Per molti sistemi elettronici, le ventole sono un componente importante progettato per mantenere il sistema entro le temperature raccomandate, assicurando che l'elettronica funzioni in modo ottimale e duri per l'intero ciclo di vita. Sono stati effettuati tentativi di trovare tecniche alternative di gestione termica, tuttavia nessuna di queste si è dimostrata così efficiente e conveniente come la ventola.
La ventola funziona utilizzando un rotore che gira su un cuscinetto per spostare l'aria. Il funzionamento affidabile del cuscinetto è fondamentale per la ventola, in quanto quest'ultima può ruotare migliaia di volte al minuto e deve avere una durata di molti anni. Questo processo sottopone il cuscinetto a un'enorme quantità di sollecitazioni, pertanto è essenziale che sia all'altezza del compito.
Due sono i tipi di cuscinetti più ampiamente utilizzati, il cuscinetto a manicotto e il cuscinetto a sfera, e ognuno di essi presenta pro e contro.
Ventole con cuscinetto a manicotto
Le ventole con cuscinetti a manicotto sono economiche, robuste e semplici, il che ha portato al loro uso diffuso in molte applicazioni. La struttura robusta assicura che siano in grado di funzionare in molti ambienti difficili e la loro semplicità significa che sono meno soggette a malfunzionamenti. Un altro vantaggio delle ventole con cuscinetti a manicotto è che tendono a creare meno rumore durante il funzionamento, pertanto possono essere ampiamente utilizzate in aree silenziose come gli uffici.
L'albero centrale di una ventola con cuscinetto a manicotto è racchiuso in una struttura a manicotto, con olio per la lubrificazione per facilitare la rotazione. Il manicotto offre protezione all'albero e assicura che il rotore sia mantenuto nella giusta posizione, mantenendo la distanza tra rotore e statore.
Fig. 1: Schema di un cuscinetto a manicotto
Può esserci un'azione di bilanciamento per ottenere la corretta distanza tra l'albero e il manicotto. Uno spazio troppo ridotto si traduce in un aumento dell'attrito, che rende la ventola più difficile da avviare e assorbe più potenza. Se la distanza è eccessiva, il rotore può oscillare. Il secondo inconveniente della struttura a manicotto è che il manicotto è l'unico mezzo fisico che tiene in posizione il rotore e, nel tempo, l'albero corroderà il foro del cuscinetto. Questo fenomeno è ancora più grave se il rotore ruota sempre nella stessa direzione, il che con il tempo deformerà il foro facendogli assumere una forma ovale, con conseguente funzionamento più rumoroso e una vita operativa più breve. Se la ventola viene spostata o riorientata, il cuscinetto viene corroso in punti diversi e diventa irregolare, peggiorando ulteriormente le oscillazioni e il rumore. Inoltre, la struttura a manicotto richiede anelli raschiaolio e rondelle Mylar per evitare che il lubrificante fuoriesca, con conseguente maggiore attrito all'albero e interruzione della fuoriuscita dei gas. Il gas intrappolato si solidifica in particelle di nitruro che impediscono il movimento e possono abbreviare la vita operativa della ventola.
Le ventole con cuscinetti a manicotto sono disponibili in molti modelli, in particolare in quelli che operano a temperature normali e su apparecchiature statiche. Applicazioni, come computer e apparecchiature per ufficio, apparecchi HVAC e armadi industriali fanno un uso estensivo delle ventole con cuscinetti a manicotto.
Ventole con cuscinetti a sfera
Le ventole con cuscinetti a sfera sono destinate a compensare alcuni degli svantaggi che presentano le ventole con cuscinetti a manicotto. In generale, sono meno soggette a usura e possono funzionare in qualsiasi orientamento e a temperature più elevate. Tuttavia, le ventole con cuscinetti a sfera sono più complesse e costose rispetto ai modelli con cuscinetti a manicotto, oltre a essere meno robuste. Come risultato, gli impatti possono influire notevolmente sulle prestazioni complessive di una ventola con cuscinetti a sfera. Esse tendono anche a creare più rumore durante l'uso, il che può limitare le aree in cui possono essere utilizzate.
