Конструируем систему охлаждения компьютера

Эта работа была прислана на наш «бессрочный» конкурс статей.

От правильного выбора корпусных вентиляторов зависит не только эффективность охлаждения внутренностей корпуса, но и (что часто даже более важно) уровень шума. Особенно большой простор для творчества при самостоятельной врезке вентилятора в корпус или их установке в навороченных корпусах, в которых есть место под 5-6 вентиляторов. Общий принцип их установки достаточно прост (см. мою статью «Вентиляция корпусов — мифы и реальность»). Если есть несколько вентиляторов и нужно с их помощью получить максимальный воздухообмен, они все должны работать в одну сторону (для корпусов типа тауэр, как правило, на выдув), при этом должен быть обеспечен свободный доступ наружного воздуха в корпус (то есть достаточная площадь вентиляционных отверстий, соизмеримая с эффективной площадью вентиляторов). В этой статье я сначала попытаюсь дать краткий FAQ по вентиляторам, затем более подробно опишу методику выбора «с цифрами в руках».

Какие бывают вентиляторы

В корпусах используются вентиляторы диаметром 80, 92 и 120 мм. Каждый размер имеет несколько модификаций по мощности (и, соответственно, по производительности). Для примера дан ассортимент вентиляторов Evercool.

Мы видим, что для каждого размера есть три модификации (в порядке увеличения оборотов и мощности) — L, M, H. Наиболее распространенной является серия M — она обеспечивает наилучшее соотношение между производительностью и шумом. Нетрудно догадаться, что первые две-три цифры обозначают диаметр, а следующие две высоту. Кстати, диаметр измеряется как размер стороны «квадрата», реальный диаметр крыльчатки на 5-10 мм меньше.

Выбрав нужный вентилятор из таблицы, перед походом в магазин выпишите потребляемый им ток (или мощность), потому что на ценнике продавцы обычно указывают лишь диаметр, ничего не говоря о производительности. А ток или мощность всегда написаны на наклейке вентилятора, поэтому ошибиться будет трудно (особенно если придется покупать вентилятор другой фирмы, у которой своя система обозначений и своя линейка вентиляторов).

Основной характеристикой вентилятора является производительность (расход воздуха) Q, измеряемая в CFM (кубических футах в минуту). Сведения о ней обычно есть на сайте производителя, а иногда и на самом вентиляторе. Однако это максимальная производительность в режиме «настольного вентилятора», при установке в корпус она упадет. Также вентилятор характеризуется создаваемым напором (давлением), скоростью воздушного потока, шумом, потребляемой мощностью, особенностями конструкции и некоторыми другими менее значимыми деталями. Из этих характеристик обычно указывают шум (правда, в каких-то «китайских децибелах», при реальных измерениях он обычно оказывается намного больше), иногда указывают напор, а скорость потока легко вычислить, разделив производительность на эффективную площадь.

Краткий FAQ для тех, кому лень дочитать статью до конца

Тут я дам тезисы и рекомендации общего характера. Некоторые следуют из анализа таблицы характеристик, обоснование остальным будет в конце статьи.

1. Чем больше напор вентилятора, тем меньше падает его производительность при установке в корпус.
2. Максимальная производительность и напор прямо пропорциональны оборотам.
3. Обороты прямо пропорциональны напряжению.
4. При одинаковой максимальной производительности — напор, скорость потока и мощность будут меньше, а КПД больше:
   • у вентилятора большего диаметра по сравнению с более быстроходным меньшего диаметра;
   • у нескольких параллельно включенных вентиляторов на пониженных оборотах по сравнению с одним таким же на повышенных;
   • у одного вентилятора большого диаметра по сравнению с несколькими параллельно включенными меньшего диаметра;
   • у осевого вентилятора по сравнению с центробежным (бловером).
5. При равной максимальной производительности:
   • вентилятор большего диаметра заметно тише, чем быстроходный вентилятор меньшего диаметра;
   • два параллельно включенных вентилятора на пониженных оборотах намного тише, чем один такой же на повышенных оборотах;
   • два параллельно включенных вентилятора могут быть как тише, так и громче, чем один большего диаметра.

