Пыль и защита от нее ПК и РЭА

Для модернизаторов своих ПК.

Что это такое пыль?

Пыль это мелкие частицы, попадающие в дом снаружи (занесенные ветром частицы почвы, цветочная пыльца, дым) или образующиеся внутри (частицы отделяющиеся от стен, текстиля, меха), остаются в воздухе длительное время, и их видно в лучах солнца или при попадании на темные поверхности.

Они возвращаются с поверхностей обратно в воздух при движении людей или потоков воздуха в помещении.

Источники.

Пыль всегда имеется в любом помещении.

Пыль имеет, во-первых, внешние источники, например, дым, почва, цветочная пыльца или микроорганизмы. Цветочная пыльца образуется весной от цветения деревьев, трав, цветов. Кроме того, имеются внутренние источники пыли - пылящие поверхности стен, потолков, напольные покрытия текстиль во всех его видах, бумага, а также перхоть и шерсть животных (кошек, собак, птиц).

В помещениях, поддерживать минимальный уровень запыленности можно, если регулярно чистить и пылесосить помещение и фильтровать воздух. Кроме этого, вы можете сокращать места, где пыль может накапливаться (например, пористые поверхности), и контролировать ее источники, например, курение.

Состав пыли.

Содержание пыли в воздухе можно выразить, как массу пыли, приходящуюся на единицу объема (мг/м³), или как число пылевых частиц в единице объема воздуха (обычно в 1 см³).

Их значения сильно отличаются для разных условий, аналогично различен и состав пыли.

По данным http://www.gtt.ru/content/view/122/64/ состав пыли в атмосфере, в безветренную погоду, достаточно однороден для различных регионов США. Различия наблюдаются только для пыли с размером частиц менее 1 мкм, которые являются результатом человеческой деятельности.

Пыль	<1мкм	1-:-5 мкм	5-:-10 мкм	10-:-15 мкм	>15 мкм
Природный	27,00%	48,00%	22,00%	3,00%	0,00%

Таблица 1.

При высоких скоростях воздуха увеличивается содержание частиц размером > 15 мкм, которые при малых скоростях воздушных потоков быстро оседают.

В Новосибирске за длительное время наблюдений, в атмосфере, концентрация пыли в воздухе 0,2-:-0,15 мг/м³.

По данным из разных источников в помещениях концентрация пыли приближается к этой величине. Состав пыли в помещении меняется. Помимо частичек песка и почвы, пыльцы растений поступающей в помещение с улицы, в ее состав входят текстильные волокна, волосы и эпидермис человека, шерсть домашних животных, а также пыльца домашних растений, продукты жизнедеятельности домашних насекомых и др.

Почему надо очищать воздух от пыли?

Не смотря на необходимость применения в современных ПК высоко эффективных систем охлаждения тепловыделяющих узлов и вентиляции корпусов, в Интернет практически нет информации по вентиляции корпусов ПК и очистке воздуха от пыли. Нет и серийно производимых корпусов рассчитанных на тепловыделение более 400 Вт с фильтрацией охлаждающего воздуха. Существуют их обсуждения в форумах и несколько материалов, в которых этих проблем касаются вскользь.

Простой расчет подтверждает важность этого вопроса.

Конструкция стандартного корпуса ПК имеет особенность, в нем скорость воздушных потоков во входных отверстиях многократно превышает эту же скорость внутри корпуса. Поэтому он работает как фильтр, особенно для крупных частиц, до 70% пыли остается в корпусе. Хотя для корпуса с улучшенной вентиляцией реальная скорость воздушного потока во входных отверстиях меньше, а в самом корпусе выше, в результате в таких корпусах менее 50% пыли остается в корпусе, для обоих случаев эту величину берем равной 70%, как худшую.

Прикинем количество пыли остающееся в корпусе ПК при его работе в помещении:

Поэтому в домашних условиях, по крайней мере, 1 раза в год приходится выполнять чистку корпуса от пыли. Для стандартных корпусов применение воздушных фильтров позволяет увеличить интервал обслуживания в 2-5 раз.

Попробуем разобраться, почему корпус ПК работает как пылесборник?

Идеальный случай - на прямом пути воздушного потока.

Посмотрим на Рис.1.

