Часть 4, последняя
Рассмотрим течение воздуха еще в нескольких популярных и характерных моделях кулеров.
Во-первых, это два кулера фирмы Thermaltake — Dragon ORB3 A1132 и А1135.
Во-вторых, кулер фирмы TITAN — TTC-MT1AB.
И, наконец, посмотрим, как обстоят дела с охлаждением в Ноутбуках на примере кулера фирмы LG.
Объединили мы их в одну кучу именно потому, что эти фирмы пошли тремя разными путями в разработке систем охлаждения компьютеров. Кроме того, у каждой из этих моделей имеется довольно много аналогов. Кулеры с прямоугольными радиаторами и выпуском воздуха в две стороны мы уже подробно рассмотрели в наших предыдущих работах (см. здесь, здесь и здесь).
Начнем с кулеров Dragon. Они отличаются только частотой вращения вентилятора. У А1132 она равна 4900 об/мин, а у А1135 — 7000 об/мин.
Кулер имеет массивный цилиндрический радиатор (и как только такая тяжесть удерживается на процессоре). Статор же вентилятора изготовлен из тонкого металлического листа, можно сказать фольги, с прорезями по образующей. В общем, хлипок и подвержен деформациям от любого прикосновения. Поэтому и о равенстве размеров боковых щелей на нем говорить не приходится, даже при извлечении из заводской упаковки. Конечно, если его не ронять и вообще руками не трогать, ничего страшного не произойдет. Нам же пришлось отделить его от радиатора и, насколько возможно вручную, уравнять площади боковых щелей. Поверьте, кулеры были новенькие, но размеры щелей сильно отличались, даже на глаз. Вряд ли, что только нам так не повезло.
Определение скорости воздуха за вентилятором проводилось все тем же прибором DISA 55D80, что и в наших предыдущих работах. Измерения проводились на расстоянии 12 мм от среза статора, что соответствует расстоянию до выступающего центрального сектора радиатора, в двух перпендикулярных центральных сечениях.
Для вентилятора А1132 во втором сечении проводились измерения и при закрытых боковых щелях.
Рис. 1.
Разрыв кривой 1 на рисунке указывает на то, что скорость воздуха превысила значение 2м/с (100% шкалы) и не могла быть измерена на данной аппаратуре. Но нас, в первую очередь, сейчас больше интересует качественная, а не количественная картина течения воздуха за вентилятором.
Из рисунков видно, что эпюры скорости в перпендикулярных сечениях несколько отличаются друг от друга. Это, по-видимому, связано с некоторым различием величины зазоров между ротором и статором вентилятора, а также неодинаковостью площадей боковых прорезей. Уж больно статор хлипок, совсем его не выраняешь.
Особо отметим неравномерность поля скоростей за вентилятором. По сути дела, скорости порядка 1,5 — 2 м/с (напомним, что вся шкала 100% равна 2 м/с) мы имеем только в области шириной 10 — 15 мм. Во всей остальной зоне, как раз и соответствующей размерам цилиндрического оребренного выступа радиатора, скорости воздуха порядка 1 м/с, то есть существенно ниже. Этот факт следует особо подчеркнуть. Конструкция не позволяет максимально использовать возможности вентилятора.
Любопытно, что, закрыв боковые щели на статоре вентилятора, мы получили еще более очевидный провал скорости в центральной зоне. Тут, конечно, можно найти множество объяснений данному явлению. Но прежде необходимо провести гораздо более подробные исследования влияния конфигурации щелей на скорость воздуха за вентилятором. Мы пока ограничимся лишь фактом, что это влияние существует.
Рассмотрим теперь течение воздуха за вентилятором А1135.
Рис. 2.
