Содержание
- Назначение и важность вентиляторов в системах охлаждения.
- Роль подшипников в вентиляторах.
- Разновидности подшипников.
- Вывод.
- FAQ.
Назначение и важность вентиляторов в системах охлаждения
Почти вся современная электроника и электротехника обладает довольно большим энергопотреблением. При этом КПД многих процессов, радиодеталей, моторов и прочих компонентов, несмотря на грандиозный технический прогресс, далеки от 100%, а значит часть электрической энергии, как бы мы ни старались, будет переходить в тепловую. Чрезмерный перегрев вреден и опасен не только для самих греющихся элементов, но и для окружающей обстановки, так как способен вызвать самый настоящий пожар.
Самым очевидным способом снизить температуру там, где ее слишком много, является охлаждение “горячих точек” за счет отдачи тепла в окружающее пространство, а именно в атмосферу. Если тепловыделение не очень велико, то хватает так называемого “пассивного охлаждения”, то есть обычной конвекции. Если же тепло не успевает улетучиваться естественным путем, ему помогают, создавая искусственный поток относительно холодного воздуха. Создать такой поток и есть задача вентиляторов. И даже если речь идет о жидкостном охлаждении, в какой-то момент времени сама жидкость тоже требует охлаждения воздухом. Без атмосферных вентиляторов пока что не обойтись никак.
При 3D печати достаточно мощное охлаждение требуется не только электронике и моторам, но и ускоренно твердеющему пластику. 3D принтер просто чемпион по количеству вентиляторов и требованиям ним. От производительности и качества охлаждения напрямую зависит производительность и качество печати, уровень шума, степень вибрации, безопасность и срок службы принтера. Оказывается, что даже такая простая, казалось бы, вещь как вентилятор охлаждения, тоже важна и требует к себе внимания и уважения.
Роль подшипников в вентиляторах
Качество и надежность вентилятора не в последнюю очередь зависят от установленного в нем подшипника. Размеры, мощность, шумность и наличие вибраций напрямую зависят от подшипника и его состояния. Подшипник, без преувеличения, можно назвать одним из главных компонентов вентилятора, наряду с мотором и крыльчаткой.
Что такое подшипник и почему он так называется? Первые подшипники совершенно не похожи на те, что привыкли видеть сейчас. Конструкции с вращающимися частями используются человечеством с доисторических времен, а значит вопрос, как сделать вращение максимально легким, вероятно, стоял еще перед античными людьми. Это и колеса, и двери, и колодцы всех типов, и жернова, и много чего еще.
Даже малознакомые с физикой крестьяне интуитивно понимали, что сила трения тем меньше, чем меньше плечо, на которое оно воздействует, а потому старались минимизировать площадь контакта соприкасающихся деталей. Заостренный наконечник - шип - подходил для этого лучше всего. На него либо что-то клали, либо что-то зажимали между двумя шипами, так и появился первый подшипник.
Какое-то время совершенствование касалось только размеров и твердости материала шипа и седла. Их меняли с дерева на сталь, затем на минералы, постепенно увеличивая твердость и уменьшая площадь соприкосновения, тем самым снижая трение, износ и нагрев. В таком виде они существуют и по сей день, например рубиновые в механических часах.
У шиповой конструкции есть много недостатков, например ограничена нагрузка, которую она может выдержать. Для нагруженных механизмов со временем догадались использовать смазку, вспомогательные вращающиеся тела и прочие ухищрения, от чего подшипники радикально изменили свою форму, но не историческое название.
Разновидности подшипников
Подшипник скольжения (Sleeve). Самая первая и самая простая конструкция после классического шипа. Между трущимися поверхностями добавлена смазка, то есть особая жидкость, которая разделяет эти поверхности, не давая им соприкоснуться. Убивается сразу много зайцев: многократно снижается трение, как следствие, уменьшается нагрев и износ, при этом подшипник способен выдерживать большие нагрузки и поддерживать высокую скорость вращения.
Основная задача - обеспечить бесперебойную подачу масла к трущимся поверхностям, что решается при помощи так называемого “масляного клина”. Масло захватывается микроскопическими неровностями вала и переносится в зону трения.