Рис.1

На рисунке 1 условно изображен корпус ПК, как последовательность проходных сечений по всему пути хода воздушного потока. На выходе в проходном сечении S5 установлен вытяжной вентилятор с характеристиками:

W=S x V

где:
W - расход воздуха через вентилятор в м³/сек,
S - площадь проходного сечения в м²,
V - скорость воздушного потока м/сек.

Этот вентилятор обеспечивает прокачку через корпус воздуха объемом Wr, который меньше паспортного значения вентилятора W. Этот поток движется со скоростью V₅.

Wr=S₅xV₅

Этот расход постоянен для всех сечений корпуса. При герметичности системы выполняется условие:

Wr=S₅xV₅=S₄xV₄=S₃xV₃=S₂xV₂=S₁xV₁ - отсюда,

скорость воздушного потока для каждого сечения будет равна:

Vn=Wr/Sn

Это значит что скорость воздушного потока в данной системе обратно пропорциональна площади проходного сечения, другими словами, чем меньше проходное сечение, тем выше скорость воздушного потока.

Частицы пыли попавшие в проходное сечение S1 со скоростью воздушного потока V1 увлекаются им и в проходном сечении S2 при скорости V2<<V1 все частицы масса которых больше увлекающих сил выпадают из воздушного потока и оседают.

При изменении направления воздушного потока

Как уже говорилось выше частицы пыли размером более 15 (и даже 10) мкм мало содержится в воздухе. Причины в том, что крупные пылинки быстро оседают в спокойном воздухе. При больших скоростях воздушных потоков, силы ими создаваемые превышают их массу, и воздушный поток увлекает их. Чем выше скорость воздушного потока, те большим размером и массой частицы увлекаются им.

Частицы пыли в воздушном потоке приобретают кинетическую энергию:

Е_к=mv²/2

Этой энергии достаточно, чтобы получившая ее частица пыли при изменении направления воздушного потока, продолжала двигаться в направлении приобретенного импульса движения. Отдавая свою энергию на соударение с  поверхностью тел, другими частицами и преодоление сопротивления воздуха. Во всех этих случаях частица теряет скорость. Как только силы, увлекающие ее, становятся меньше силы тяжести, частица пыли оседает на расположенную ниже поверхность.

Рис.2.

Здесь: m₁>m₂>m₃>m₄>m₅. Масса m₅ настолько мала, что она увлекается воздушным потоком с минимальной скоростью и проходят сквозь корпус. Это частицы размером 1-3 мкм и менее.

Эту закономерность используют инерционные фильтры. К которым можно отнести и корпус ПК, если рассматривать его как ящик большого объема с вентилятором, обеспечивающим проход воздуха при ограниченном сечении входных и выходных отверстий.

В стандартном корпусе ПК забор воздуха осуществляется через множество мелких отверстий в его поверхности, как специально для этого предназначенных, так и конструктивные. Чаще всего в качестве устройства создающего воздушный поток используется осевой вентилятор. В этом случае, в первом приближении, при скорости воздушного потока через вентилятор около 2м/сек, скорость воздуха в заборных отверстиях часто превышает - 10 м/сек. Поэтому в корпус ПК засасываются все частицы пыли имеющиеся в воздухе помещения, вплоть до самых крупных, которые оседают сразу за входными отверстиями, как показано на Рис.2, что мы и наблюдаем на практике.

Выпадению и отложению пыли способствуют перепады скорости воздушных потоков в сторону уменьшения. Поэтому любые отложения пыли говорят о неравномерности скорости воздушных потоков в корпусе ПК и на элементах конструкции систем охлаждения или другими словами показывают ее проблемные места.

Для повышения эффективности системы охлаждения необходимо оптимизировать воздушные потоки на основе анализа мест отложения пыли.

Замечено так же, что частицы пыли размером менее 1 мкм активно отлагаются на турбинах воздухонагнетающих устройств, например на лопастях осевого вентилятора.

Эти отложения не равномерны, они больше в областях с неоднородными воздушными потоками . В этих зонах, на большой скорости частицы сталкиваются с поверхностью и отлагаются на ней, образуя достаточно прочное наслоение.

Рис.3.

Очистка воздуха от пыли.

Очистку воздуха от пыли осуществляют с помощью фильтров, которые проектируются исходя из состава пыли, необходимой степени очистки воздуха.

