Les ventilateurs sont un élément important de nombreux systèmes électroniques conçu pour maintenir les températures recommandées afin que l'électronique fonctionne de manière optimale tout au long de son cycle de vie. Les chercheurs ont certes tenté de trouver d'autres techniques de gestion thermique, mais aucune ne s'est révélée aussi efficace et économique que le ventilateur.
Un ventilateur fonctionne en utilisant un rotor qui tourne sur un roulement afin de brasser l'air. Le fonctionnement fiable du roulement est essentiel pour la conception du ventilateur, car ce dernier peut tourner des milliers de fois par minute et peut avoir une longue durée de vie. Ce processus expose le roulement à d'énormes contraintes. Il est donc primordial qu'il soit à la hauteur de la tâche.
Deux conceptions de roulement sont largement utilisées : le roulement à palier lisse et le roulement à billes. Chacune présente des avantages et des inconvénients.
Ventilateurs à palier lisse
Les ventilateurs à palier lisse sont peu coûteux, résistants et simples. Pour cette raison, ils sont utilisés à grande échelle dans de nombreuses applications. Leur conception solide leur permet de fonctionner dans des environnements très difficiles et leur simplicité les expose moins aux dysfonctionnements. Autre avantage des ventilateurs à palier lisse, ils ont tendance à être moins bruyants, ce qui permet de les utiliser dans les espaces silencieux tels que les bureaux.
L'axe central d'un ventilateur à palier lisse est enchâssé dans une sorte de douille lubrifiée à l'aide d'huile pour faciliter sa rotation. La douille assure la protection de l'axe et maintient le rotor dans la bonne position, préservant ainsi l'espace entre le rotor et le stator.
Fig. 1 : Schéma d'un roulement à palier lisse
Il convient de configurer judicieusement l'espace entre l'axe et la douille. Si l'espace est trop restreint, le frottement augmente, ce qui complique le démarrage du ventilateur et consomme plus d'énergie. Si l'espace est trop important, le rotor peut osciller. Autre inconvénient de la conception à palier lisse, ce dernier est le seul support physique qui maintient le rotor en place ; au fil du temps, l'axe érode l'alésage du roulement. Ce phénomène est amplifié quand le rotor tourne toujours dans le même sens, entraînant tôt ou tard la déformation de l'alésage qui s'ovalise, d'où un fonctionnement plus bruyant et une durée de vie raccourcie. Quand le ventilateur est déplacé ou réorienté, le roulement s'use à différents endroits et devient instable, entraînant une oscillation et une accentuation du bruit. De plus, la configuration à douille requiert des bagues de graissage et des rondelles Mylar pour éviter les fuites de lubrifiant, ce qui accroît le frottement sur l'axe et empêche les gaz de s'échapper. Les gaz emprisonnés se solidifient en particules de nitrure qui entravent le mouvement et peuvent écourter la durée de vie du ventilateur.
Les ventilateurs à palier lisse se retrouvent dans de nombreuses conceptions, en particulier dans celles qui fonctionnent à des températures normales sur des équipements statiques. Certaines applications, telles que les ordinateurs et les équipements de bureau, les équipements CVC et les armoires industrielles font un usage intensif des ventilateurs à palier lisse.
Ventilateurs à roulements à billes
Les ventilateurs à roulements à billes sont conçus pour compenser certains désavantages des ventilateurs à palier lisse. En général, ils sont moins sujets à l'usure et peuvent fonctionner à des températures plus élevées, quelle que soit l'orientation. Toutefois, les ventilateurs à roulements à billes sont plus complexes et plus coûteux que les modèles à palier lisse. De plus, ils sont moins solides. Par conséquent, les chocs peuvent fortement affecter les performances globales d'un ventilateur à roulements à billes. Ces modèles ont également tendance à générer plus de bruit en fonctionnement, ce qui limite les espaces dans lesquels ils peuvent être déployés.
Les ventilateurs à roulements à billes ont recours à une bague de billes qui entoure l'axe pour résoudre les problèmes d'usure inégale et d'oscillation du rotor. La plupart des moteurs de ventilateur utilisent deux roulements placés l'un derrière l'autre généralement séparés par des ressorts. Ces roulements génèrent moins de frottement que les roulements à palier lisse et les ressorts peuvent compenser toute inclinaison du ventilateur que le poids du rotor pourrait engendrer. Si les ressorts sont placés tout autour de l'axe, l'appareil peut être utilisé à n'importe quel angle sans usure ni frottement, offrant ainsi une conception plus fiable.
Les ventilateurs à roulements à billes se retrouvent également dans les applications informatiques haute densité et les datacenters où les performances, la température et le temps moyen avant panne (MTBF) sont des facteurs plus importants que le bruit. Ils sont aussi largement utilisés dans les applications industrielles pour refroidir les systèmes électroniques ou en tant que souffleurs pour les applications de séchage.
Fig. 2 : Schéma d'un roulement à billes
Système de roulement pour ventilateurs omniCOOL™
Les conceptions à roulements à billes et à palier lisse ne sont pas les deux seules options disponibles. Il existe un troisième système développé par CUI Devices qui utilise un équilibrage magnétique du rotor, également appelé structure magnétique, associé à un roulement à palier lisse amélioré qui pallie les inconvénients des autres types de conception. Ce troisième type de roulement porte le nom de système omniCOOL™.
La structure magnétique du système omniCOOL permet au rotor de fonctionner à la manière d'une toupie. Il peut donc être utilisé quel que soit l'angle sans risquer de basculer. La structure magnétique est positionnée à l'avant du rotor, où le flux s'écoule parallèlement à la direction de l'axe du moteur. Dans cette position, la structure magnétique attire le rotor de manière uniforme quel que soit l'angle de ce dernier.
Fig. 3 : Schéma d'un moteur de ventilateur avec système omniCOOL
La pointe de l'axe est maintenue en position par un embout de soutien situé à l'avant de l'alésage du roulement pour former le point de rotation du rotor. Cette méthode soulage l'axe et le palier lisse du poids du rotor. Le champ magnétique attire également l'axe vers le bas pour abaisser son centre de gravité, ce qui minimise le basculement et l'oscillation. Ainsi, le ventilateur peut être utilisé quel que soit l'angle requis tout en profitant d'un frottement réduit.
La structure magnétique peut être appliquée aux ventilateurs à palier fixe et à roulements à billes traditionnels pour réduire les problèmes décrits ci-dessus, mais uniquement dans une certaine mesure. Parmi les autres améliorations, le système omniCOOL utilise une conception de roulement avancée qui a été renforcée pour apporter une résistance supérieure dans les zones de contact. Le roulement durci peut fonctionner à des températures pouvant atteindre 90 °C.
La réduction du frottement permet également de limiter la quantité de lubrifiant requise et ainsi de renoncer aux bagues de graissage et aux rondelles Mylar afin d'éliminer une autre source de frottement. Le bruit et la résistance au démarrage, tout comme le nombre de pièces requises, s'en trouve réduit. Grâce à la réduction du nombre de pièces employées, le système omniCOOL est plus simple à fabriquer et plus fiable que d'autres conceptions.
Combler les lacunes des différentes conceptions de ventilateur traditionnelles
Le système omniCOOL pallie les inconvénients des conceptions de ventilateur à palier fixe et à roulements à billes pour offrir un ventilateur robuste, silencieux, économique et capable de fonctionner à n'importe quel angle. Conçu pour corriger les points faibles des deux autres types de construction, le système omniCOOL peut être déployé pour remplacer l'un ou l'autre des types de ventilateur tout en réunissant les avantages des deux solutions. Les applications qui privilégient les conceptions à palier fixe bénéficient désormais d'une alternative plus silencieuse, robuste et fiable qui se distingue également par une durée de vie accrue et une possibilité d'utilisation dans toutes les orientations. Les applications qui exigeaient des ventilateurs à roulements à billes hautes performances bénéficient désormais d'une résistance aux températures élevées et d'une usure moindre tout en profitant d'une meilleure résistance aux chocs et d'une construction plus solide. Au lieu de devoir faire des compromis, les concepteurs peuvent accéder à une conception de ventilateur réunissant le meilleur des deux univers.