Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

На работу вентиляции корпусов ПК и РЭА накладываются весьма жесткие ограничения. С одной стороны нужна температуре воздуха в корпусе ПК максимально приближенная к температуре наружного воздуха. С другой, это недопустимость превышения температуры охлаждаемого узла до максимально для него допустимой, которая составляет сейчас от 85 до 95 град.С, причем она должна быть по возможности минимальна. Важен и минимальный уровень шума системы вентиляции. Для оптимальной конструкции надо с максимальным качеством выполнить эти условия.

Точный расчет системы вентиляции РЭА сложен и должен учитывать множество факторов которые в нашей практике трудно учесть. А если какой либо фактор не учитывается погрешность расчета приближается к 50%. Здесь приведен упрощенный расчет который позволяет оценить характеристики системы.

В данном материале я хотел показать, что грамотно спроектированная система с естественной вентиляцией, по своей способности выводить тепло может превосходить неграмотный "стандартный корпус". А применение в таком корпусе принудительной вентиляции способно обеспечить работу самых тепловыделяющих систем.

Чтобы не было ошибок, обращаю Ваше внимание везде в тексте размерность H - кг/м², а не кг/см² (техническая атмосфера).

 

Физические основы вентиляции.

Известно, что нагретый воздух имеет меньший удельный вес чем холодный (рис.1), и поэтому вытесняется более тяжелым холодным воздухом и поднимается вверх. Это свойство нагретого воздуха используется не только для подъема монгольфьеров – летательных аппаратов легче воздуха, но и для создания тяги в отопительных устройствах, и, что более важно для нас, для охлаждения узлов РЭА, расположенных в корпусах с естественной и принудительной вентиляцией. График зависимости уд. веса воздуха от температуры показан на рис.1.

Рис.1

Отвод тепла из корпусов РЭА осуществляется воздухом за счет выноса его проходящим потоком избыточного тепла и замещения его в корпусе более холодным внешним воздухом. Это замещение создает проходящий поток воздуха. Он возникает по естественным причинам – разности тем­ператур или соответственно разности удельных весов наружного и внутреннего воздуха.
 Это естественная вентиляция.

 

При значительных избытках тепла, низкой температуре наружного воздуха в корпусах РЭА без принудительной вентиляции могут осуществляться воздухообмены, достигающие нескольких десятков кубических метров в час.

Воздушные потоки, обеспечивающие теплообмен могут создаваться и существовать за счет внешнего нагнетающего (вытягивающего) электромеханического устройства – вентилятора. Этот вид вентиляции требует дополнительных энергозатрат, повышает уровень шума блоков и снижает надежность конструкции РЭА.

Это принудительной вентиляции.

 

Конструкция корпуса выбирается исходя из возможности применения того или иного вида его вентиляции. Например, в низко профильных корпусах отсутствует перепада высоты между центрами вентиляционных отверстий, это делает невозможным применение естественной вентиляции. В таких корпусах возможно применение только принудительной вентиляции.

Из курса физики известно, для изобарного (при постоянном давлении) процесса нагрева газа массой m, количество теплоты, полученное им – W увеличивает его температуру на Δt.

W = m•c•Δt = L_пр•ρ•с•Δt (Дж/час) [1]

Здесь m = L_пр • ρ - это масса участвующего в охлаждении воздуха, а ρ-удельный вес воздуха.

Когда вентиляция предназначена для удаления тепла из вентилируемого объема,  объем приточного воздуха и количество отводимого тепла  определяется из выражения:

 

L_пр = W/(t_ух - t_пр) ρ_пр С        (м³/час) [2]

 

или

 

W = L_пр /(t_ух - t_пр) ρ_пр С        (Дж/час),

 

или

 

W = 3600 L_пр /(t_ух - t_пр) ρ_пр С (Вт) [2.1]

Где: W – отводимые избытки тепла Дж/час,

t_ух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема,

t_пр –температура приточного воздуха,

ρ_пр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

L_пр – объем приточного воздуха.

Естественная вентиляция.

Вентиляция корпусов РЭА выполненной на полупроводниковых структурах, существенно отличаются от вентиляции других радиотехнических устройств. И, прежде всего тем, что максимальная температура активных элементов РЭА жестко ограничена 85 – 95°С, а это накладывает соответствующие ограничения на максимальную температуру воздуха в корпусе 55 – 65°С. Это и определяет меньший тепловой напор и соответственно эффективность работы естественной вентиляции.

Исходя из этого, можно рекомендовать:

1. Для естественной вентиляции корпусов РЭА, учитывая, что напор имеет малую величину, требуется организация путей воздухообмена. Она подразумевает прохождение воздушных потоков мимо наиболее нагретых узлов, что позволяет обеспечить эффективный съем тепла с этих узлов. Для этого необходимо обеспечить беспрепятственный проход воздушных потоков.

2. Корпуса для эффективной работы естественной вентиляции должны иметь вертикальный профиль и достаточную высоту.

3. Точки входа и выхода охлаждающего воздуха должны быть расположены в максимально удаленных по высоте точках.

4. Аэродинамическое сопротивление входного и выходного отверстий должны иметь минимальную величину.

5. Исходя из больших объемов проходящего воздуха, входное отверстие должно иметь фильтр грубой очистки воздуха малого сопротивления.

Для оценки эффективности естественной вентиляции и распределения давлений в замкнутом объеме с парой вентиляционных отверстий, расположенных как в стандартном корпусе, рассмотрим рисунки 2 и 3.

На рисунке 2 схематически изображен корпус, у которого площадь отверстия для входа воздуха S_вх много больше площади выходного отверстия S_вых. В этом случае минимальное давление в корпусе равно внешнему, а на выходном отверстии создается некоторое избыточное давление. Такой вариант достаточно прост для расчетов и исполнения.

На рисунке 3 схематически показан корпус площади входного и выходного отверстий, которого соизмеримы. В этом случае на входном отверстии внутри корпуса существует некоторое разрежение, на выходных избыточное давление. А в некоей области внутреннего объема корпуса существует уровень равных давлений, где давление равно давлению за пределами корпуса. Этот расчет может применяться для расчета систем вентиляции с фильтром на входе корпуса. В этом случае реальная площадь входного отверстия не только меньше площади входного отверстия, но с течением времени будет изменяться при снижении прозрачности фильтра.

Рассмотрим соотношения связывающие характеристики корпуса изображенного на рис.3.

Если температура воздуха в корпусе t_в выше наружной температуры t_н то вес 1 м³ воздуха в килограммах (удельный вес) внутри корпуса ρ_в кг/м³ будет меньше удельного веса атмосферного воздуха ρ_н кг/м³. Тогда вес столба воздуха высотою h₁, от центра нижних открытых отверстий до плоскости равных давлений составит:

внутри корпуса – h1 • ρ_в, в окружающей атмосфере – h1 • ρ_н.

Очевидно, что на уровне центра нижних отверстий создается перепад давления (разрежение), равное разности веса столбов наружного и внутреннего воздуха, а именно

 

H1 = h1 • ρ_н - h1 • ρ_в = h1(ρ_н - ρ_в) (кг/м²)

 

Этот перепад давлений обеспечивает поступление в корпус наружного воздуха.

Путем аналогичных рассуждений можно определить, что разность давлений на уровне центра отверстий, расположенных выше плоскости равных давлений, составит

 

H2 = h2 • (ρ_н - ρ_в) (кг/м²)

 

причем это давление направлено со стороны корпуса в сторону окружающей атмосферы и вызывает дви­жение воздуха из корпуса в атмосферу.

Таким образом, под влиянием разностей давлений возникает воздухообмен с поступлением (притоком) воз­духа через нижние отверстия и удалением (вытяжкой) воздуха через верхние открытые отверстия.

Общая величина всей располагаемой разности давлений носит название теплового напора и равна сумме давлений на уровне нижних и верхних отверстий, то есть

 

H_T=H₁ + H₂ = h • (ρ_н - ρ_в) (кг/м²) [3]

 

Получается тепловой напор (Нт – перепад давления создаваемое нагревом воздуха) равен произведению из разности удельных весов воздуха на вертикальное расстояние между осями (серединами) нижних и верхних отверстий. Давление создаваемое потоком нагретого воздуха пропорционально высоте h и его температуре.

На рис.2 показано упрощенное представление «теплового напора». Его абсолютное значение равно изображенному на рис.3.