По степени очистки от пыли фильтры делятся на 3 группы:

1. фильтр грубой очистки - задерживает частицы пыли размером более 10 мкм.
   Фильтр, применяемый при высокой концентрации пыли с грубой очисткой от нее. Применяется в системах кондиционирование воздуха и вентиляция с невысокими требованиями к чистоте воздуха в помещении.
2. фильтр тонкой очистки - задерживает частицы пыли размером более 1 мкм.
   Сепарирование тонкой пыли в вентиляционном оборудовании, применяемом в помещениях с высокими требованиями к чистоте воздуха. Фильтр для очень тонкой фильтрации. Вторая ступень очистки (доочистка) в помещениях со средними требованиями к чистоте воздуха.
3. фильтр особо тонкой очистки - задерживает частицы пыли размером 0,1 мкм и менее.
   Применяется в помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха ("чистая комната"). Финишная очистка воздуха в помещениях с прецизионной техникой, хирургических блоках, реанимационных палатах, в фармацевтической промышленности.

Применение фильтров позволяет ..

.. снизить отложение пыли, особенно в системах вентиляции современных ПК с высоким тепловыделением, где расходы воздуха превышает стандартные корпуса в несколько раз.

Существующие фильтры отличаются конструкцией фильтрующего элемента. Они могут быть:

1. волокнистые,
2. пористые,
3. электростатические,
4. механические,
5. комбинированные.

- Фильтр из волокнистых материалов использует синтетические и природные волокна в виде тканей, нетканых материалов и специальных сортов бумаги. Они применяются для грубой, тонкой и особо тонкой очистки воздуха. Такие фильтры тонкой и грубой очистки могут иметь достаточно низкие потери давления. Для снижения их сопротивления воздушному потоку просто увеличивают площадь их поверхности.

Из нетканых материалов преимущественно используются материалы их 100% полиэстера, с термическим скреплением волокон (методом термосваривания) и имеет лабиринтную структуру по направлению потока воздуха. В качестве таких материалов можно назвать Синтепон-С или Холофайбер. В зависимости от задач могут выбираться материалф разной плотности и толщины.

Фильтры из волокнистых нетканых материалов наиболее перспективны для применения в ПК, поскольку имеют малое падение давления (сопротивление) при малых размерах, высокую эффективность, просты в изготовлении и эксплуатации и дешевы.

Преимуществом данного вида фильтров является возможность их работы с малонапорными осевыми вентиляторами, а значит, могут применяться в малошумных конструкциях каковыми и являются корпуса ПК, где они и нашли наиболее широкое применение.

- Фильтр из пористых материалов использует, простите за повторение, пористые синтетические материалы. Это в основном специальные виды поролонов. Они применяются для тонкой и особо тонкой очистки воздуха. Эти фильтрующие элементы имеют более высокие потери давления (сопротивление), малые размеры и высокую эффективность. Для них необходимо использовать вентиляторы создающие большее избыточное давление.

Недостатком данной конструкции является то, что вентиляторы с высоким избыточным давлением имеют более высокий уровень шума.

- Электростатический фильтр использует для фильтрации мелких неэлектропроводящих частиц (вплоть до отдельных молекул). Они имеют высокую эффективность и применяются дополнительно к другим видам фильтрующих элементов.

К их недостаткам можно отнести: достаточно большие размеры, сложную конструкцию, зависимость характеристик от влажности воздуха и наличие высокого напряжения.

- Механический фильтр, характерным представителем которых является фильтр типа «Циклон», используются для грубой очистки воздуха от частиц крупных и средних размеров имеют высокую эффективность. Обычно применяются в системах очистки воздуха производственных рабочих зон

К их недостаткам можно отнести большие размеры.

- Комбинированный фильтры, состоят из необходимой комбинации перечисленных выше фильтров, или из нескольких последовательных ступеней одного вида и применяются при необходимости очистить воздух с заданными параметрами. Они применяются главным образом для тонкой очистки воздуха.

К их недостаткам следует отнести большие габариты, сложные конструкции и применение мощных вентиляторов. Последнее определяет, как правило, высокий уровень шума, а поэтому они часто монтируются в отдельных звукоизолированных корпусах и помещениях.

