Performance characterization and optimization of an axial flow fan for electronic enclosures

Abstract

Yüksek güçlü elektronik komponentlerin ısıl yönetimi, termal mühendisler için zorlayıcı ve kritik bir problem haline gelmiştir. Zorlanmış taşınımlı elektronik mahfazalar, sistemdeki ısıyı verimli bir şekilde ortadan kaldırmak için akış yaratan fanlardan oluşmaktadır. Bu çalışma kapsamında, elektronik mahfazalarda kullanılan eksenel bir fanın performans karakterizasyonu üzerine sayısal ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaç ile bir fanın üç boyutlu CAD modeli kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile deneysel veriler ile karşılaştırılması yapılmıştır. Sayısal modellerin doğrulamasını yapmak amacıyla bir deneysel düzenek tasarlanmış ve kurulmuştur. Tüm ölçümler, Air Movement and Control Association (AMCA- Hava Hareket ve Kontrol Kurumu) 210-99,1999 standardına uygun olarak tasarlanmış ve üretilmiş bir rüzgar tüneli içerisinde gerçekleştirilmiştir. Tutarlı karşılaştırmalar yapmak adına, fan ile birlikte rüzgar tüneli düzeneğinin sayısal modeli hazırlanmıştır. Eksenel bir fanın modellemesi sırasında Hareketli Referans Çerçevesi (Moving Reference Frame) tekniği kullanılır. Akış hızları aralığı üzerine, akış ve basınç alanlarına karar vermek için geliştirilmiş duvar fonksiyonu ile gerçekleştirilebilir k–ε türbülans modeli kullanılarak simülasyonlar yapılmıştır. Rüzgar tünelinde yapılan deneysel araştırmalar, fandan kaynaklanan basınç artışı ve akış hızı ölçülerek tamamlanmıştır. Bu ölçümler sırasında AMCA 210-99, 1999 standardına uygun olarak tasarlanmış ve üretilmiş birden fazla çıkış ağzı (nozzle) kullanılmıştır. Fanın toplam verimlilik kavramı, hacimsel debiye ve fan boyunca oluşan kayıplar ile ilgili gelişmelere bağlı bir fonksiyon olarak tanımlanmaktadır. Çalışmanın ikinci fazında, farklı komponentlerin genel verim üzerindeki etkisini görmek amacıyla eksenel fanın güç kayıpları araştırılmaktadır. Dahası, güç kayıpları özellikle fırçasız doğru akım motorunun dış rotoruna odaklı mekanik, elektriksel, termal ve elektromanyetik kayıpların modellemesi ile bağlantılıdır. Bir fanın verimliliği, elektriksel ve mekanik tasarımına bağlı olmakla birlikte fanın maruz kaldığı çevre koşullarına da bağlıdır. Genellikle, bir eksenel fanın toplam verimliliği %15 ila %40 arasında çeşitlilik göstermektedir. Güç kayıpları; elektriksel, aerodinamik veya mekanik tasarım parçalarından kaynaklanabilir. Yüksek atalet etkisi, düşük güç, düşük maliyet ve yüksek verim beklendiğinde, eksenel fanlar üzerinde oluşan kayıplar kritik bir problem haline gelir. Verimli bir motor tasarlamak için genellikle ısı formunda oluşan güç kayıplarını doğru olarak öngörmek önemlidir. Bu kayıpların giderilmesi motor sıcaklığının düşmesine yol açar ve bu sayede, fanın güvenilirliğini arttırır. Evirici kayıpları, motor kayıpları ve mekanik kayıpları hesaplamak için formüller türetilmiştir. Güç kayıpları belirlenmiş ve sonra motorun termal performansını değerlendirmek için güç kaynağı olarak kullanılmıştır. İki boyutlu bir model kullanılarak, motor üzerindeki çekirdek kaybı dağılımını analiz edebilmek amacı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları üzerine çalışılmıştır. Sonuçlar, sistemin genel verimliliğine karar verebilmek için kullanılmıştır.

Thermal management of high power electronic components have become a challenging and critical issue for thermal engineers. Forced convection electronic enclosures comprises of fans to provide fluid flow through the system to remove heat efficiently. In this study, performance characterization of an axial fan for electronic enclosures has been performed computationally and experimentally. For this purpose, by using the three-dimensional CAD model of a fan with Computational Fluid Dynamics (CFD) are evaluated in comparision with the experimental data. An experimental system was designed and built for the validation of numerical models. All the measurements were carrried out in a wind tunnel which was designed and manufactured according to the Air Movement Control Assosciation (AMCA) standard 210-99, 1999.In order to make relevant comparisions, a detailed computational model of the wind tunnel setup along with the fan were modeled. Moving Reference Frame (MRF) technique is used for the modelling of an axial fan and the simulations were performed by utilizing realizable k–ε turbulence model with enhanced wall function to determine flow and pressure fields over a range of flow rates. Experimental investigation in the wind tunnel by measuring the pressure rise and flow rate through the fan by using multiple nozzles which was also designed and manufactured according to the Air Movement Control Assosciation (AMCA) standard 210-99, 1999. Understanding of the overall fan efficiency as a function of the volumetric flow rate and th improvement concerning with the losses occur across the fan are described.In the second phase of the study, power losses of an axial fan are investigated to determine the effect different components on the overall efficiency. Moreover, it deals with the modeling of mechanical, electrical, thermal and electromagnetic losses which focus especially on an outer rotor brushless DC motor. Efficiency of a fan depends on its electrical and mechanical designs as well as the environmental conditions that the fan is exposed to. Typically, the overall efficiency of an axial fan varies between 15 to 40 percent. Power losses may be due to electrical, aerodynamic or mechanical design components. Losses occurring in an axial fan motor have become a critical issue in which high inertial effects, low power, low cost and high efficiency are desired. In order to design an efficient motor, it is important to accurately predict the power losses which are usually dissipated in the form of heat. Reduction of these losses leads to a decrease in the motor temperature and, therefore, has a positive effect on the fan reliability. Expressions for calculating the inverter losses, motor losses and mechanical losses are derived. The power losses obtained are then used as heat sources when evaluating the thermal performance of the motor. By using a two-dimensional model, computational fluid dynamics (CFD) simulations are performed to analyze the core loss distribution across the motor. The results are utilized to determine evaluate the overall efficiency of the system.