10,2& 17,0 80�80�38 59,5& 84,1
35�35�6 4,3& 5,5 55�55�15 21,1 92�92�25 39,5& 77,0
łożyskowania wirnika, ponie-
35�35�10 6,5& 7,0 60�60�15 15,0& 21,0 92�92�32 79,0
38�38�20 10,6& 13,5 60�60�20 19,0& 30,5 92�92�38 91,7& 120,2 waż to jego jakość i trwałość
38�38�28 12,6& 19,0 60�60�25 19,3& 40,0 120�120�25 75,0& 150,0
w największym stopniu decydu-
40�40�6 5,5& 5,9 60�60�38 41,5& 56,5 120�120�38 93,0& 190,0
ją o czasie życia wentylatora
Tab. 2. Zestawienie dmuchaw Sunon
w aplikacji. Sunon w swoich
Wymiary Przepływ Wymiary Przepływ Wymiary Przepływ
(mm) (cfm) (mm) (cfm) (mm) (cfm)
wyrobach stosuje pewną, opa-
35�35�7 0,9 50�50�20 4,8& 5,7 75�75�30 7,5& 13,6
tentowaną przez siebie modyfi-
45�45�20 4,6 60�60�15 3,5& 5,2 97�94�33 22,4& 30,5
50�50�15 2,3& 4,7 60�60�25 7,3 120�120�32 31,4& 35,9
kację magnetycznego łożysko-
czym w porównaniu z wentylatorem wywołuje ona
wania wirnika, nazywaną MagLev (rys. 3). Różnica
mniejszy przepływ (tab. 2). Jej zaleta jest taka, że
pomiędzy rozwiązaniem tradycyjnym, a stosowanym
różnica ciśnień może być duża, tzn. dmuchawa, ina-
przez Sunon, polega na obniżeniu środka ciężkości
czej niż wentylator, może pracować  przeciwko du-
rotora oraz stabilizację orbity wirnika przez zastoso-
żemu ciśnieniu zewnętrznemu.
wanie odpowiednio ukształtowanego statora i płytki
W większości aplikacji użytkownik ma do czynienia
MagLev,  lewitującej w polu magnetycznym magne-
z wentylatorem w postaci śmigła przymocowanego
su stałego. W ten sposób uzyskuje się redukcję
do rotora silnika wprawiającego je w ruch wirowy.
drgań rotora, co przekłada się wprost na znaczną
Śmigło otoczone jest niewielką osłoną, która jedno-
redukcję hałasu.
cześnie ma na brzegach od dwóch do kilku otworów
na śruby mocujące. Można spotkać również specjal-
Podstawy aerodynamiki śmigła
ne typy wentylatorów, osłonięte rodzajem tuby lub
Na rys. 4 pokazano podstawowe parametry łopatki
umieszczone wewnątrz kanału nawiewnego. Osłony
śmigła. Cięciwa (linia przerywana) przechodzi przez
te, oprócz mechanicznego zabezpieczenia wentylato-
najwyżej położony punkt na krawędzi natarcia i naj-
ra, redukują również wiry powstające na krawędziach
wyższy punkt krawędzi spływu. Kąt natarcia łopatki
łopatek śmigła tym samym zmniejszając hałas. Do
mierzony jest pomiędzy cięciwą a względnym kierun-
napędzania wentylatorów i dmuchaw stosowane są
kiem ruchu powietrza. W związku z tym, że ten kieru-
silniki indukcyjne zasilane prądem przemiennym lub
nek zawiera się w płaszczyz
nie wirowania, to kąt
silniki bezszczotkowe zasilane prądem stałym.
będzie mierzony pomiędzy nią a cięciwą łopatki.
Tak wentylatory, jak i dmuchawy, produkowane są
jako lewoskrętne i prawoskrętne. Wentylatory ofero-
2 z 6
zwiększa się ciśnienie oraz maleje przepływ powie-
Stator
trza po obu stronach łopatki śmigła. Przepływ może
się zmniejszyć do bliskiego 0. Punkt ten nazywa się
punktem odcięcia.
