Искусство охлаждения,

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

Основой оптимального охлаждения всех узлов современного ПК является грамотно спроектированная система вентиляции его корпуса. Я расскажу здесь о рекомендациях Intel и об идеях заложенных в конструкцию описанного на сайте экстремального корпуса.

Что необходимо для эффективного охлаждения современного компьютера? Особенно если вам необходим низкий уровень шума.
Для этого нужно выполнить, по крайней мере, два требования.

Первое

– обеспечить низкие потери давления в системе вентиляции корпуса. Это необходимо чтобы обеспечить нужный для данного тепловыделения воздухообмен при минимальной скорости вращения ротора вентилятора. Последнее дает возможность получить низкий уровень шума вентилятора.

Второе

– организовать в корпусе ПК воздушные потоки так, чтобы они омывали нагревающиеся узлы. Это обеспечит подачу к ним охлаждающего воздуха с температурой приближающейся температуре воздуха за пределами корпуса. Использовать для этого воздуховоды не допускается, поскольку они являются дополнительным источником шума и эффективность применения воздуховодов низка по причине их повышенного сопротивления.
На каждые два диаметра длины воздуховода (два калибра) потери в нем удваиваются.

 

Сначала посмотрим рекомендации форума IDF по проблемам охлаждения ПК проходивший в 2002 году в Москве по http://www.ferra.ru/online/cooling/s20793/ print/. Его рекомендации используются с минимальными отклонениями производителями корпусов ПК вплоть до настоящего времени. Поэтому рассмотрим существующие рекомендации.

Корпорация Intel рекомендовала применять следующую схему, назвав ее «идеология воздуховодов»:

 

 

Эта схема с небольшими изменениями у производителей считается оптимальной. Хотя за это время мощности тепловыделения узлов ПК выросли более чем в два раза.

Даже при беглом взгляде видны несколько проблемных зон, где воздушные потоки испытывают повышенное сопротивление.

Цифрой 1 помечена зона повышенного сопротивления в районе слотов плат расширения на системной плате. Если в ней установлены одна, две платы, что сейчас бывает практически всегда, возникает проблема. Эта гребенка позволяет проходить воздуху только между платами в слотах и крышкой корпуса.

Зона под цифрой 2 особый случай. На верхнем рисунке это просто узость, затрудняющая прохождение воздушного потока, но тот, кто сам собирал ПК, знает, через нее или в непосредственной близости от нее обычно проходят все кабели от системной платы к DVD, HDD, FDD. Хорошо если это SATA, а как с плоскими шлейфами у CD-DVD, FDD? Кроме этого пучок проводов от системной платы к индикаторам и органам управления ПК.

Попробуйте для самопроверки найти еще хотя бы одну зону, где циркуляция воздуха затруднена. Даже не имея богатого опыта Вы найдете по крайней мере одну такую зону.

Широко обсуждался проект фирмы «Эксимер», компьютеры моделей FS1 и FS2, где для организации потоков использовались специальные воздуховоды. Но прошло 5 лет и даже упоминания об этих моделях не осталось в Интернет. Да это и понятно эти конструкции дороги из-за применения дополнительных воздуховодов и их крепления в корпусе, а самое главное они затрудняют подачу воздуха к остальным нагревающимся узлам и доступ для обслуживания элементов ПК.

Пока применяются на некоторых корпусах воздуховоды к кулеру процессора, которые подают к нему холодный воздух со стороны боковой крышки.

Предлагаемые Intel схемы охлаждения еще как-то могли обеспечить вывод за пределы корпуса ПК 100-150 Вт тепловыделений, но даже в этом случае температура в корпусе на 12 до 17 °С превышала температуру воздуха в помещении, где стоит ПК. Это и требовало подачи к кулеру процессора холодного воздуха. Рекомендованная схема в типовых корпусах имела потери давления на входе и выходе из них до 90% от давления создаваемого вентилятором. Это потери давления на перфорациях, в узостях воздухозаборников. И только оставшаяся часть работала на обеспечение охлаждения.

Посмотрите расходную характеристику вентилятора или двух параллельно включенных вентиляторов на рисунке ниже, на ней можно оценить расход прокачиваемого через корпус ПК воздуха. Расход воздуха на низком импедансе (сопротивлении) много выше чем у системы с высоким сопротивлением. Рисунок из статьи на этом сайте "Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров."

