Ликбез по системам охлаждения. Занятие второе: вентиляторы, технические нюансы
В современных технологиях охлаждения компьютеров вентиляторы играют ведущую роль. Будучи главным компонентом систем принудительного воздушного охлаждения, они находят применение в процессорных кулерах, охлаждающих устройствах для жестких дисков и видеокарт, компьютерных корпусах, блоках питания, периферийной технике и т.д. На нашем первом занятии мы уже проработали большую часть основополагающих моментов, относящихся к вентиляторам, разобрались с их фундаментальными параметрами, характеристиками и эксплуатационными свойствами. Сегодня мы вновь обратимся к этим устройствам, более подробно рассмотрим их с инженерно-технической точки зрения и постараемся не упустить из виду все важнейшие технические нюансы.
Строение и особенности функционирования вентиляторов
Современные вентиляторы постоянного тока строятся на одно- или двухфазовых вентильных двигателях. Собственно, сами эти двигатели можно условно разделить на две основные составляющие: схему управления и индукторную машину. Индукторная машина повсеместно представляет собой связку ротор-статор, где ротором является кольцевой постоянный магнит, а статором — четырехполюсный (гораздо реже — шестиполюсный) индуктор.
Что же касается схемы управления, то она реализуется производителями по-разному. Наиболее распространенный вариант основывается на использовании микросхемы-драйвера с интегрированным датчиком Холла (обычно используются микросхемы Analog Technology ATS276/277 или их клоны), которая осуществляет согласованную коммутацию фаз индуктора, позволяя последнему индуцировать вращающееся магнитное поле в пространстве статор-ротор и привести в движение ротор. Наряду с простыми схемами, в некоторых продвинутых вентиляторах могут применяться гораздо более сложные и многофункциональные микросхемы-драйверы, имеющие на борту тахометрический контроль, цепи защиты питающей сети и детектирования стопора крыльчатки (яркий пример — микросхема Sanyo LB1663). Но пока, к сожалению, подобные схемы управления не получили широкого признания среди производителей и являются скорее исключением, чем правилом.
Итак, с электродвигателем разобрались. Посмотрим теперь механическое обустройство вентилятора, а именно — его подшипники. Как уже было отмечено на предыдущем занятии, вал ротора (крыльчатки) может быть закреплен в корпусе вентилятора тремя способами:
- подшипником скольжения
- «комбинированным» подшипником (один подшипник скольжения, другой — качения)
- двумя подшипниками качения
Начнем с подшипника скольжения. В недалеком прошлом этот подшипник пользовался немалой популярностью у производителей благодаря низкой себестоимости и относительно простой технологии «приготовления» вентиляторов на его основе. Действительно, эту конструкцию вряд ли можно назвать сложной: сам подшипник скольжения представляет собой примитивную бронзовую втулку, стальной вал ротора закрепляется в подшипнике с помощью пластикового стопорного кольца, дополнительно к этому втулка закупоривается двумя резиновыми прокладками (сальниками), нахлобученными на вал с каждого ее торца (сальники служат в качестве препятствия вытеканию смазки из зазора вал-подшипник).
На первый взгляд все выглядит вполне пристойно. Но если внимательно присмотреться к подшипнику скольжения, просто нельзя не заметить несколько серьезных недостатков, принижающих его в наших глазах.
Первый недостаток. Так как между внутренней поверхностью подшипника и валом имеется небольшой зазор, в процессе вращения вал крыльчатки «дребезжит» внутри подшипника (иными словами, наблюдаются биения вала). В результате он оказывает сильное абразивное действие на подшипник: в поперечном сечении отверстие подшипника приобретает форму эллипса вместо окружности (наблюдается так называемая эллипсность подшипника). В итоге вал начинает вращаться неустойчиво, весьма значительно повышается уровень шума (в спектре шума вентилятора появляются резкие импульсные всплески — скрипы, стуки и т.п.), а также увеличивается потребление мощности от питающей сети, что сопровождается ощутимым нагревом вентилятора. В случае дисбаланса крыльчатки все это может привести к быстрому разрушению подшипника и выходу вентилятора из строя.
Второй недостаток. Смазка в зазоре вал-подшипник имеет вредную привычку вытекать (несмотря на сальники и прочие предосторожности) из этого самого зазора. Как результат, трущаяся пара вал-подшипник начинает взаимодействовать «насухо», падает скорость вращения крыльчатки и существенно возрастает уровень шума.
