Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров

Когда мы задумываемся об охлаждении системного блока компьютера, возникают вопрос, почему два практически одинаковых системных блока имеют различную эффективность теплосъема? Внешне не видимые конструктивные особенности не могут дать большой разницы, но иногда, температуры воздуха в системном блоке (СБ) превышает температуру наружного воздуха на 20 ° С и выше. Вот тогда на первый план выходит эффективность вентиляции СБ. Она в первую очередь зависит от осевого вентилятора.

Расходная характеристика осевого вентилятора.

Существует взаимосвязь между производительностью вентилятора Q, измеряемый в кубических метрах в минуту (м3/мин) или в кубических футах в минуту (CFM - Cubic Feet per Minute) и статическим давлением его воздушного потока H, измеряемым в мм водяного столба или, что реже, в паскалях (Па) . Она экспериментально определяется для каждого типа вентилятора в лабораторных условиях и носит название - расходная характеристика вентилятора.

Эта упрощенная характеристика может быть описана выражением:

k = Hн / Qн;            Hp=Hн – k · Qн;

Для примера на рис. 1 (верхняя кривая)  имеет k=2,02 и ее заменяем на прямую, описанную формулами:

Hр=4,03-2,02Qн;

где:  Qн – паспортная производительность вентилятора,

Hн – паспортное статическое давление развиваемое вентилятором,

         Qp – расход для данного H (например в рабочей точке P),

         Hр – статическое давление развиваемое вентилятором в рабочей точке P,

k – коэффициент, который определяется как k=Hн/Qн и определяет угол наклона линеаризованной расходной характеристики вентилятора.

По всегда заданному в технических характеристиках номинальному расходу вентилятора Q и создаваемому им максимальному давлению H можно с достаточной для технических расчетов точностью оценить статическое давление, развиваемое им в любой точке расходной характеристики. При необходимости можно использовать расходные характеристики производителя вентилятора.

Давление создаваемое вентилятором и его влияние на параметры системы охлаждения.

Давление создаваемое осевым вентилятором является важнейшим его параметром, определяющим эффективность работы систем вентиляции и охлаждения.

Достаточно просто обеспечить необходимый расход воздуха в свободном пространстве, для этого можно применить любой вентилятор с заданным расходом. Но не всякий вентилятор может обеспечить необходимый расход в конкретных конструкциях, а только тот избыточное давление создаваемое которым больше чем падение давления в конструкции. И результирующий расход воздуха через конструкцию будет определяться в рабочей точке, где давление равно разности избыточного давления создаваемое вентилятором и падения давления на вентилируемой конструкции. Он определяется по расходной характеристике вентилятора для точки с полученным остаточным давлением. Именно поэтому важно низкое падение давления (низкое сопротивление) вентилируемого объекта. Если  падение давления на охлаждаемой конструкции больше избыточного давления создаваемого вентилятором, то расход стремиться к нулю, происходит срыв воздушных потоков на лопастях вентилятора и в результате никакой вентиляции, а только дополнительный шум. Поэтому важно применение в системах охлаждения и вентиляции, вентиляторов расходные характеристики которых, проверены и гарантированны производителем, причем важнейшую роль играет давление создаваемое вентилятором при заданном расходе. А на дешевые вентиляторы не только не даются расходные характеристики, но часто даже не указывается максимальное или статическое или избыточное давление создаваемое вентилятором. Практика показывает вентиляторы, где о его давлении «скромно умалчивается», в большинстве своем, имеют реальное давление много меньше вентиляторов выпускаемых ответственными производителями.

Влияние скорости вращения вентилятора на его параметры.

Для того чтобы понять влияние скорости вращения крыльчатки вентилятора на его характеристики рассмотрим 12V-ый ряд AFB0812 имеющий размер 80х80х25 мм фирмы DELTA (http://www.deltaww.com/). Стандартные расходные характеристики ряда приведены ниже на рис.2, в таблице 1, а зависимость расхода от числа оборотов на рис.3.

Сравнительные характеристики ряда вентиляторов AFB0812 x D, где х – модель.

Таблица 1

Из таблицы 1 видим, что с ростом числа оборотов, вентиляторов одного типоразмера, потребляемая электроприводом мощность растет по закону близкому к квадратичному, как это было показано выше. Применение электропривода с внешней регулировкой снижает потребляемую мощность при низком тепловыделении, и позволяет снизить уровень шума вентилятора, при этом в пиках тепловыделения обеспечивается эффективное охлаждение.

Рисунок 3

Зеленым цветом, ниже основной группы, на рис.3 показана характеристика осевого вентилятора производства Yate Lion модель D80SH-12. Его характеристики несколько хуже аналогичных осевых вентиляторов фирмы Delta.

Из специальной литературы известно, что зависимость расходных характеристик вентилятора от числа оборотов описываются следующими выражениями:

Q1 = Q0  N1/N0;             H1 = H0  (N1/N0)2;                   P1 = P0 (N1/N0)3.

·        Расход Q, прямо пропорционален росту числа оборотов;

·        Развиваемое вентилятором статическое давление H, пропорционально квадрату роста числа оборотов;

·        Потребляемая приводом вентилятора мощность P, пропорциональна кубу роста числа оборотов.

Соотношение величин и физический смысл импеданса.

Для перевода из одной размерности в другую можно использовать следующее соотношения:

·        1 м3/мин = 35,3 CFM;

·        1CFM = 28,3·10-3 м3/мин;

·        1 мм. рт. ст. = 13,59 мм. водяного столба.

·        1мм.вод.ст=9,8 Па

Системный блок как замкнутое устройство, че­рез который обеспечивает прокачку охлаждаю­щего воздуха осевой вентилятор, имеет свой им­педанс (аэродинамическое сопротивление воздушному потоку). На рисунке 1, это прямая  с координатами (0, С = 2,7) мм H2O/(м3•мин). Воздушный поток входящий и выходящий из системного блока через отверстия ограниченного сечения проходит через многократно большее сечение внутри сис­темного блока имеет практически ламинарный (равномерный, без завихрений) ха­рактер. При появлении турбулентностей (завихрений) импеданс нелинейно увеличивается с ростом скорости про­качки охлаждающего воздуха. Для наглядности на Рисунке 1 на прямую характеризующую импеданс СБ с координатами (0,С) наложена кривая для импеданса при турбулентном потоке. Она показана условно, по­тому что это явление проявляется на скоростях прокачки более 2 м3/мин в устройствах подобных СБ.

Для практиче­ского применения при малых скоростях или ламинарных потоках, с достаточной степенью точности, можно использовать прямую характери­зующую импеданс и проходящую через начало координат и точку, определяющую вели­чину импеданса нашей системы.

Импеданс системного блока, для охлаждающего газового потока, имеет размерность миллиметр водяного столба деленную на метр кубический в минуту (ммH2O/(м3•мин)) и физически аналогичен сопротивлению резистора в цепи постоянного тока, закон Ома.

Расходной характеристики вентилятора и импеданса вентилируемого объема достаточно чтобы оценить реальный расход охлаждающего воздуха Q через системный блок с известным импедансом (рабочую точку системы вентиляции). Он определяется по точке пересечения расходной характеристики вентилятора и импеданса системного блока (На рисунке 1 это точка Р). И как видно из графика расход в рабочей точке всегда меньше полного расхода вентилятора (точка Б)  и тем меньше чем больше импеданс системы.

Осевой вентилятор, работающий в реальных условиях устройств, имеет, как говорилось выше расход меньше номинального. Но даже вентилятор установленный на перфорацию уже имеет снижение расхода за счет потери на этой перфорации давления. А для вентиляторов с малыми напорами (давлениями) любое снижение давления чревато сильным снижением расхода.

Аэродинамическая схемы включения осевых вентиляторов для охлаждения системного блока.

Упрощенная расходная характеристика позволяют получить простое графическое решение задачи по определению рабочей точки для вентиляционной системы СБ с одним и более вентиляторами.

Применяемые на практике схемы вентиляции базируются на трех типовых 1-3:

1.      Два вытяжных вентилятора,

2.      Один вытяжной вентилятор (блока питания) и один нагнетающий вентилятор,

3.      Два вытяжных вентилятора и один нагнетающий,

4.      Любые другие комбинации или количество вентиляторов.

При этом для простоты принимается, что все вентиляторы имеют одинаковые расходные характеристики и установлены в отверстия. Рассматривается графическое решение для трех импедансов[1], условно названных:

высокий –  более 6,9 мм.H2O / (м3/мин),

средний  –  около 2,7 мм.H2O / (м3/мин),

низкий    –  менее 0,9 мм.H2O / (м3/мин).

Суммарная расходная характеристика сложного устройства вентиляции строится по правилам параллельного и последовательного сложения сопротивлений в разветвленной цепи.

Рабочий расход системы определяется для рабочей точки полученной в пересечении расходной характеристики вентилятора и прямой характеризующей импеданс СБ проведенной из начала координат.

Схема с двумя вытяжными вентиляторами.

чем ниже импеданс системного блока. Причем применение такой схемы при высоком импедансе неэффективна.

Схема с одним вытяжным и одним нагнетающим вентилятором.

Рабочая точка, полученная для трех принятых импедансов, показывает, наибольший относительный прирост расхода получается только в системных блоках с высоким импедансом. В абсолютном значении прирост расхода незначителен. Применение этой схемы дает незначительный эффект в абсолютных значениях.

Схема с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором.

расхода для первой и второй схемы получается в системных блоках с импедансами  от среднего до минимального. При этом наибольший абсолютный прирост расхода на минимальных импедансах. (На малом импедансе абсолютный расход увеличивается почти в 2 раза.)

Третья схема эффективна на любом импедансе. Она имеет преимущества перед вентилятором большого диаметра, так как создает более высокий перепад давления. Однако для эффективной работы расходы через все вентиляторы должны быть согласованы.

Qвыт1 + Qвыт2 = Q нагнет

Исходя из рассмотренных схем, можно сделать следующие выводы:

1.      Наилучшая эффективность систем охлаждения СБ получается при его малом импедансе, что вполне естественно.

2.      Наиболее эффективной схемой для системных блоков со средним импедансом  и ниже, является схема с параллельным включением двух и более вытяжных вентиляторов. Она дает наибольший прирост расхода охлаждающего воздуха при самой простой конструкции для СБ с малым и средним импедансом. Эта схема позволяет применять простое автоматическое и ручное управление расходом охлаждающего воздуха без ограничений.

3.      Применение схемы с нагнетающим вентилятором дает незначительный эффект. А при регулировании расходов охлаждающего воздуха она еще и сложна в исполнении, поскольку требуется синхронная регулировка числа оборотов обоих вентиляторов.

4.      Применение схемы с тремя вентиляторами дает наибольший прирост расхода на всех импедансах. Схема может быть рекомендована на системных блоках с большим заполнением, рабочих станциях, серверах. При этом, если применяется управление расходом какого либо вентилятора, надо принимать специальные меры по синхронизации скоростей вращения вентиляторов по сложному закону.

Ссылки:

• Yate Loon Electronics Co., Ltd. DC Fan Series, http://www.yateloon.com/index-1.htm
•  Сайт фирмы DELTA DC Fan  http://www.delta.com.tw/

Перепечатка только с согласия автора.

[1] Импеданс показывает, какое давление падает на охлаждаемом объекте на каждый кубический метр расхода продуваемого воздуха.