Достоинствами подшипника скольжения являются:
- простота, а значит дешевизна и надежность,
- способность длительно выдерживать большие нагрузки,
- способность поддерживать высокие скорости,
- очень тихая работа (у исправного и смазанного подшипника),
- большой срок работы при правильной эксплуатации и обслуживании,
- легкость обслуживания,
- подшипник не выходит из строя мгновенно, обязательно заранее предупредит о неполадках скрипом, грохотом и прочим шумом, что позволит вовремя принять меры.
Недостатки у подшипника скольжения тоже есть:
- масло постепенно теряет смазочные свойства при нагреве, а при слишком высокой температуре смазочный клин может полностью разрушиться, что приведет к сухому трению поверхностей, поэтому за охлаждением требуется следить,
- масло со временем высыхает и деградирует, следует его своевременно менять и чистить подшипник от “нагара”,
- при попадании посторонних частиц в масло, поверхности быстро изнашиваются, значит требуется герметизировать подшипник,
- масло может вытекать, герметизация пригодится и здесь,
- имеет значение ориентация подшипника в пространстве, некоторые конструкции лучше работают в горизонтальном положении, другие в вертикальном, особенно это касается старта после длительного перерыва.
Усовершенствованным видом подшипника скольжения является гидродинамический подшипник (Hydraulic). Отличается наличием канавок на внешних и внутренних трущихся поверхностях, по которым масло поступает в рабочую зону более надежно и уверенно. Канавки направлены таким образом, чтобы обеспечивать достаточное для дистанцирования давление в масляном клине даже при самых низких оборотах и самых высоких нагрузках. Разумеется, такие подшипники дороже, но и работают значительно дольше.
Вентиляторы на подшипниках скольжения являются самыми распространенными и доступными на рынке, поэтому ими оборудуют все системы обдува оборудования по умолчанию. За такими подшипниками следует следить, вовремя смазывать или менять в случае необходимости. При правильной эксплуатации могут проработать долгие годы. Подчеркнем основные плюсы: тихие, прочные и не жалко выбросить, если что.
Подшипники качения (Ball). Между вращающимся валом и неподвижным корпусом на некотором расстоянии друг от друга располагаются тела вращения - шарики, ролики или “иголки”. Расстояние, равномерно распределяющее шарики/ролики по подшипнику и не дающее им соприкасаться, выдерживается за счет так называемого “сепаратора”. Шарики или ролики катятся по внутреннему и внешнему кольцу одновременно, тем самым обеспечивая плавное вращения подшипника.
Очевидно, что конструкция подшипника качения гораздо сложнее, чем у подшипника скольжения, а значит он дороже, больше и тяжелее при тех же характеристиках.
Теоретически, подшипнику качения не нужна смазка, однако она все-таки добавляется, в основном для снижения трения в сепараторе. Потери энергии приходятся, по большей части, на пластическую деформацию колец и элементов качения, а значит, чем они тверже, тем меньше деформация и меньше потери. По этой причине подшипник качения делается из твердых сплавов, но иногда применяется еще более твердая керамика, на некоторые или все элементы подшипника.
Достоинства подшипников качения:
- долговечные,
- выдерживают большие нагрузки,
- отсутствует трение покоя,
- почти не нуждаются в смазке, а значит не сохнут и не вытекают,
- точность исполнения, при работе не вибрируют (в исправном состоянии),
- не боятся перегрева,
- почти не нуждаются в обслуживании.
Недостатки подшипников качения:
- более шумные, чем подшипники скольжения, причем шум со временем только усиливается,
- относительно дорогие,
- занимают больше места в вентиляторе, больше весят,
- даже небольшая поломка быстро выводит подшипник из строя полностью,
- практически не ремонтируются, проще заменить,
- не любят высоких оборотов, при них гораздо быстрее изнашиваются.
Рекомендуется использовать там, где пыльно, жарко и труднодоступно. Чаще всего применяются в нагруженных устройствах, больших вентиляторах с тяжелой крыльчаткой и относительно небольшой скоростью вращения.