В РЭА применяются и наиболее перспективными для использования в ПК- волокнистые фильтры. Поскольку их характеристики наиболее соответствуют задачам. Это:

1. Низкое аэродинамическое сопротивление фильтрующего элемента из волокнистых материалов;
2. Это в свою очередь позволяет применять для систем вентиляции низконапорные вентиляторы – осевые вентиляторы;
3. В результате выше перечисленного, корпуса ПК с использованием в качестве фильтрующего элемента волокнистых материалов имеют минимальный уровень шума. Это очень важно для корпусов ПК, поскольку они находятся в непосредственной близости от пользователя;
4. Волокнистые фильтры обеспечивают перехват более 70% пыли. Это позволяет в 2-5 раз увеличить временной интервал между чистками стандартного ПК.

Почему фильтры пока не применяются в большинстве конструкций ПК?

Пока в корпусах ПК тепловыделение было незначительным, проблемы с выводом тепла не существовало. Поэтому расход воздуха через корпус ПК был незначительным. Проблем с накоплением пыли возникают у таких ПК только к концу срока эксплуатации. Но компьютер с разогнанной системой, или любой современный компьютер, требуют таких расходов воздуха через корпус, что в условиях обычного офиса или квартиры его чистку от пыли приходится выполнять хотя бы раз в год. А иногда и два раза в год.

Общие требования в современной ситуации.

Современные высокопроизводительные ПК уже достигли тепловыделения более 400-500 Вт. Это требует высокоэффективных систем охлаждения и вентиляции корпуса ПК. В связи с этим растет и расход воздуха через корпус. Сейчас для обеспечения эффективного охлаждения требуется более 2 м³/мин. При таких расходах возникает потребность в установке воздушных фильтров. См. выше. Потому что отложение пыли в нем может превышать 4 г/месяц. Такой корпус без фильтра требует регулярной очистки от пыли.

Но пока не встречал пока ни одного корпуса ПК, в который встроен воздушный фильтр или можно его установить без переделки корпуса. Не смотря на то, что современные ПК часто имеют в корпусе 2 вытяжных вентилятора диаметром 120 мм, суммарная площадь входных отверстий для воздуха раскиданных по всему корпусу обычно много меньше площади проходного сечения одного вентилятора. Устанавливать фильтр в такой корпус невозможно.

Именно поэтому пока корпуса ПК требуют доработки для установки воздушного фильтра. При доработке корпуса ПК надо учитывать рекомендации:

1. Входные отверстия для забора охлаждающего воздуха должны быть расположены как можно ближе к его основанию;
2. Они должны быть расположены в местах, где температура входящего воздуха минимальна;
3. Точки входа, выхода и пути прохождения воздушных потоков должны быть организованы так, чтобы они проходили мимо наиболее нагретых элементов ПК.
4. Отверстия для забора воздуха должны иметь площадь в 2-5 раз превышающую площадь вытяжных вентиляторов.

Одна из конструкций фильтра.

Подробно конструкция описана в статье «Пыль и защита от нее» расположенной на моем сайте по адресу: http://electrosad.narod.ru/Ohlajd/dust.htm. Фильтрующий элемент в данной конструкции изготовлен из волокнистого термосклеенного синтетического материала – синтепон.

 Она показала свою эффективность. На этой конструкции было обнаружен эффект позволяющий резко повысить эффективность работы волокнистых фильтров по частицам пыли размером менее нескольких микрометров.

Рис.4

Для фильтрации, которых данный фильтр просто не предназначен. При рассмотрении состава задержанной фильтром пыли было обнаружено на его активной поверхности большое содержание частиц размером 2 мкм и менее. Это и характер их распределение по поверхности говорит о проявлении в данном случае известного из физики явления. Это электризация поверхности диэлектриков движущимися вдоль поверхности воздушными потоками. Наведенный, протекающим потоком воздуха, электростатический заряд на поверхности волокнистого материала фильтра придает ему свойства электростатического фильтра задерживать самые мелкие частицы.

Рис.5

На рис.5 показано распределение пыли N=f(L) в фильтре показанном на рис.4. Оно совпадает с распределением эл. статического заряда E=f(L) на поверхности фильтрующего материала. Низкий электростататический потенциал у фланца объясняется стеканием заряда на корпус ПК.

Описанная на сайте конструкция, по сути, является комбинированным фильтром. Она содержит волокнистый фильтр грубой и тонкой очистки и электростатический фильтр для особо тонкой очистки воздуха. При этом отсутствует необходимость источника высокого напряжения и изоляции элементов фильтра.

Рис.6

На рис.6 показан внешний фильтр заготовки фильтра из синтепона плотностью порядка 200-300 г/м².

Другие конструкции фильтра.