 

 

Применение «горячих» процессоров потребовало не только установки воздуховодов на процессор, но и установки в корпус дополнительных высокооборотных вентиляторов с высоким уровнем шума.

Проблему шума и качественного охлаждения (вентиляции) одновременно, позволяют полностью решить корпуса с малым аэродинамическим сопротивлением и организованными воздушными потоками в корпуса ПК, в которых выполняются приведенные выше требования.
 

Корпус с малым аэродинамическим сопротивлением

Это, прежде всего большие корпуса.

Не хотите мириться с большим корпусом – терпите шум, издаваемый множеством вентиляторов маленького! Ведь необходимый объем (массу) воздуха прокачивать надо. А для этого надо совершить работу (нужна мощная воздухообменная система), которая тем больше чем больше сопротивление воздушному потоку.

Большие только потому, что для обеспечения малых потерь давления в корпусе ПК, необходимо обеспечить проходные сечения в узостях имеющие размер более размера вытяжного вентилятора, а суммарное проходное сечение больше нескольких проходных сечений вентилятора.

Кроме этого такой корпус должен иметь входные и выходные отверстия большого сечения и без перфорации, в крайнем случае, если перфорация то с прозрачностью не менее 80% и большой площади.

Правда в последнем случае, возникает новая задача - правильно распределить места забора и выхода воздуха (воздушные потоки).

В идеальном случае выходное отверстие, куда устанавливается вытяжной вентилятор должно быть открытым проемом. В целях безопасности допускается закрывать его только декоративной решеткой из проволоки диаметром до 1,0 мм.

Эти же требования предъявляются и ко входному отверстию. С той разницей, что его размер не ограничен размером вентилятора и в целях снижения сопротивления его размер ограничивается только возможностями конструкции.

Такие корпуса имеют высокий воздухообмен. Пример здесь. Поэтому обязательным элементом их конструкции является воздушный фильтр низкого сопротивления. Пример здесь. Его применение позволяет обеспечить защиту элементов ПК от пыли и сохранить или увеличить интервал его обслуживания даже при многократно больших расходах воздуха. Особенность таких корпусов это малый перегрев охлаждающего воздуха и эффективное охлаждение.

Такой корпус описан на сайте в серии статей «Экстремальный корпус».
 

Организация воздушных потоков в корпусе ПК

Пассивный способ.

Корпуса ПК с низкими потерями позволяют заниматься организацией воздушных потоков.

В противоположность им, в корпусе с большим аэродинамическим сопротивлением это практически невозможно, потому что среди множества проходных сечений в нем, примерно равнозначных по сопротивлению, невозможно создать преобладающий воздушный поток. А часто бывает так, что там, где должен проходить основной поток воздуха сопротивление как раз выше, чем в других сечениях.

В сложном сечении, показанном на рис.1, объем воздуха V₂, V₃, V₄, V₅ распределяется пропорционально площади элементарного сечения S₂, S₃, S₄, S₅. Для упрощения рассмотрения, сечения показаны в плоскости, хотя реально они расположены в трех координатах X,Y,Z в каждом рассматриваемом сечении. Так же условно сечения разделены на отдельные элементы.

 

Рисунок 1.
 

При этом объем воздуха на выходе V_вых равен сумме объемов V₂, V₃, V₄, V₅ (умноженных на коэффициент k) походящих через элементарные сечения S₂, S₃, S₄, S_5.

 

V_вх = kV₂ + kV₃ + kV₄ + kV₅ = V_вых = kV_вх [1]

k – коэффициент определяющий увеличение объема воздуха при нагреве его от температуры t_вх до t_вых.

 

При малых перегревах воздуха (до 5 град. С) коэффициент k можно принять равным 1 (не учитывать), в результате получим:

 

V_вх = V₂ + V₃ + V₄ + V₅ = V_вых

 

Таким образом, задавая площади элементарных сечений можно распределять объем проходящего через них воздуха в любом необходимом сечении корпуса.