Le ventole con cuscinetti a sfera utilizzano un anello di sfere intorno all'albero per risolvere i problemi di usura irregolare e di oscillazione del rotore. La maggior parte dei motori delle ventole hanno due cuscinetti, uno di fronte all'altro, e questi cuscinetti sono solitamente separati da molle. I cuscinetti offrono un attrito ridotto rispetto ai modelli a manicotto e le molle possono contribuire a supportare qualsiasi inclinazione nella ventola indotta dal peso del rotore. Se le molle sono posizionate lungo tutta la circonferenza dell'albero, il dispositivo può essere azionato in qualsiasi angolazione senza usura o attrito, offrendo una struttura più affidabile.
Le ventole con cuscinetti a sfera si trovano anche in applicazioni informatiche e centri dati ad alta densità, dove prestazioni, temperatura e MTBF sono fattori più importanti del rumore. Sono inoltre ampiamente utilizzate in applicazioni industriali per sistemi elettronici di raffreddamento o come soffiatori per applicazioni di essiccazione industriale.
Fig. 2: Schema di un cuscinetto a sfera
Sistema di cuscinetti per ventole omniCOOL™
I cuscinetti a sfera e a manicotto non sono le uniche due opzioni disponibili. CUI Devices ha introdotto un terzo sistema che utilizza l'equilibratura magnetica del rotore, detta anche struttura magnetica, e un cuscinetto a manicotto migliorato per compensare i lati negativi che si trovano in altri tipi di ventole. Questo terzo tipo di cuscinetto è chiamato sistema omniCOOL™.
La struttura magnetica del sistema omniCOOL fa sì che il rotore funzioni allo stesso modo di una trottola, che può funzionare in qualsiasi angolazione senza cadere. La struttura magnetica è posta nella parte anteriore del rotore dove il suo flusso scorre parallelamente alla direzione dell'albero motore. In questa posizione, la struttura magnetica attira il rotore in modo uniforme indipendentemente dall'angolazione del rotore.
Fig. 3: Schema del motore di una ventola con sistema omniCOOL
La punta dell'albero viene mantenuta in posizione attraverso un tappo di supporto nella parte anteriore del foro del cuscinetto per formare il punto di rotazione del rotore. In questo modo il peso del rotore si allontana sia dall'albero che dal manicotto del cuscinetto. Il campo magnetico spinge l'albero verso il basso, abbassandone il baricentro, riducendo al minimo l'inclinazione e le oscillazioni. In questo modo la ventola può essere utilizzata con qualsiasi angolazione richiesta, oltre a ridurre al minimo l'attrito.
La struttura magnetica può essere applicata alle ventole con tipi di cuscinetti a manicotto e a sfera tradizionali per contribuire a ridurre i problemi sopra descritti, ma solo in una certa misura. Per ulteriori miglioramenti, il sistema omniCOOL utilizza un design avanzato dei cuscinetti rafforzato per una maggiore resistenza nelle zone di contatto. Il cuscinetto temprato è in grado di funzionare a temperature fino a 90 °C.
La riduzione dello sfregamento significa anche che è necessario meno lubrificante, consentendo di rimuovere gli anelli raschiaolio e le rondelle Mylar dalla struttura, eliminando così un'altra fonte di attrito. Ciò comporta minore rumorosità e minore resistenza all'avviamento, riducendo al contempo il numero di parti. Meno parti significa che il sistema omniCOOL è più facile da produrre e più affidabile di altre strutture.
Colmare il divario nei tipi di ventole tradizionali
Il sistema omniCOOL riduce gli aspetti i negativi di entrambi i tipi di ventole con cuscinetti a sfera e a manicotto, offrendo una ventola robusta, silenziosa, economica e in grado di funzionare in qualsiasi angolazione. Eliminando gli svantaggi associati agli altri due tipi di ventole, il sistema omniCOOL può essere utilizzato in sostituzione ad esse, offrendo i vantaggi di entrambi i tipi di ventole a qualsiasi progetto. Le applicazioni che hanno favorito le ventole a manicotto hanno ora un'alternativa che è anche silenziosa, robusta e affidabile e offre allo stesso tempo una maggiore durata e la possibilità di essere utilizzata in qualsiasi orientamento. Le applicazioni che richiedevano ventole con cuscinetti a sfere ad alte prestazioni possono ora mantenere maggiore resistenza alle alte temperature e minore usura, ottenendo al contempo migliore resistenza agli urti e una struttura più robusta. Anziché dover scendere a compromessi, i progettisti possono avere accesso a una struttura del ventilatore che offre il meglio di entrambi i mondi.