Третий недостаток. Для предотвращения эллипсности подшипника и увеличения срока службы вентилятора зазор вал-подшипник стараются сократить. Однако при недостаточной (или некачественной) смазке внутри подшипника старт двигателя затрудняется, что приводит к росту потребления тока и увеличению рассеиваемой мощности (в запущенных случаях — к стопору крыльчатки и выходу вентилятора из строя). В конечном итоге, срок службы вентилятора никак не увеличивается, а наоборот, только сокращается.
Четвертый недостаток. Вентиляторы на подшипниках скольжения не способны надежно функционировать в условиях высокой температуры окружающей среды. Уже при температурах выше 50-60°C срок службы таких вентиляторов резко сокращается, и на практике не превышает 5 тыс. часов.
Все эти недостатки, сдобренные наплевательским отношением к качеству выпускаемых изделий со стороны некоторых «экономных» производителей, ставят под серьезное сомнение целесообразность применения вентиляторов на подшипниках скольжения в системах охлаждения компьютеров, где в первую очередь важна их надежность, а не солидные с виду технические характеристики. Такие вентиляторы, конечно, очень дешевы, чем обычно и привлекают незадачливых покупателей. Но, как известно, скупой платит дважды (а то и большее число раз). Ведь если речь заходит об отказе вентилятора процессорного кулера, то при определенном стечении обстоятельств пользователю придется приобретать не только новый вентилятор, но и новый процессор.
Теперь обратимся к «комбинированной» конструкции — симбиозу подшипника скольжения и подшипника качения.
Нельзя сказать, что такой «комбо-драйв» решает все проблемы, тем не менее, положительные сдвиги тут все-таки есть.
Во-первых, подшипник скольжения в такой конструкции играет лишь вспомогательную роль (выступает в качестве своеобразного шунта). Основная нагрузка ложится здесь уже на плечи шарикового подшипника. И так как трение качения меньше трения скольжения, старт двигателя облегчается, рассеваемая вентилятором мощность уменьшается.
Во-вторых, комбинированная конструкция менее восприимчива к весовому дисбалансу крыльчатки. Биения вала в значительной мере гасятся подшипником качения, и вероятность возникновения эллипсности втулки или ее механического разрушения сведена к минимуму (конечно, это имеет место только при условии соблюдения строгих технических норм на производстве и тщательном контроле качества готовых изделий).
Наконец, в третьих, «комбинированные» вентиляторы могут более или менее нормально функционировать даже в сложных эксплуатационных условиях (при высоких температурах окружающей среды и повышенной влажности воздуха).
Однако по-прежнему остается нерешенной принципиальная проблема утечки масла из зазора между валом и втулкой, которая может обернуться падением оборотов крыльчатки и повышением уровня шума, производимого вентилятором. В последнее время эту неприятность пытаются замять путем использования вязких или даже консистентных смазок. Но в некоторых изделиях это только усугубляет ситуацию: смазка все равно вытесняется из зазора, или, что еще хуже, загустевает с образованием твердых микрочастиц. В самых запущенных случаях вал просто заклинивает, и вентилятор выходит из строя.
Итак, в плане сегодняшнего занятия осталось рассмотрение еще одной конфигурации — вентилятора на двух подшипниках качения.
По правде говоря, такая конструкция тоже не является панацеей от всех бед, но как бы то ни было, вентиляторы на двух подшипниках качения можно смело зачислить в разряд предпочтительных и наиболее оптимальных решений для процессорных кулеров, блоков питания и компьютерных корпусов.
Главнейшее преимущество структуры из двух подшипников качения — это высокая надежность и долговечность вентиляторов на их основе. Два шарикоподшипника гармонично дополняют друг друга, обеспечивают легкий старт двигателя и устойчивое вращение крыльчатки. Потребляемая мощность у таких вентиляторов, как правило, ниже, чем у изделий на комбинированном подшипнике или подшипнике скольжения, что существенно облегчает тепловой режим и повышает надежность их функционирования. Ко всему прочему, вентиляторы на двух подшипниках качения нетребовательны к смазке, проблема утечки масла уничтожена в них как класс.
Второе главное преимущество — вентилятор на двух подшипниках качения представляет собой отлично сбалансированную конструкцию. Спиральная пружина, устанавливаемая на валу между первым подшипником и крыльчаткой, в значительной мере нейтрализует возможный дисбаланс ротора, а остаточные биения вала взаимно компенсируют два подшипника качения. Как результат, вентилятор стабильно функционирует практически в любом положении относительно вектора силы тяжести.
Наконец, третье главное преимущество — вентиляторы на двух подшипниках качения способны надежно и долговременно функционировать в условиях очень высоких температур окружающей среды (вплоть до 70-90°C)
Пожалуй, единственный серьезный недостаток таких вентиляторов — это их высокая стоимость. Но справедливости ради следует отметить, что в технологическом отношении высококачественные миниатюрные подшипники качения являются очень сложными и трудоемкими изделиями (стоимость одного высокоточного подшипника качения может достигать 3-5 долларов и даже выше, в то время как стоимость миниатюрного подшипника скольжения обычно не превышает 10 центов). Поэтому высокие цены, по которым предлагаются качественные вентиляторы — явление вполне объективное и неизбежное. Тут уж ничего не поделаешь. Как ни крути, здоровье компьютерной системы дороже.
Что ж, давайте на этой оптимистичной ноте завершим наши разборки с электромеханическими нюансами вентиляторов, и, собравшись с силами, сделаем последний рывок на сегодня — рассмотрим еще один важный технический нюанс, но уже аэродинамического плана.
Характеристическая кривая (расходная характеристика) вентилятора
На прошлом занятии мы уже рассмотрели одну из важнейших характеристик любого вентилятора — его производительность (так называемый расход). Этот параметр обязательно указывается в технических документах на вентиляторы и позволяет объективно оценить их эффективность. Однако, оперируя этими значениями, многие пользователи зачастую забывают, что указанная производительность на деле имеет место только в предельно идеализированной ситуации, когда вентилятор работает, так сказать, на открытом воздухе, и на пути воздушного потока нет никаких препятствий. В реальных эксплуатационных условиях вентилятор обязательно устанавливается в какой-либо системе, будь то компьютерный корпус, блок питания, радиатор, воздуховод и т.п. Совершенно очевидно, что все перечисленные объекты в значительной мере препятствуют движению воздушного потока, формируемого вентилятором (говоря по-научному, гидравлическое сопротивление рабочей сети вентилятора отлично от нуля). Как результат, реальная производительность вентилятора в конкретных эксплуатационных условиях может быть намного ниже тех значений объемной скорости воздушного потока, что обычно указаны на упаковках вентиляторов, процессорных кулеров и т.п.
Помимо производительности, любой вентилятор обладает еще одним важным аэродинамическим параметром — статическим давлением. Эта величина измеряется в дюймах (или миллиметрах) водяного столба и показывает разность между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором и давлением в окружающей среде (атмосферным давлением).
Существует четкая (однозначная) взаимосвязь между производительностью вентилятора и статическим давлением его воздушного потока. Она экспериментально определяется в лабораторных условиях (в специализированной барокамере) и носит название «характеристическая кривая» (в инженерно-технической практике — «расходная характеристика») вентилятора.
Две крайние точки этой кривой как раз и фигурируют в технических документах, публикуемых производителями. В качестве «статического давления» берется давление воздушного потока при его нулевой объемной скорости (нулевой производительности), т.е. когда вентилятор работает «вхолостую» (потока как такового нет вообще). Такой вариант развития событий наблюдается в том случае, если резистивное действие (гидравлическое сопротивление) тракта настолько велико, что вентилятор просто-напросто не может «протолкнуть» воздух в этот самый тракт. Надо отметить, что подобная ситуация в практике систем охлаждения компьютеров не встречается, но в других областях применения вентиляторов все-таки может иметь место.
Ну, а в качестве «производительности» берется объемная скорость потока при нулевом статическом давлении, т.е. когда вентилятор работает в полную силу и не испытывает никаких затруднений со стороны рабочего тракта (по сути этого тракта нет вообще). На практике такая ситуация принципиально неосуществима и может быть смоделирована только в специализированной барокамере, о которой говорилось выше.
Итак, на сегодня, пожалуй, уже достаточно. На нашем следующем занятии мы продолжим разговор о расходной характеристике вентиляторов и подробно разберем вопросы ее практического применения. Спасибо за внимание и до встречи!