Расчет вентиляции корпуса

Сначала рассчитываем необходимый объем воздуха, который нужно прокачать через корпус. Исходной формулой служит уравнение теплового баланса при условии, что теплопередачей через стенки пренебрегаем:

N=Q*C*P*(Tвнутр-Tнар) , где

N -мощность системы (если вентилятор БП работает на вдув, сюда надо прибавить порядка 50Вт тепловыделения в нем); Q — расход; C — теплоемкость воздуха; P — плотность воздуха; T — температура (внутренняя и наружная соответственно).

Отсюда после подстановки значений С, P и перевода Q из кубометров в секунду в CFM получаем формулу для практического использования:

Q=1,8N/(Твнутр-Тнар)

Эта формула приближенная, поскольку теплоемкость и плотность воздуха зависят от давления и температуры, а они нам точно неизвестны.

Мощность системы получают либо суммированием мощности компонентов, либо просто оценкой. Для средней современной системы эта мощность будет 150-200 Вт, для «навороченной» и разогнанной — порядка 250 Вт. Основной «печкой» является процессор, данные по его мощности можно найти на сайтах производителей или в многочисленных обзорных статьях. При разгоне с поднятием напряжения считаем, что мощность пропорциональна квадрату напряжения (например, при увеличении напряжения с 1,6 до 1,75В мощность увеличится на 20% при той же частоте).

Надо иметь в виду, что в формулу входит «средняя температура по больнице», то есть температура при условии идеального перемешивания воздуха по всему объему. На самом деле такого не бывает, в зависимости от направления потоков и тепловыделения конкретных устройств где-то температура будет выше, а где-то ниже средней. Причем локальное повышение температуры будет как раз вблизи самых горячих элементов, ради которых мы, собственно, эту вентиляцию и затеяли. Поэтому весьма эффективно применение воздуховодов, соединяющих вход кулера (например, процессорного) непосредственно с внешней средой либо его выход с вытяжным вентилятором. В первом случае температура процессора не будет зависеть от температуры в корпусе, во втором температура в корпусе не будет зависеть от тепловыделения процессора.

Рабочая характеристика вентилятора

Рабочая (расходная, напорная) характеристика вентилятора — это зависимость расхода от напора. Чем больше напор (противодавление в корпусе или местные потери, например в воздуховоде), тем меньше будет расход. Много таких характеристик есть, например, на сайте www.evercool.com (поэтому я и взял для примера вентиляторы именно этой фирмы). Подобную характеристику можно построить и для корпуса, только там все наоборот — чем больше давление, тем больше будет расход через вентиляционные отверстия. Наложив одну характеристику на другую, в точке их пересечения получаем рабочую точку вентилятора, показывающую реальный расход при установке вентилятора в данный корпус.

На этом рисунке представлены характеристики 120-мм вентиляторов, также для сравнения дана характеристика самого мощного из 92-мм вентиляторов (кстати, по шуму он примерно равен самому слабому из 120-мм агрегатов). Зеленым цветом показаны расчетные характеристики корпусов: светлая — характеристика «среднего» корпуса без переделок (но с заглушенным отверстием под дополнительный вентилятор на задней стенке, если он там не установлен), темная — характеристика этого корпуса с увеличенной вдвое площадью вентиляционных отверстий (как этого добиться, см. статью «Вентиляция корпусов — мифы и реальность»).

Допустим, корпус охлаждается только одним вентилятором БП, и нужно выбрать, какой вентилятор для этого лучше подходит (это вполне жизненная задача для владельцев десктопов и тауэров с боковым расположением БП). Мы видим, что максимальная производительность у 120-мм вентиляторов высокая, но она быстро падает с ростом напора, и в определенный момент вперед вырывается 92-мм вентилятор. В стандартном корпусе он лишь чуть-чуть уступает самому мощному из 120-мм (точки 1 и 2), заметно опережая два других (точки 3,4). По сравнению с равношумным 12025L 92-мм вентилятор обеспечивает на четверть большую производительность (27 CFM против 22 CFM), а по сравнению с близким по производительности 12025H «малыш» на 4 дБА (в полтора раза) тише. Очевидно, что в данном случае 92-мм вентилятор выглядит предпочтительнее, чем любой из 120-мм.