Конечно для снижения сопротивления потоку воздуха фильтр должен иметь большую площадь. Для увеличения площади поверхности фильтра применяются цилиндрические конструкции  (подобные описанной выше)? с определенными видами укладки, например - W образные. Или другими, позволяющими при заданном размере входного отверстия, получить площадь фильтрующего элемента в несколько раз превышающую размер входного отверстия.

Но возможно и применение воздушных волокнистых фильтров плоской конструкции. Так как это делалось в конструкции описанной в статьях "Экстремальный корпус " и "Экстремальный корпус через год эксплуатации" .

Рисунок 7.

 

Или такая, которая описана в статье "Модернизация корпуса InWin S551-T".

 

Рисунок 8.

 

Все конструкции обеспечивают расчетный уровень фильтрации при низком аэродинамическом сопротивлении.

Они могут работать при использовании в системе вентиляции малооборотных вентиляторов, имеющих низкий коэффициент шума. Это позволяет их применять в малошумных вентиляторах.

Требования к конструкции фильтра.

Фильтрующие элементы должны иметь достаточно развитую поверхность для того чтобы при высокой эффективности иметь малое аэродинамическое сопротивление. Оно должно составлять не более 10% от давления создаваемого вытяжными вентиляторами. Например давление (напор) создаваемое корпусным вентилятором типа AFB1212ME фирмы Delta равно 6 мм. H₂O или 58,8 Па. (Его уровень шума 38 дб.) Поэтому сопротивление фильтра не должно превышать 0,6 мм. H₂O (5,9 Па). Если посмотрим приложение 1 то увидим, таких материалов для фильтров не выпускается. Если использовать вентилятор имеющий давление 10  мм. H₂O и более, того же ряда и той же фирмы AFB1212VHE то его уровень шума 48 дб и более.

Нельзя забывать, что при эксплуатации запыленный фильтр увеличивает свое сопротивление до десяти раз.

А для обеспечения возможности использования эл. статического эффекта необходимо исключить контакт поверхности фильтра с металлическими конструкциями, элементами корпуса ПК по поверхности и в местах крепления его к корпусу.

Именно поэтому невозможно установить воздушный фильтр в существующие конструкции корпусов ПК. Корпус надо дорабатывать! Или ждать пока не появятся соответствующие корпуса.

Контроль запыленности фильтра.

Контроль запыленности фильтра может контролировать специальная система контроля, которая кратко описана на сайте в статье "Экстремальный корпус часть 5" и, кроме своей основной задачи, позволяет увеличить срок эксплуатации фильтра. Это же можно делать и контролируя температуру узлов ПК. Например: процессора, чипсета, винчестера. При этом зная температуру узлов при чистом фильтре, можно использовать ее как исходную. Приближение к предельной температуре или принятой вами за предельную - это сигнал "необходимо чистить фильтр".

Эксплуатация фильтра.

Эксплуатация фильтра не вызывает трудностей. Он легко отмывается с помощью мыльной воды, сделанной с помощью хозяйственного мыла. Получается 100% очистка от пыли. Главное, чтобы моющее средство полностью смывалось с поверхности волокон фильтрующего материала. Не рекомендуются моющие вещества способствующие снятия статического заряда с тканей. При их использовании эффективность фильтра падает.

Год эксплуатации фильтра.

Результаты эксплуатации фильтра в течении года подробно показаны здесь. Можно сказать главное - фильтр нормально очищается просто пылесосом. Качество очистки воздуха таково, что внутренние узлы ПК дополнительной очистки не потребовали. Для эксперимента решено проверить их через год. Перегрев воздуха в корпусе, при описанной засоренности фильтра, составил 1 град. С.

Приложение 1.

Фильтрующие материалы применяемые в промышленных фильтрах.

Таблица 3

Предостережение!

Фильтрующие материалы с высоким аэродинамическим сопротивлением, такие как поролон, плотные марки синтепона, фильтрующие ткани и бумаги могут применяться только в конструкциях с вентиляторами имеющими высокий напор (мощными осевыми или центробежными), а значит шумными!

Да и в нормально рассчитанных фильтрах конечно сопротивление (см. таб. 3) может превысить напор создаваемый Вашим вентилятором, поэтому для сохранения эффективности системы охлаждения необходимо контролировать температуру охлаждаемых узлов и своевременно заменять фильтрующий материал.