 

H_T = h • (ρ_н - ρ_в) (кг/м²)

 

Зависимость плотности воздуха от температуры приведена на рисунке 1.

 

Практический расчет системы естественной вентиляции.

Рассмотрим для примера стандартный корпус компьютера «midi Tower»:

- высота между центрами входных и выходных вентиляционных отверстий – 0,25 м;

- температура наружного воздуха 22 °С;

- температура воздуха в выходном вентиляционном отверстии корпуса 55 °C.

 

H_T = h • (ρ_н - ρ_в) = 0,25 м (1,19 – 1,075)Кг/м³ = 0,029 Кг/м²(мм.H₂O).

 

Исходя из соотношения 1атм.тех= 10⁴ кг/м2=9806 мм.вод ст. получается тепловой напор (перепад давления)  равный - H_Т = 2,84 10^-3 мм вод. ст. Пояснения См. сноску в конце страницы.

Скорость воздуха в вентиляционном отверстии зависит от разности давлений внутри и вне корпуса определяется из выражения:

м/сек [4]

где v - скорость воздуха в м/сек;

g - ускорение земного притяжения 9,81 м/сек²;

ρ - удельный вес наружного воздуха в кг/м³;

∆H - разность давлений в кг/м².

Объем воздуха, проходящего через вентиляционное отверстие, определяется по формуле:

 

L = К • V • S (м³/сек) [5]

 

где    L - объем воздуха в м³/сек;

S – площадь отверстия в м²;(Вент. 120мм S_прох = 83,7см² = 0,00837м²)

К - коэффициент расхода, зависящий от конструкции выходного вентиляционного отверстия, принимаем равным - 0,7.

Учитывая принятую для использования конструкцию согласно рис.2 (площадь входных отверстий Sвх много больше площади выходных вентиляционных отверстий Sвых) рассчитываются только условия протока охлаждающего воздуха для выходных вентиляционных отверстий.

Отсюда для H_Т = 0,029 Кг/м² получим V = 0,69 м/сек.

Объем проходящего воздуха для данных параметров и площади S = 0,00837 м² получим L= 0,004 м3/сек = 0,24 м3/мин.

Это для h =0,25м.

Исходя из формулы (1) тепловая мощность выводимая за пределы корпуса с помощью естественной вентиляции равна:

 

W = L (t_вых - t_вх) ρ C (Дж/сек, Вт)

 

W – отводимая мощность дж/сек,

L – объем проходящего воздуха м³/сек,

ρ_вх – уд вес приточного воздуха Кг/м³, (1,19 Кг/м3)

С – теплоемкость входящего воздуха дж/Кг град (1008 дж/Кг град),

t_вх – температура воздуха на входе град (22°С),

t_вых – температура воздуха на выходе (55°С).

 

W = 158,3 дж/сек

Результаты вычислений для h=0,25м и h =0,42м ρ_вх = 1,19 Кг/м3 сведены в таблицу 1.

 

tвых °С (tвх=22 °С)	W Дж/сек (h=0,25м)	W Дж/сек (h=0,42м)
30	21,1	26,9
35	40,5	53,
40	64,8	84,2
45	93,8	121,4
50	124,3	161,2
55	158,3	205,8

Таблица 1

Полученные результаты сведены в график зависимости отводимой мощности от температуры выходного воздуха и показаны на рисунке 4.

В данном случае увеличение h получено на одном и том же корпусе, но с измененной конструкцией вентиляционного канала. Это изменение дало 30% увеличение эффективности системы охлаждения.

 

Рисунок 4

Если Вам интересно и для практики посчитайте W для h=0,5 м.

Принудительная вентиляция.

Принудительная вентиляция, как уже писалось выше, это вентиляция где воздушные потоки, обеспечивающие теплообмен создаются и существуют за счет внешнего нагнетающего (вытяжного) электромеханического устройства – вентилятора.

Этот вид вентиляции требует дополнительных энергозатрат, повышает уровень шума и снижает надежность конструкции РЭА.

Понятно, что в данном случае охлаждение полностью зависит от характеристик применяемых вентиляторов. Низко профильные корпуса, как правило, имеют большое аэродинамическое сопротивление, его величина имеет существенное значение.