Например:

Если Вытяжной вентилятор на выходе из корпуса имеет расход Vвых, то в сечении S₂, S₃, S₄, S₅ он распределится пропорционально соотношениям S₂/S_сум, S₃/S_сум, S₄/S_сум, S₅/S_сум. Через сечение S₄ будет проходить объем воздуха V₄ равный:

 

V₄ = S₄/S_сум* V_вых

где S_сум = S₂ + S₃ + S₄ + S₅

 

Хотя более удобно оперировать в этих вычислениях массой воздуха m, которая не зависит от нагрева.

 

m_вх = m₂ + m₃ + m₄ + m₅ = m_вых [2]

 

Для рассмотренного на рис. 1 объема можно применить правило:

Сумма масс (m) воздуха в любом проходном сечении корпуса равна массе воздуха входящего в корпус и равна сумме масс выходящего из объема воздуха.

 

 Но необходимо помнить!

Что масса воздуха на входе и выходе из охлаждаемого объема равны, а объем нагретого воздуха на выходе больше объема воздуха на входе[1].

Объем воздуха на выходе зависит от температуры нагрева и его можно определить по формуле:

 

V = V₀ (1+ αt),

Коэффициент K равен [1]:

K = (1+ αt)

 

где V₀ объем, t разность температур (tвых - tвх) в градусах Цельсия, а α = 1/273 К^-1.

 

Пути прохождения воздушного потока

Пути прохождения воздушного потока определяются:

• точкой входа воздуха;
• одним из элементарных сечений (несколькими последовательными сечениями) по ходу воздушного потока;
• точкой выхода воздуха из корпуса.

Таким образом, перемещая эти точки мы можем направить воздушные потоки в необходимых нам направлениях.

 

Степень оптимальности организации воздушных потоков показывает следующие факты.

Если снять крышки (кожух) обычного (не оптимального) корпуса, температура в нем падает до окружающей и тепловые режимы узлов улучшаются.

В противоположность предыдущему примеру, на оптимальном корпусе воздушные потоки в закрытом корпусе эффективно охлаждают узлы. При снятии крышек или кожуха тепловые потоки нарушаются, и тепловые режимы отдельных узлов могут ухудшаются за счет отсутствия принудительного теплообмена. Такое явление имеет место и на практике и описано в статье "Экстремальный корпус через год эксплуатации".

 

Подводя итоги можно сказать:

1. Даже на момент проведения форума по проблемам охлаждения (2002 год) рекомендации Intel уже с трудом обеспечивали охлаждение ПК.
2. В малоразмерных корпусах затруднен вывод выделяющегося, на элементах тепла, поэтому системы вентиляции и охлаждения для них должны рассчитываться, моделироваться на предмет обеспечения приемлемого теплового режима.
3. Обеспечить необходимый расход в малоразмерных корпусах можно только с помощью мощных высокооборотных вентиляторов с повышенным избыточным давлением.
4. Последнее решение приводят к высокому уровню шума.
5. Всех этих недостатков лишен большой корпус с низким аэродинамическим сопротивлением.

P.S.

Следует сказать о зависимости выводимой за пределы корпуса тепловой мощности.

Я видел несколько вариаций этих формул, которые называют эмпирическими. Есть даже такие где отсутствует температурный перепад между наружным воздухом и выходящим из корпуса нагретым в нем воздухом.

Реальная формула, в полном виде выглядит так:

 

W = L (t_вых - t_вх) ρ_вх C  (Дж/сек или  Вт) [3]

Здесь:
W – отводимая мощность дж/сек,
L – объем проходящего воздуха м³/сек,
ρ_вх – уд вес приточного воздуха Кг/м³,
С – теплоемкость входящего воздуха дж/Кг град,
t _вх – температура воздуха на входе град,
t_вых – температура воздуха на выходе.

Причем не следует забывать, что удельный вес и теплоемкость воздуха зависят от температуры.

И еще.

Если не вдаваться в формулы и расчеты, то можно представить организацию воздушных потоков как:

• создание повышенного сопротивления (вплоть до установки преград) в местах где необходимо ослабить воздушный поток. При этом не следует забывать о необходимости иметь малое результирующее сопротивление воздушному потоку во всем корпусе ПК,
• создание условий для свободного прохождения воздуха в свободных местах.

редакция апрель 2010 года, 

автор Сорокин А.Д.

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: