Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров.

Часть 1.

в разделе "Охлаждение компьютера" на сайте

www.electrosad.ru

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.

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.

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

Рисунок 2.                                               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.

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

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;  

N_ш = N_ш0 + 50lg (N1/N0)

•  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.
• Прирост уровень шума вентилятора N_ш 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. Суммарная расходная характеристика строится исходя из правил:

1.            Давление, развиваемое двумя параллельно включенными вентиляторами с одинаковыми расходными характеристиками равно давлению, развиваемому одним вентилятором, точка  А на рисунке 2.

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.

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:

1.            Суммарное давление, развиваемое двумя последовательно включенными осевыми вентиляторами суммируется по оси давлений, точка А1 рисунок5.

2.            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 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 вентиляторе!

Схема с двумя вытяжными и одним нагнетающим вентилятором.

Рисунок 6

Эта схема 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 параллельна расходной характеристике одного вентилятора и эквивалентна характеристике с вдвое большими значениями давления (точка А1, рисунок 6) и расхода (в точка Б2, рисунок 6).

Относительный прирост расхода составляет: для высокого импеданса 110%, для среднего импеданса  102% и 97% для малого 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.)

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, 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.

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

ВНИМАНИЕ! На одном из форумов прочитал реплику об ошибке в схеме с тремя вентиляторами. На самом деле в схеме никакой ошибки нет. Как уже говорилось выше, для этого случая необходимо выполнять более точное согласование расходов всех вентиляторов. В крайних точках характеристика именно такая как показано на рисунке. Но чем больше включается вентиляторов в схему, тем больше отклонения от принятой прямой описывающей расходную характеристику. Подробно рассмотрен данный случай в статье "Схемы включения вентиляторов для охлаждения системных блоков персональных компьютеров. Часть 2. Особый случай"  Она расположена здесь.

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

Автор: А.Сорокин
Опубликована - 20.09.2005 на www.oszone.net , Здесь последняя редакция от января 2007 г.

Отзыв через гостевую книгу.

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

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.