Аэродинамическое сопротивление корпусов ПК, для обеспечения эффективного охлаждения, должно быть много меньше избыточного давления создаваемого вентилятором. Это подробно описано в статье «Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров».

Для принудительной вентиляции в ПК применяются осевые и центробежные вентиляторы, имеющие разные характеристики.

Чтобы понять преимущества и недостатки этих двух систем, сравним характеристики осевого и центробежного вентилятора. Для сравнения возьмем по одному из наиболее близких по характеристикам представитель каждого вида. Это осевой вентилятор AFB1212L и центробежный вентилятор (бловер) BFB159x165x40.

Рис.5

Модель	Типоразмер	Рабочее напряжение	Предельные напряжения	Потр. ток	Потребляемая мощность	Скорость вращения	Макс. расход	Макс. давления воздуха.	Уровень шума
Тип	мм	Вольт	Вольт	Ампер	Вт	об/мин	м3/час	мм. H2O	дб
BFB16L	159x165x40	12	7,0 -13,2	0,8	9,6	1800	1,41	21,5	51,5
AFB12L	120x120x25.4	12	7,0 -13,8	0,14	1,68	1900	1,782	3,93	32,5

Таблица 3

Сразу бросаются в глаза главное отличие.

При расходах имеющих один порядок, центробежный вентилятор - имеет максимальное давление в 5,5 раза выше осевого.

Отсюда вытекают его:

1. более высокая потребляемая мощность ( более чем в 5,5 раза),

2. высокий уровень шума.

Это позволяет рекомендовать центробежный вентилятор для применения в системах принудительного охлаждения (вентиляции) с высоким аэродинамическим сопротивлением.

Например - при потерях давления в охлаждаемой системе равном 4 мм.H₂O осевой вентилятор модели L будет иметь стремящийся к нулю расход, а у центробежного вентилятора расход составит 1,3 м³/мин для модели L.

Та же формула [2.1] позволяет посчитать и величину выводимой за пределы корпуса тепловой мощности с помощью принудительной вентиляции.

 

W = L_пр /(t_ух - t_пр) ρ_прС   (Вт)

 

Получаем - W – отводимые избытки тепла  Дж/сек или Вт,

При:

t_ух – температура воздуха уходящего из вентилируемого объема (град.С),

t_пр –температура приточного воздуха (град.С),

ρ_пр – удельный вес приточного воздуха в кг/м3,

С – теплоемкость воздуха в Дж/кг град,

L_пр – объем приточного воздуха м³/сек.

Для вентилятора 120 мм типа  AFB12L виде графика это выглядит так:

Рис.6

Здесь:

dt=10град.С - зеленая линия,

dt=20град.С - красная линия,

dt=30град.С - синяя линия.

Из формулы и рис.6 видим, что вывод тепла пропорционален расходу охлаждающего воздуха L_пр (конечно W определяется еще и разностью температур, но мы ведем расчет для заданной температуры выходящего воздуха). Поэтому главной задачей вентиляции корпусов для систем принудительного и естественного охлаждения является обеспечение максимального расхода охлаждающего воздуха.

Особо следует сказать об особенностях применения осевых вентиляторов в системах охлаждения, определяемых их низким избыточным давлением.

Низкое избыточное давление осевого вентилятора подразумевает его применение в системах с низким аэродинамическим сопротивлением. Причем для его эффективного применения (с расходами близкими к заявленным в документации) требует, чтобы это аэродинамическое сопротивление составляло менее 10% от паспортного расхода вентилятора.

В связи с этим следует обратить особое внимание на монтаж осевых вентиляторов. Часто их ставят в перфорацию корпуса, площадь отверстий которой (S_перф) много меньше проходного сечения вентилятора (S_вент).

K= S_вент/S_перф

При таком монтаже, для наших скоростей воздушных потоков, реальный расход примерно в K раз меньше паспортного.

Заключение

Современные технические решения в проектировании, должны отличаются применением оптимальных конструкций.

Аналогичная ситуация и в охлаждении РЭА.

Так конструкции с малым тепловыделением могут быть выполнены в низкопрофильных корпусах, и иметь малый уровень шума.

Конструкции с тепловыделением средним и выше могут выполняться в корпусах типа «Десктоп» или низкопрофильных стоечных корпусах. Но при высоких тепловыделениях присущих серверам и высокопроизводительным ПК и рабочим станциям, в низкопрофильных корпусах стоечного типа, приходится применять эффективную систему принудительной вентиляции. В этом случае мы вынуждены мириться с повышенным шумом, снижением надежности. Причем снижение надежности конструкции в большой мере определяется надежностью системы вентиляции. Поскольку практически всегда выход из строя системы вентиляции низкопрофильных корпусов с большим тепловыделением приводит к перегреву элементов конструкции РЭА.

 

Иная ситуация с вертикальными корпусами - для компьютеров это корпуса типа "Tower" ("Башня"). Эти корпуса наиболее приспособлены для систем со средним и большим тепловыделением, даже при естественной вентиляции. Это позволяет иметь низкий уровень шума.

При большом тепловыделении грамотно спроектированный корпус способен обеспечить нормальные температурные условия работы узлов компьютера при приемлемом уровне шума. (Например: изготовлен корпус, который при тепловыделении 500 Вт, имеет уровень шума до 25 дб, перегрев воздуха в корпусе – несколько градусов).

В перспективе для грядущих тепловыделений в районе 1000-1200 Вт только в таких корпусах можно обеспечить нормальные температурные условия работы узлов компьютера при уровне шума до 40 дб.

Справочные данные.

Соотношения величин.

Производительность вентилятора.

	CFM	м3/мин	м3/час	1/сек
CFM	1	0.028	1.7	0.47
м3/мин	35.3	1	60	16.7
м3/час	0.59	0.017	1	0.28
1/сек	0.16	0.06	3.6	1

Давление.

	дюйм H2O	мм H2O	Паскаль
дюйм H2O	1	25.4	249
мм H2O	0.039	1	9.81
Паскаль	0.004	0.1	1

Константы для расчетов вентиляции.

θ, K	λx102 Вт/(м К)	υ 106м2/с	ср, Дж/(кг К)	ρ, кг/м2	α 106, м2|c	t°С
223	2,04	9,2	1013	1,58	12,7	-50
273	2,385	12,8	1006	1,345	18,2	0
293	2,62	15,8	1005	1,193	22,2	20
333	2,9	19	1006	1,06	27,2	60
373	3,21	23,1	1009	0,95	33,6	100

Литература.

1. Батурин В. В. Основы промышленной вентиляции. Профиздат, 1956,

2. Справочник конструктора РЭА, под ред. Р.Г.Варламова, М, Советское радио, 1980 г.

3. Материалы раздела «Охлаждение» сайта http://electrosad.narod.ru/indexCool.htm

 

Пояснения.

Особо обращаю Ваше внимание на величину давления!

Обращаю Ваше внимание на размерность H - кг/м², а не кг/см² (техническая атмосфера).

Есть читатель который думает, что только давление (тепловой напор) определяет эффективность вентиляции, но если Вы внимательно читали то видели формулы 4 и 5 которые наряду с формулой 3 вместе полностью описывают работу системы вентиляции. Для сравнения естественной и принудительной вентиляции ниже приведены их данные в таблице.

Параметр	Естественная вентиляция.	Вентилятор AFB1212VHE  (Принудительная вентиляция)
Потребляемая мощность/мощность естественной тяги Вт	- /1,12 е-4	7,2/ -
Расход (м3/мин) / (м3/сек)	0,24/0,004	3,68/0,061
Номинальное давление (мм H2O)/ (кГ/м2)	0,029/0,029	10,7/0,00107

Как результат сравнения это в 15 раз меньший расход при естественной вентиляции и соответственно во столько же раз большая в случае принудительной вентиляции вывод тепла за пределы корпуса.

Повторюсь еще раз: В данном материале я хотел показать, что грамотно спроектированная система с естественной вентиляцией, по своей способности выводить тепло может превосходить неграмотный "стандартный корпус". А применение в таком корпусе принудительной вентиляции способно обеспечить работу самых тепловыделяющих систем которые только будут появляться.

 

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

| Процессор и его недокументированные свойства | Охлаждение ПК | Статьи | Полезные советы | Ссылки | Электроника для ПК |
| Linux | Список литературы по вопросам освещенным на сайте | Проекты, идеи | Обои |