Теперь откроем слоты или увеличим площадь вентиляционных отверстий каким-нибудь другим способом (характеристикой корпуса станет темно-зеленая кривая). Видно, что эта мера для самого слабого 120-мм вентилятора эффективнее (точки 3->5), чем его замена на самый сильный без изменений корпуса (точки 3->2). Несмотря на заметную прибавку (около 60%), производительность 120-мм вентиляторов все равно остается вдвое меньше максимальной, в то время как у их 92-мм коллеги она почти достигла пика (замечу, что и в этом случае он остается производительнее «младших» 120-мм). Теперь уже реально обеспечить расход в 40-45 CFM, чего вполне достаточно для хорошего охлаждения умеренно разогнанной системы. Таким образом, и в этом случае 92-мм «карлсон» остается оптимальным выбором по соотношению производительность/шум, не говоря уже о цене. Использование 120-мм вентилятора оправдано только в том случае, если еще больше увеличить площадь вентиляционных отверстий (например, открыванием свободного 5-дюймового отсека, пунктирная линия на графике).

Параллельное и последовательное включение вентиляторов

При параллельном включении вентиляторов (то есть когда они все работают в одну сторону) их расходы складываются. При последовательном включении (когда один работает на вдув, другой на выдув или они установлены друг за другом, например в некоторых БП) складываются их напоры. Для иллюстрации на рис.3 показаны характеристики вентилятора 9225M (красная линия), двух таких же вентиляторов при последовательном (синяя линия) и параллельном (коричневая линия) включении.

Сформулируем еще одну типовую задачу. Есть стандартный корпус с двумя отверстиями под дополнительные вентиляторы: одно на задней стенке (на выдув), второе на передней (на вдув). В БП установлен вентилятор 9225М, необходимо установкой еще одного такого же обеспечить наибольшее снижение температуры в корпусе.

Сначала найдем расход в исходном корпусе, он равен 24 CFM (точка 1). Добавление переднего (точка 5) вентилятора прибавляет 5 CFM, а заднего (точка 4) 4 CFM. То есть передний вентилятор (редкий случай!) оказывается даже эффективнее заднего, но абсолютная прибавка все равно мизерна. Кстати, если передний вентилятор закрыт развитой декоративной решеткой (что скорее правило, чем исключение), из-за потерь напора в ней он скорее всего уступит заднему.

Теперь откроем слоты в корпусе. Без дополнительного вентилятора прибавка будет 11 CFM (это вдвое больше, чем при установке второго вентилятора в исходный корпус, точка 2), установка переднего вентилятора практически ничего не дает (точка 3), а установка заднего (точка 6) прибавит 22 CFM к исходному. Последний вариант дает самую большую прибавку, фактически удваивая исходный расход. Такая конфигурация оказывается чуть эффективнее и тише на 3 дБА, чем установка самого мощного 120-мм вентилятора «в гордом одиночестве». Возможности для дальнейшего улучшения вентиляции надо искать, как и в первом примере, на пути увеличения площади вентиляционных отверстий.

В заключение посмотрим, что дает любимое развлечение «самоделкиных» — врезка 120-мм вентилятора на вдув в боковую стенку. С точки зрения вентиляции это мероприятие имеет два последствия. Во-первых, добавляется новый последовательно включенный вентилятор, его характеристика (в сумме с имеющейся парой 9225М на выдув) показана на рис.3 коричневой штриховой линией. Во-вторых, в корпусе появляется новая дыра изрядного размера, и теперь корпус уже описывается на том же рисунке штриховой зеленой линией. На их пересечении (точка 10) находим расход- 75 CFM. Подставив это значение в формулу, получим падение температуры — 4-5 градусов. А если этот вентилятор выключить? Тогда мы перемещаемся в точку 9, расход падает на 10%, а температура в корпусе вырастет (о ужас!) аж на полградуса. Иными словами, эффект от дыры тут намного больше, чем от стоящего в ней вентилятора. Правда, вентилятор обычно дует на процессор, снабжая его свежим воздухом, поэтому повышение температуры процессора при выключении вентилятора будет более заметным. Однако для этой цели вполне хватит и самого слабого из 120-мм вентиляторов (особенно если снабдить его хотя бы коротким воздуховодом), свои уши тоже надо поберечь.

Владимир Куваев aka kv1