Zwykle stosowane w elektronice wentylatory
i dmuchawy mają łopatki o stałym kącie natarcia,
i przy najczęściej stałej, stabilizowanej prędkości
obrotowej, mają swoją ściśle określoną zdolność do
Płytka
Obniżony środek
maglev
przemieszczania pewnej ilości powietrza, zwaną
ciężkości
wydajnością. Wydajność niektórych wentylatorów
Patent firmy Sunon to płytka z materiału paramagnetycz-
zależy od temperatury powietrza  mają one termi-
nego i specjalny stator, które oddziałując z magnesem
stor umieszczony w strumieniu przepływającego
powodują ściągnięcie wirnika na całym obwodzie w dół i
powietrza, mierzący temperaturę i wpływający na
oparcie jego osi o panewkę. W ten sposób obniżany jest
układ regulacji obrotów.
środek ciężkości i stabilizowana orbita. W efekcie drgania
rotora zostają zredukowane do minimum. Wydajność wentylatora zmienia się ze zmianą gęsto-
ści powietrza. Ma to duże znaczenie, jeśli wentylator
czy dmuchawa będą eksploatowane na wysokości
Stator
różnej od poziomu morza. W takim przypadku wenty-
lator przeznaczony do pracy na dużej wysokości
musi mieć większą wydajność, niż ten przeznaczony
do pracy na poziomie morza.
Krzywa pracy wentylatora
W związku z tym, że większość producentów wenty-
Środek ciężkości
jest podwyższony
latorów podaje ich parametry w jednostkach obowią-
zujących w Stanach Zjednoczonych i Azji, to w kata-
logach często spotkamy się z przepływam podawa-
Typowy wentylator wykorzystuje środek pole magnetycz-
nym w CFM, tj. Cubic Feet per Minute (stopa sze-
nego, aby przyciągnąć wirnik w dół i oprzeć jego oś o pa-
ścienna na minutę) oraz ciśnieniem w Inches of Wa-
newkę. Wysoko położony środek ciężkości, nierównomier-
ter, tj. calach słupa wody. Na szczęście, zależność
ność natężenia pola magnetycznego i odchylenia centrum
magnetycznego powodują drgania wirnika.
pomiędzy stopami czy calami a metrami jest liniowa i
w razie potrzeby łatwo jest zamienić jednostki. U
Rys. 3. Porównanie rozwiązania MagLev opatentowa-
jednego z polskich dystrybutorów firmy Sunono, a
nego przez firmę Sunon z tradycyjnym
mianowicie na stronie internetowej firmy TME
(www.tme.eu), dostępna jest dokumentacja technicz-
Jeśli kąt natarcia jest mały, to ciśnienie różnicowe
na wentylatorów i dmuchaw Sunon, w której krzywe
(mierzone po obu stronach płaszczyzny wirowania)
wyskalowane są w jednostkach imperialnych oraz SI.
jest również małe. Wraz ze wzrostem kata natarcia
(skutkuje to zwiększaniem grubości wentylatora),
3 z 6
w prosty sposób dobrać wentylator
Krawędz

natarcia
do aplikacji. W praktyce inżynier-
skiej, konstruktorskiej, przy projek-
towaniu prostych systemów, wy-
Krawędz

spływu
starczające będą podane niżej
wskazówki. Jeśli chłodzony system
jest bardzo złożony, to niestety
może okazać się, że niezbędne
jest wykonanie serii pomiarów,
Względny ruch
powietrza
symulacji komputerowych lub do-
bór wentylatora metodą prób
Rys. 4. Przekrój łopatki śmigła z zaznaczonymi podstawowymi parametrami.