Тут мы сталкиваемся еще с одним интересным явлением, связанным с расположением крепежных ребер двигателя вентилятора. Здесь они расположены на его входе, а не на выходе. Оказывается, что «след» от ребер просматривается даже на расстоянии 12 мм от среза статора. Так для сечения 1 в левой части графика отсутствует пик скорости. Эта зона как раз и оказалась в тени ребра. Так же и для сечения 2 на расстоянии 45 –65 мм по оси Х имеет место тот же эффект. Третье сечение выбрано аккуратно уже так, чтобы не попасть в тень ни от одного ребра. Здесь картина уже привычная, и максимумы скорости практически совпадают с максимумами для сечений 1 и 2 в свободных зонах.
Для оценки влияния частоты вращения вентилятора на следующем рисунке сравниваются поля скоростей кулеров А1132 и А1135.
Рис. 3.
Здесь самое существенное это то, что зона низких скоростей у вентилятора А1135 заметно сузилась: с 40мм у А1132 до 25мм. Хотя абсолютное значение скоростей воздуха стало немногим выше. Кстати, не следует забывать, что повышение расхода (и скорости) воздуха пропорционально корню квадратному из повышения оборотов. На периферии скорости возросли существеннее. Возможно, что здесь увеличивается и влияние боковых щелей. К сожалению, при наших попытках подробнее изучить это явление на вентиляторе А1132 хлипкость статора сказалась, и лопатку мы потеряли. Поэтому рисковать на А1135 уже не стали, а определение скорости воздуха на выходе из радиатора пришлось проводить на нем.
Измерения проводились по окружности на расстоянии 2мм от среза ребер в сечении, отстоящем на 30 мм от подошвы кулера. Оно соответствует верхней границе центрального выступа радиатора.
Рис. 4.
Да, поле скоростей получилось весьма неравномерным. Причем, это не ошибка эксперимента, измерения повторялись. Причин здесь тоже может быть несколько: неравномерность размеров щелей на статоре, тень от ребер, перекосы радиатора относительно вентилятора при сборке-разборке (хотя на взгляд едва заметные) и, наконец, отрывы течения на границе оребренного выступа радиатора.
Проведены были и измерения скорости воздуха снизу вверх по высоте щелей №1 и №31 радиатора.
Рис. 5.
Видно, что скорости возрастают по мере приближения к блоку вентилятора. Разница скоростей в щелях обусловлена, по-видимому, окружной неравномерностью (см. рис. 4). В щели № 31 обнаружен локальный максимум скорости, а в щели №1 — минимум.
Вообще говоря, при такой мягкой конструкции статора, учитывая ощутимое влияние боковых щелей и крепежных ребер, очень трудно будет добиться повторяемости результатов на разных экземплярах кулеров. Скорости воздуха в радиаторе неравномерны и существенно зависят от геометрических размеров проточной части, что, в конечном счете, не скажется положительно на теплообмене. Конечно, мы провели лишь выборочные измерения, но и из них понятно, что картина течения воздуха в кулере нуждается в оптимизации.
Теперь о кулере TITAN TTC-MT1AB. В этой модели и других аналогичных модификациях конструкторы пошли по пути все большего развития поверхности теплообмена радиатора. Он представляет собой этакий «ежик».
От средней, наиболее массивной части, расходится веер ребер. В кулере используются два вентилятора, один из которых работает на всасывание, а другой на нагнетание. Они крепятся к средней части так, что ребра радиатора окружают их лопаточные аппараты. Причем внешний диаметр ротора равен диаметру средней части радиатора. То есть, условий для течения воздуха вдоль ребер не создано никаких, что и подтверждается экспериментом. Чтобы измерить скорость воздуха в щели между ребрами радиатора вдоль его центральной части, мы сняли предохранительную дужку с датчика и ввели его в канал. Никакого продольного течения воздуха нет, что при одном включенном вентиляторе, что при двух, что без оных. Если быть совсем точным, то в режиме сверхмалых скоростей намерили 5 см/с при двух работающих вентиляторах. Совершенно непонятно, уж коли конструкторы используют осевые вентиляторы, что помешало им сделать диаметр средней части радиатора меньшим, чем диаметр лопаточного аппарата. То есть, создать хоть какой-нибудь осевой канал. Радиальные скорости между ребер вокруг вентилятора невелики, порядка 0,4 м/с. Ну, не хотите иметь радиальный канал, так используйте тогда радиальные вентиляторы, все лучше будет. А так вообще непонятно, зачем тогда иметь один всасывающий вентилятор, а другой нагнетающий. Чтобы цену поднять? В общем, вентиляторы здесь обеспечивают хороший подвод окружающего холодного воздуха к радиатору. Неплохой миксер.
