Para muchos sistemas electrónicos, los ventiladores son un componente importante, diseñado para mantener el sistema dentro de las temperaturas recomendadas, asegurando que los componentes electrónicos funcionen de manera óptima y duren toda su vida útil. Ha habido intentos de encontrar técnicas alternativas de administración térmica, pero ninguna ha demostrado ser tan eficiente y rentable como el ventilador.
El ventilador funciona por medio de un rotor que gira sobre un cojinete para desplazar el aire. La operación confiable del cojinete es clave para el diseño del ventilador, ya que este puede girar miles de veces por minuto y se le puede pedir que tenga una vida útil de muchos años. Este proceso somete al cojinete a un enorme esfuerzo, por lo que es esencial que esté a la altura del trabajo que cumple.
Existen dos diseños de cojinetes que son ampliamente utilizados, el cojinete liso y el cojinete de rodamiento, y cada uno tiene sus pros y sus contras.
Ventiladores de cojinetes lisos
Los diseños de ventiladores de cojinetes lisos no son costosos, resistentes y sencillos, lo que ha llevado a su uso generalizado en muchas aplicaciones. Su resistente diseño garantiza que puedan trabajar en muchos entornos duros y su simplicidad significa que son menos propensos a funcionar mal. Otro beneficio de los diseños de ventiladores de cojinetes lisos es que tienden a generar menos ruido durante el funcionamiento, esto permite utilizarlos ampliamente en áreas silenciosas, como en oficinas.
El eje central de un ventilador de cojinete liso está revestido por una estructura similar a un manguito, con aceite para su lubricación, y así facilitar la rotación. La forma de manguito ofrece protección al eje y garantiza que el rotor se mantenga en la posición correcta, preservando el espacio entre el rotor y el estator.
Fig. 1: Diagrama de un cojinete liso
Puede haber un acto de equilibrio para obtener el tamaño correcto del espacio entre el eje y el manguito. Demasiado poco espacio resulta en un aumento en la fricción, lo que dificulta el arranque del ventilador y consume más energía. Si la separación es demasiado grande, el rotor puede tambalear. El segundo inconveniente de la fabricación con forma de manguito es que es el único medio físico que mantiene el rotor en su lugar y, con el tiempo, el eje erosionará el orificio del cojinete. Este fenómeno es peor si el rotor siempre gira en la misma dirección, eventualmente conducirá a que el orificio adquiera una forma ovalada, lo que resultará en un funcionamiento más ruidoso y una vida útil más corta. Si el ventilador se mueve o se reorienta, el cojinete se erosionará en diferentes lugares y se volverá irregular, lo que hará que tambalee y haga más ruido. Además, la fabricación de manguito requiere anillos de aceite y arandelas Mylar para evitar que el lubricante se escape, lo que provoca más fricción en el eje y evita que los gases se escapen. El gas atrapado se solidifica en partículas de nitruro que impiden el movimiento y pueden acortar la vida útil del ventilador.
Los ventiladores de cojinetes lisos se pueden encontrar en muchos diseños, particularmente en aquellos que operan a temperaturas normales y en equipos estáticos. Las aplicaciones, como computadoras y equipos de oficina, aparatos HVAC y gabinetes industriales hacen un uso extensivo de los diseños de ventiladores de cojinetes lisos.
Ventiladores de cojinetes de rodamiento
Los diseños de los ventiladores de cojinetes de rodamiento están hechos para prevenir algunos de los inconvenientes encontrados en los ventiladores de cojinetes lisos. En general, son menos propensos al desgaste y pueden operar en cualquier orientación y a temperaturas más altas. Sin embargo, los ventiladores de cojinetes de rodamiento son más complejos y costosos que los diseños de cojinetes lisos, además de ser menos resistentes. Como resultado, los impactos pueden afectar en gran medida el rendimiento general de un ventilador de cojinetes de rodamiento. También tienden a generar más ruido cuando están en uso, lo que puede restringir las áreas en las que se pueden utilizar.
Los diseños de los ventiladores de cojinetes de rodamiento usan un anillo de bolas alrededor del eje para resolver problemas de desgaste irregular y de oscilación del rotor. La mayoría de los diseños de motores de ventilador tienen dos cojinetes, uno delante del otro, y suelen estar separados por resortes. Los cojinetes ofrecen una fricción reducida en comparación con los diseños lisos y los resortes pueden ayudar con cualquier inclinación del ventilador que pueda inducir el peso del rotor. Si los resortes se colocan completamente alrededor del eje, el dispositivo puede operarse en cualquier ángulo sin desgaste ni fricción, lo que brinda un diseño más confiable.
Los ventiladores de cojinetes de rodamiento también se pueden encontrar en aplicaciones informáticas de alta densidad y centros de datos, donde el rendimiento, la temperatura y el MTBF (tiempo promedio entre fallas) son factores más importantes que el ruido. También se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales para sistemas electrónicos de enfriamiento o como sopladores para aplicaciones de secado industrial.
Fig. 2: Diagrama de un cojinete de rodamiento
Cojinete del ventilador del sistema omniCOOL™
Los diseños de cojinetes lisos y de rodamiento no son las dos únicas opciones disponibles. Hay un tercer sistema introducido por CUI Devices que utiliza balanceo de rotor magnético, también conocido como estructura magnética y un cojinete liso mejorado para compensar las desventajas encontradas en otros diseños de ventiladores. Este tercer tipo de cojinete se llama sistema omniCOOL™.
La estructura magnética del sistema omniCOOL hace que el rotor funcione de manera muy similar a la de un trompo, uno que puede operar en cualquier ángulo sin caerse. La estructura magnética se encuentra en la parte frontal del rotor, donde su flujo corre paralelo a la dirección del eje del motor. En esa posición, la estructura magnética atrae el rotor de manera uniforme, independientemente del ángulo de este.
Fig. 3: Diagrama de un motor de ventilador con el sistema omniCOOL
La punta del eje se mantiene en posición a través de una tapa de soporte en la parte frontal del orificio del cojinete para formar el punto de rotación del rotor. Este método quita el peso del rotor tanto del eje como del manguito del cojinete. El campo magnético también empuja el eje hacia abajo, bajando su centro de gravedad, lo que resulta en una inclinación y balanceo minimizados. Esto permite utilizar el ventilador en cualquier ángulo que se requiera, así como minimizar la fricción.
La estructura magnética se puede aplicar tanto a los ventiladores tradicionales lisos como a los del tipo de cojinetes de rodamiento, para ayudar a mitigar los problemas descritos anteriormente, pero solo hasta cierto punto. Para mejoras adicionales, el sistema omniCOOL utiliza un diseño avanzado de cojinetes que se ha fortalecido para obtener resistencia adicional en las áreas donde ocurre el contacto. El diseño del cojinete endurecido es capaz de funcionar a temperaturas de hasta 90° C.
La reducción del roce también significa que se requiere menos lubricante, lo que permite que los anillos de aceite y las arandelas Mylar se retiren del diseño, eliminando otra fuente de fricción. Esto lleva a menos ruido y menos resistencia en el arranque, al mismo tiempo, reduce el número de piezas. Menos piezas significan que el sistema omniCOOL es más fácil de fabricar y más confiable que otros diseños.
Superar la brecha en los diseños tradicionales de ventiladores
El sistema omniCOOL mitiga los aspectos negativos tanto de los diseños de ventiladores de cojinetes lisos como los de rodamiento, lo que da como resultado un ventilador sólido que es silencioso, rentable y puede operar en cualquier ángulo. Al negar los inconvenientes de los otros dos tipos de fabricación de ventiladores, el sistema omniCOOL se puede utilizar para reemplazar cualquier tipo de ventilador y traer los beneficios de ambos tipos a cualquier diseño. Las aplicaciones que favorecieron los diseños basados en manguitos ahora tienen una alternativa que también es silenciosa, sólida y confiable, a la vez que ofrece una vida útil más larga y la posibilidad de utilizarse en cualquier orientación. Las aplicaciones que requerían diseños de cojinetes de rodamiento de mayor rendimiento ahora pueden mantener mayor resistencia a la temperatura y menor desgaste, al mismo tiempo que obtienen una mejor resistencia al impacto y una construcción más resistente. En lugar de verse obligados a comprometerse, los diseñadores pueden tener acceso a la fabricación de un ventilador que ofrece lo mejor de ambos mundos.