В механизмах с высокими требованиями к точности, прочности и диапазону частот вращения используются “игольчатые” подшипники, представляющие собой гибрид подшипника скольжения и подшипника качения. Тела вращения представляют собой длинные тонкие ролики - “иголки”, при этом пространство между кольцами полностью заполнено маслом. На низких оборотах гибрид работает как подшипник качения, на высоких иглы срываются во вращение без взаимодействия с кольцами, как бы плавая между ними, и гибрид превращается в подшипник скольжения. Таким образом игольчатый подшипник сочетает в себе преимущества обоих типов подшипников и не имеет недостатков, если не считать высокой цены и сложности. Используется, в основном, в аэрокосмической технике. В 3D принтерах, как и в других станках ЧПУ, к сожалению, не применяется.
Подшипники с магнитной левитацией (MagLev). Сокращенное название “маглев”, они же подшипники с магнитным центрированием. Пик достижений научно-технической мысли, изобилующий как достоинствами, так и недостатками. Вращающаяся часть (ротор) парит в пространстве, подвешенная на переменных магнитных полях сложной конфигурации.
Основной плюс в практически полном отсутствии трения, если не считать воздушное, он же основной минус данного типа подшипника. Со временем выходит из строя вследствие размагничивания, но “обычные” подшипники чаще всего ломаются еще быстрее.
Достоинства маглева:
- минимально возможное трение, высокий КПД,
- не греется,
- не изнашивается,
- высокоскоростной,
- бесшумный,
- не нуждается в смазке,
- долговечный,
- одинаково хорошо работает в широком температурном диапазоне,
- не нуждается в обслуживании.
Недостатки маглева:
- сложный,
- довольно крупный,
- тяжелый,
- дорогой и редкий,
- не способен выдерживать большие нагрузки, применяется на легких вентиляторах,
- на некоторых резонансных частотах возможна вибрация,
- не ремонтопригоден,
- нежный, легко сломать нечаянным ударом.
Основным недостатком маглева является его цена. Нет всех возможных размеров и форм, придется подбирать оборудование к подшипнику, а не наоборот. В ближайшем магазине его не купить и, как правило, поставка занимает некоторое время.
Выводы
На данный момент в продаже имеется огромное количество вентиляторов различной конструкции, размеров, конфигураций и цен. Все они, по совокупности характеристик, имеют право на существование, в зависимости от потребностей пользователя.
Самыми недорогими и разнообразными являются вентиляторы на подшипниках скольжения. Они просты, неприхотливы, надежны и смело рекомендуются к применению в большинстве случаев как для охлаждения электроники, так и зоны печати. Мощные, большие, но медленные вентиляторы лучше приобретать на подшипниках качения, они отлично справятся с этой ролью в течение долгого времени. Для любителей совершенства и экстрима существуют подшипники на магнитной левитации, способные бесшумно разогнаться до невиданных оборотов. На наш взгляд, маглевы довольно дороги, но оправданы там, где не обойтись традиционными методами, например для охлаждения высокоскоростной печати или где требуется минимальный уровень шума.
FAQ
Насколько маглевы дороже “обычных” вентиляторов?
В несколько раз, от двух и далее, зависит от размера и мощности. Но, возможно, их плюсы того стоят.
Существуют ли маглевы для охлаждения зоны печати?
Они довольно редки. Маглев довольно сложный и большой подшипник, уместить его в маленький корпус непростая задача. Обычно они используются для охлаждения электроники в замкнутом пространстве.
Стоит ли заменять дефолтные вентиляторы сразу после покупки 3D принтера?
Если они исправны, не шумят, не гремят, не вибрируют, то смысла торопиться нет. Подшипники скольжения, которые почти наверняка установлены в новом принтере, заранее дадут знать о своей кончине.
Как можно снизить шум охлаждающего вентилятора без его замены?
Понизить скорость. Например, достаточно впаять в питание 12-вольтового вентилятора резистор на 100 Ом, и он станет значительно тише, не сильно потеряв в эффективности.
Как часто следует смазывать подшипник качения?
Наверняка существуют какие-то нормативы для каждого вентилятора, но проще всего это делать при первых симптомах недостатка смазки - появлении посторонних шумов. Обычно, это несложная и быстрая процедура.
