Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров

на сайте

www.electrosad.ru

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 используемого 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.

 

Рисунок 1.
 

Расходная характеристика осевого вентилятора, приводимая в справочниках производителей, имеет нелинейный характер, но при технических расчетах её можно заменить прямой проходящей из точки А с координатами на графике (H, Q=0, что эквивалентно вентилятору работающему на некоторый замкнутый объем и создающему в этом объеме давление H) в точку Б с координатами на графике (H=0, Q, что эквивалентно вентилятору работающему в открытом пространстве с расходом Q).

Упрощенная расходная характеристика имеет три точки пересечения с реальной расходной характеристикой и максимальные отклонения меньше 20% для стандартных вентиляторов.

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.

Расходные характеристики вентиляторов, имеющие расходную характеристику существенно отличающуюся от описанной выше (когда нельзя провести ее линейный эквивалент через три точки) можно для оценки расходов заменить на линию проведенную через точки А и Б. Это приведет к существенному росту погрешности в сторону занижения расходов, но позволит хотя бы оценить расходы.

 

!!! Если известна рабочая точка на расходной характеристике вентилятора, то лучшей аппроксимацией расходной характеристики в рабочей точке является касательная к кривой расходной характеристики в рабочей точке. В этом случае точность вычислений тем больше, чем меньше отклонение от рабочей точки !!!

 

Но я бы рекомендовал всегда пользоваться реальными расходными характеристиками вентиляторов от производителей, а эквивалентные применять только тогда когда производитель не дает последних.

 

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 (лучше если много больше).

Результирующий расход воздуха через конструкцию будет определяться в рабочей точке, где давление равно - разности избыточного давления создаваемое вентилятором и падения давления на вентилируемой конструкции. Оно 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.

Все вентиляторы рассматриваемого ряда имеют одинаковые конструкции корпуса и крыльчатки. Отличаются они только мощностью электропривода и в результате скоростью вращения крыльчатки.

Они имеют пропорциональное числу оборотов давление,  расход, уровень шума. Для охлаждения устройств с переменным по величине тепловыделением можно рекомендовать вентилятор серии SH,VH, а для снижения уровня шума регулируемый, по температуре прокачиваемого воздуха, электропривод.

 

Рисунок 2.
 

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

 

Таблица 1.

Модель

Скорость вращения

об/мин.

Потребляемая мощность

Вт.

Максимальное давление

мм H2O.

Максимальный расход

м3/мин.

Уровень шума

дБ.

L

2400

0,96

2,59

0,79

25

M

2700

1,2

3,28

0,89

28

H

3100

1,44

4,04

1,0

31

HH

3400

2,04

4,59

1,06

34

VH

3700

2,4

5,51

1,19

38

SH

4000

2,64

6,78

1,32

40

 

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 ниже.

Тепловыделение компьютера величина меняющаяся в зависимости от выполняемых задач, поэтому применение электропривода вентилятора с внешней регулировкой позволяет снизить уровень шума вентилятора, при этом в пиках тепловыделения обеспечивается эффективное охлаждение. И только в связи с продолжительным с ростом тепловыделения характеристики вентилятора можно вывести на максимальные.

 

Рисунок 3.

 

Зеленым цветом (нижняя линия), 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);

Расход Q, прямо пропорционален росту числа оборотов;


H1 = H0 (N1/N0)2;

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


P1 = P0 (N1/N0)3;

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


Nш = Nш0 + 50lg (N1/N0)

Прирост уровеня шума вентилятора Nш пропорционален логарифму прироста 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 (мм H2O/(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 и наглядное 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, а площадь входного отверстия корпуса много больше суммарной площади проходного сечения рассматриваемых вентиляторов. 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.

Следует сказать, что для сложных схем, с большим числом вентиляторов и их параллельно -последовательным включением распределение воздушных потоков усложняется, растут погрешности от принятых допущений. Для них надо выполнять точный расчет. Я бы не рекомендовал их применение, если у Вас нет опыта такой работы.

 

Схема с двумя вытяжными вентиляторами

 

Рисунок 4.
 

Эта схема предусматривает установку двух вытяжных вентиляторов (одного вентилятора блока питания и дополнительного) рядом, на задней стенке системного блока или на его верхней крышке. Суммарная расходная характеристика строится исходя из правил:

  • Давление, развиваемое двумя параллельно включенными вентиляторами с одинаковыми расходными характеристиками равно давлению, развиваемому одним вентилятором, точка  А на рисунке 2.
  • Расход равен суммарному расходу обоих вентиляторов, точка Б2 на рисунке2.

Относительный прирост расхода (закрашенные области) составляет: для высокого импеданса  25%, для среднего импеданса  39% и 66% для малого импеданса.

Из рисунка 4 видим, что прирост расхода охлаждающего воздуха тем больше, чем ниже импеданс системного блока. Причем применение такой схемы при высоком импедансе неэффективна.

P.S.

Следует учитывать, что совсем иная и более сложная картина складывается в случае малой площади входного отверстия в корпусе и двух вытяжных вентиляторов с разными характеристиками.

Возможен случай, когда дополнительный вентилятор корпуса с большим расходом и развиваемым статическим давлением заберет на себя большую часть расхода охлаждающего воздуха. В результате расход воздуха через БП падает и последний попадает в тяжелый тепловой режим, чреватый его поломкой.

 

Схема с одним вытяжным и одним нагнетающим вентилятором

 

Рисунок 5.
 

Эта схема предусматривает установку дополнительно к вытяжному вентилятору, нагнетающего вентилятора. Дополнительный вентилятор установлен на наибольшем удалении от вытяжного.

Суммарная расходная характеристика строится исходя из правил:

  • Суммарное давление, развиваемое двумя последовательно включенными осевыми вентиляторами суммируется по оси давлений, точка А1 рисунок5.
  • Расход равен расходу одного вентилятора, точка Б рисунок 5.

Относительный прирост расхода (закрашенные области) составляет: для высокого импеданса  56%, для среднего импеданса  23% и 12% для малого импеданса.

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.

Внимание!

При использовании дополнительного вентилятора (нагнетающего) малой производительности, возможен его переход во "Флюгерный режим" (см. ссылку в конце материала), что чревато потерей результирующего напора. Он может стать ниже, чем был при одном вытяжном вентиляторе!

 

Более сложные схемы

 

Схема с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором
см. пояснение далее
Схема с двумя вытяжными и двумя нагнетающими вентиляторами

Рисунок 6а

Рисунок 6б

 

Схема с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором предусматривает установку дополнительно к вытяжному вентилятору блока питания, вытяжного вентилятора на задней стенке и нагнетающего вентилятора на наибольшем удалении от вытяжного. Суммарная  характеристика строится аналогичным образом, как и в двух предыдущих случаях. Результирующая расходная характеристика показана на рис. 6а. Данная схема имеет свои особенности, которые описаны ниже (см. по ссылке или ниже раздел -

"Особый случай").

Относительный прирост расхода (для рис. 6а) составляет: для высокого импеданса 66%, для среднего импеданса  40% и 72% для низкого импеданса.

Рабочая точка, полученная для трех принятых импедансов, показывает, наибольший относительный прирост расхода для первой и второй схемы получается в системных блоках с низким импедансами. При этом наибольший абсолютный прирост расхода на минимальных импедансах.

Схема с двумя вытяжными и двумя нагнетающими вентиляторами предусматривает установку дополнительно к вытяжному вентилятору блока питания, вытяжного вентилятора на задней стенке и двух нагнетающих вентиляторов на наибольшем удалении от вытяжного. Суммарная  характеристика строится аналогичным образом, как и в двух предыдущих случаях. Результирующая расходная характеристика показана на рис. 6б.

Относительный прирост расхода (для рис. 6б) составляет: для высокого импеданса 110%, для среднего импеданса  102% и 97% для низкого импеданса.

Рабочая точка, полученная для трех принятых импедансов, показывает, наибольший относительный прирост 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.)

Схема рис. 6а - 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

 

Предложенная линейная аппроксимация расходной характеристики близка к реальной характеристике только в 3х точках:
- рабочей точке,
- точке максимального напора,
- точке максимального расхода.
На остальных участках аппроксимированной расходной характеристики погрешность достаточно велика и такое решение показывает только качественное изменение характеристик.
Тем более эти погрешности увеличиваются для любой схемы где используется более 2х вентиляторов.

Поэтому относитесь к ним как физическим моделям.

 

Исходя из рассмотренных схем, можно сделать следующие выводы:
  • Наилучшая эффективность систем охлаждения СБ получается при его малом импедансе, что вполне естественно.
  •  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.
  • 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.
  • 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, надо выполнять точный расчет и согласования расходных характеристик, а если применяется управление расходом какого либо вентилятора, надо принимать специальные меры по синхронизации скоростей вращения вентиляторов по сложному закону.

 

Дополнение от 2008 года.

 

 

Особый случай

Как писалось в части 1, "Расходная характеристика осевого вентилятора" упрощенная расходная расходная характеристика в виде эквивалентной прямой применима для одного вентилятора или с большими допущениями для большего количества вентиляторов. Причем чем больше вентиляторов в схеме тем больше отклонения.

Посмотрим как выглядит реальная расходная характеристика полученная графическим сложением. Строить нагрузочные прямые думаю здесь не надо. Вы поняли как их строить из части 1.
 

Схема с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором.

Реальная расходная характеристика вентиляторов для корпуса ПК с такой схемой включения показана на рис.7.
 

Рисунок 7.
 

Видим, что она имеет сложную форму.

Расходная характеристика получена сложением характеристик двух параллельных вытяжных вентиляторов - зеленая линия. В результате расход воздуха через них удваивается (два одинаковых вентилятора AFB-08212HHD - расходная характеристика - красная линия). А в результате сложения последней с расходной характеристикой нагнетающего вентилятора получена суммарная характеристика группы - синяя линия. Она имеет достаточно сложный вид.

Поскольку отрицательное давление для постоянного направления вращения вентилятора, на мой взгляд, физического смысла не имеет область рассмотрения суммарных расходных характеристик ограничим зоной флюгерного режима (область правее розовой линия).

 

Флюгерный режим работы вентилятора
  - когда работающий вентилятор обдувает воздушный поток со скоростью меньшей паспортного значения скорости воздушного потока обдуваемого вентилятора.
  В результате набегающий воздушный поток должен совершать работу по принудительному раскручиванию вентилятора, что снижает его скорость или расход.

 

При низких расходах (примерно до 0,5 м3/мин) нагнетающий вентилятор способствует повышению давления на входе - выходе системы. С ростом расходов (выше уровня 1 м3/мин) расходная характеристика системы определяется только вытяжными вентиляторами.

Если быть точным точка пересечения результирующей кривой с горизонтальной осью будет находиться на участке от координат 0;1,2 (максимум расхода для одного вентилятора) до 0; 2,4 (максимум расхода для 2х параллельно работающих вентиляторов). Ее положение зависит от нескольких факторов. В частном случае, при малом аэродинамическом сопротивлении нагнетающего вентилятора на расходах 2,4 м3/мин, она будет максимально приближена к показанной на графике.

Данная кривая подтверждает выводы сделанные в части 1, о неэффективности данной схемы в системах с большим расходом (низким сопротивлением) для однотипных вентиляторов. При использовании нагнетающего вентилятора с расходом равным сумме расходов вытяжных вентиляторов флюгерный режим отсутствует и суммарная расходная характеристика получается в результате графического сложения.

В любом случае применение управления вентиляторами в системах где используется рассмотренная схема (3 и более нагнетающих и вытяжных вентиляторов) не может быть рекомендована из-за сложности ее исполнения.
 

Схема с двумя вытяжными и двумя нагнетающими вентиляторами

Данная схема рассматривается, для сравнения с предыдущей, показанной на рис.7.
 

Рисунок 8.
 

Результирующая кривая - синяя линия, в отличии от рис.1 имеет только меньшее отклонение от прямой (она не имеет такого провала как на рис.7). Характеристики в крайних точках (H=max; Q=0) и (H=0; Q=max) полностью соответствует рис.1. А промежуточные значения имеют меньший провал по давлению (H). Данная кривая может быть заменена эквивалентной прямой с меньшими погрешностями.

Аналогичная характеристика получается, если в схеме описанной в начале статьи (с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором) применен в качестве нагнетающего вентилятор с характеристиками (h, Q) по величине равными группе (их двух) вытяжных.

Еще раз обращаю Ваше внимание!

Данный график (рис.8) описывает суммарную характеристику при условии равенства характеристик всех 4 входящих вентиляторов. При отличии их характеристик возможны самые разные результаты от показанного на рис.7 до самого непредсказуемого.

Именно поэтому сложные параллельно - последовательные схемы включения вентиляторов я бы не рекомендовал без расчета. А это значит начинающим экспериментаторам. Наиболее проста и предсказуема схема с несколькими вытяжными вентиляторами при хорошем доступе внешнего воздуха в корпус ПК.

 

Ссылки:

1. Сайт фирмы DELTA DC Fan  http://www.delta.com.tw/

2. Расчет суммарного уровня шума нескольких источников шума (вентиляторов) в корпусе ПК. Здесь***

3. Особенности совместной работы вентиляторов - Журнал С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование, http://www.c-o-k.com.ua/content/view/232/

 

[1] Импеданс показывает, какое давление падает на охлаждаемом объекте.

Для тех, кто интересуется более подробной информацией рекомендую http://www.c-o-k.com.ua/content/view/232/. Там же есть ссылки на специальную литературу по вентиляции.

 А.Сорокин
Опубликована в первой редакции

 - 20.09.2005 на www.oszone.net ,

Здесь последняя редакция от июнь 2012 г.

Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" и автора обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через  гостевую книгу или почтой.
.

 Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012