Ну, и напоследок рассмотрим экперементальный образец из LG Innotek R/F Lab в Н.Новгороде для Ноутбука. Здесь, как в авиации, конструкторы строго ограничены по размерам и весу изделия. Обычно в самых жестких условиях и рождаются самые интересные решения.
Схема охлаждения здесь уже совершенно иная, чем мы привыкли видеть. Тепло от процессора отводится за счет теплопроводности горизонтально на некоторое расстояние. Для увеличения теплосъема применяется изогнутый медный стержень.
Здесь установлен радиальный вентилятор для охлаждения платформы кулера и стержня. Последний огибает вентилятор и проходит над всеми выходными ребрами. Понятно, что как раз здесь конструкторы и предполагали обеспечить максимальный теплосъем. Саму конструкцию пока обсуждать не будем, а рассмотрим работу вентилятора. Воздух засасывается сверху и снизу параллельно оси вращения вентилятора. На выходе (как раз над медным стержнем) имеются ребра высотой 9 мм, расположенные под углом порядка 55 градусов к выходному срезу. На расстоянии 2 мм от него была измерена скорость потока в двух сечениях, отстоящих на 3 мм от верха (платформа кулера, где расположен медный стержень) и 3.5 мм от низа (тонкая крышка).
Рис. 6.
Ну что же, достаточно равномерная эпюра скорости в обоих сечениях. Последняя щель существенно шире остальных, отсюда и провал. Достаточно высок и уровень скоростей на выходе, порядка 1,6 — 2 м/с. Есть небольшие нарекания по форме улитки вентилятора в последней четверти канала, но это не очень существенно. Но здесь мы видим как раз обратную предыдущей картину: кулер имеет очень небольшую поверхность теплообмена. Это всего лишь небольшая оребренная полоска на выходе из него. Конечно, тепло отводится и через корпус над ротором вентилятора, но тут условий для интенсивного теплообмена не создано. Кстати, совершенно справедливо медный стержень огибает вентилятор с левой (смотря по ходу течения воздуха на выходе), а не с правой стороны. Здесь скорость воздуха в улитке вентилятора выше. Хорошо разогнанный и равномерный на выходе поток воздуха, пройдя через коротенький оребренный радиатор, просто выбрасывается наружу. Мы думаем, что потенциал его далеко не исчерпан. Несмотря на жесткое ограничение в габаритах, можно, наверное, все же направить поток воздуха вдоль платформы над процессором, создав канал высотой 4-6мм. И тем самым существенно увеличить поверхность интенсивного теплообмена. Канал можно сделать оребренным или использовать турбулизаторы. При этом, естественно, повысится гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта. Но это, в случае использования радиального, а не осевого вентилятора, не так страшно. В данном вентиляторе можно увеличить напор, изменив конфигурацию лопаток, хотя это и потребует некоторого увеличения мощности двигателя.
В общем, любопытный, компактный кулер, с которым мы попробуем еще повозиться.
Почему мы уделили столько внимания вопросам аэродинамики кулеров? А потому, что они неразрывно связаны с процессами теплообмена. Прежде чем вылечить больного, надо поставить диагноз, чтобы знать какой курс лечения рекомендовать. Провалы скорости в центральной зоне за вентиляторами, неполное заполнение потоком воздуха межреберных каналов, неоптимальная геометрия проточной части — это те причины, которые напрямую снижают эффективность работы кулеров. Игнорирование аэродинамических исследований при проектировании систем охлаждения никогда не приведет к положительным результатам.
В дальнейшем, опираясь на полученные данные, мы постараемся продолжить изучение кулеров на тепловом стенде.