i błędów. Nie można bowiem w
Wszystkie aerodynamiczne aspekty pracy wentylato-
prosty sposób określić właściwości termicznych
ra obrazuje krzywa zwana krzywą wentylatora. Mo-
obiektu, nie znając poszczególnych parametrów
że ona wyglądać jak na rys. 5. Analizę rozpoczyna
komponentów wchodzących w jego skład. W pew-
się od prawej strony do lewej, to jest od największego
nych sytuacjach może stać się konieczne użycie np.
przepływu powietrza do punktu odcięcia. A
opatka
kamery termowizyjnej.
wentylatora pracująca w pobliżu punktu odcięcia
Dla prostych systemów składających się z zasilacza
nadal może powodować przepływ powietrza, jednak
i komponentów zamkniętych we wspólnej obudowie
przypomina to głośne jego  mielenie przy jednocze-
można a priori założyć, że cała dostarczana energia
snym, dużym wydatku energetycznym.
zamieniana jest w ciepło. Po zmierzeniu lub wylicze-
Pole powierzchni pod krzywą reprezentuje energię
niu wymagań urządzenia związanych z zasilaniem,
wydatkowaną na funkcjonowanie wentylatora.
można oszacować ilość mocy, którą musi rozproszyć
W punkcie odcięcia wirnik ma największą energię
system chłodzenia. Uśredniona pojemność termiczna
potencjalną, natomiast w osi rzędnych  największą
powietrza jest równa 0,569 W�minutęװC /ft3. Ozna-
energię kinetyczną. Aczkolwiek nie są to warunki
cza to, że każda ft3 powietrza przepływającego przez
pracy użyteczne w zastosowaniach praktycznych, to
system w czasie jednej minuty może rozproszyć
mogą mieć zastosowanie przy porównywaniu wenty-
0,569 W i wywołać zmianę temperatury o 1�C. Moż-
latorów.
na to wyrazić również w inny sposób: straty mocy
wynoszące 1 W powodują wzrost temperatury o 1�C
Wybór właściwego wentylatora lub dmuchawy
i aby im zapobiec przez system musi w ciągu jednej
Szacowanie przepływu powietrza wymaganego do
minuty musi przepłynąć 1,757 ft3 powietrza.
chłodzenia systemu
Firma Sunon podaje w swoich danych katalogowych
krzywe dla każdego typu wentylatora. Pozwala to
4 z 6
n
a
K
t
a
ą
r
t
c
i
a
Po oszacowaniu strat mocy w watach i określeniu cza się jako m"= k � P / (T0-T), gdzie: k = 1,757
dopuszczalnego wzrostu temperatury, można przy- cfmװC/W; P to rozpraszana moc w W; T0-T to
stąpić do wyboru wentylatora. I tu potrzebna jest zmiana temperatury w �C.
znajomość różnicowego ciśnienia powietrza, to jest
panującego wewnątrz i na zewnątrz obudowy. Jest to Przykład doboru wentylatora lub dmuchawy do chło-
parametr istotny, ponieważ jak pamiętamy wentylator dzenia prostego systemu elektrycznego
kiepsko radzi sobie z pracą  przeciwko ciśnieniu. Dla W prostych kalkulacjach przyjmuje się, że system
przykładu manometr może wskazywać ciśnienia róż- używa 70% mocy z
ródła napięcia zasilania. Typowo
nicowe 0,2 do 0,25 słupa wody, jeśli wylot wentylato- zasilacz AC/DC pracuje ze sprawnością 75%, co
ra wyposażony jest w drobny filtr przeciwpyłowy. Po oznacza, że zasilacz zamienia 25% pobranej mocy
naniesieniu tej wielkości na wykresie typowego wen- na ciepło. Wentylator musi rozproszyć całe zbędne
tylatora powodującego przepływ około 100 cfm (np. ciepło. Prześledz
my to na przykładzie.
PMD4809PMB2-A z oferty Sunon, rys. 6) okazuje Zgodnie z tym, co napisano wcześniej, zasilacz
się, że ta wielkość ciśnienia różnicowego redukuje o mocy 400 W i sprawności 75%, dostarczający do
przepływ aż o blisko 50%! Wymagany przepływ wyli- obciążenia moc 400 W, pobierze jej o 25% więcej, tj.
Punkt
odcięcia
Normalny
zakres pracy
wentylatora
Krzywa pracy
wentylatora
Ciśnienie, przy
którym pracuje
wentylator
Maksymalny
przepływ powietrza
wokół łopatki
Przepływ powietrza (wokół łopatki)
Przepływ powietrza
w ft3/min lub m3/min
Rys. 5. Krzywa pracy wentylatora.
5 z 6
Ciśnienie statyczne powietrza
(
słup wody w calach lub metrach
)
1,25 � 400 W = 500 W. Zasilany system pobierze Niezawodność
500 W � 70% = 350 W. Załóżmy, że będzie pracował W systemie, który jest chłodzony przy pomocy wy-
w otoczeniu o temperaturze w najgorszym przypadku muszonego obiegu powietrza, wentylator jest nie-
równej 35�C, a temperatura powietrza wewnątrz zmiernie ważnym elementem, ponieważ jego awaria
urządzenia nie może przekroczyć 50�C. Zgodnie może za sobą pociągnąć trudny do przewidzenia ciąg
z podanym wyżej wyrażeniem m = 1,757 � 350 / (50 - zdarzeń. Dlatego niezmiernie istotne stosowanie
35) = 40,99 cfm. wyrobów pewnych i sprawdzonych producentów.
Teraz należy wybrać wentylator o wymaganych pa- Osobiście używałem wentylatorów Sunon i bardzo je
rametrach i zaznaczyć wyliczony przepływ na osi sobie cenię, ponieważ pracują one cicho
odciętych. Następnie określić, czy dany wentylator i niezawodnie. Często wentylator chłodzący przeży-
będzie mógł pracować przy znanym ciśnieniu różni- wa urządzenie  pracuje dobrze nawet wtedy, gdy
cowym pamiętając o tym, że każda przeszkoda na sprzęt po latach oddawany jest do utylizacji.
drodze powietrza może je zwiększyć. I tak siatka W ofercie Sunon można znalez
ć wentylator praktycz-
zabezpieczająca wentylator przed drobnymi obiekta- nie do każdej aplikacji: począwszy od miniaturowych
mi powoduje powstanie ciśnienia różnicowego o war- o wymiarach 17�17�8 mm, aż do całkiem sporych,
tości 0,1& 0,15 , gęsty filtr przeciwpyłowy 0,2& 0,3 , zapewniających przepływ blisko 200 cfm. Sposób
natomiast kratka osłaniająca wentylator wykonana z łożyskowania jest gwarancją, że wentylator nie za-
drutu umożliwi pracę przy ciśnieniu różnicowym bli- wiedzie w żadnych warunkach. Firma ta jest żywym
skim 0 słupa wody. dowodem tego, że nie zawsze wyroby azjatyckich
producentów są tanie i raczej kiepskiej jakości. Pro-
dukty Sunon można znalez
ć w wielu sklepach z pod-
zespołami dla elektroników, jak i w ofercie sklepów
internetowych, jak chociażby wspomnianego TME.
Oczywiście oprócz opisywanych wyżej produktów
można na rynku znalez
ć i inne. Dobrze jest jednak
pamiętać, że układy chłodzące mają kluczowe zna-
czenie dla pracy niektórych podzespołów, nie tylko
mocy. Częstokroć usterki, których powodem jest
0,25"
przegrzewanie się są bardzo trudno do zlokalizowa-
nia i potrafią zmarnować wiele cennych godzin pracy
55 cfm
konstruktora.
Jacek Bogusz
Rys. 6. Krzywa pracy wentylatora PMD4809PMB2-A firmy
[e-mail]
Sunon
6 z 6