Продолжим исследование течения воздуха, начатое в предыдущей статье, теперь уже в более-менее современных кулерах. По поводу прошлой статьи звучали нарекания, мол, зачем вообще говорить о старых, уже мало используемых, кулерах. Здесь мы постараемся показать, что это сделано не потому, что они просто оказались под рукой, а для того, чтобы проследить путь развития систем охлаждения и, самое главное, попытаться ответить на вопрос: "А правильной ли дорогой идете, товарищи". По большому счету, на тему "кулер какой фирмы чуть лучше или чуть хуже" написано немало статей, и частенько суждение зависит от предвзятости авторов и их взаимоотношений с фирмами-производителями. Суть процессов, происходящих в кулерах, и параметры охладителя вообще мало где описаны. Понятно, что конечному пользователю все это до фени, но разработчикам и исследователям кулеров в этом разбираться необходимо, чтобы не делать необоснованных выводов и не пудрить народу мозги, что какая-то данная модель является самой лучшей.
Перед тем, как перейти к результатам, сделаем несколько необходимых пояснений по поводу измерений скоростей воздуха термоанемометром DISA 55D80.
Хорошо известно, что измерение малых расходов — чрезвычайно трудоемкое и сложное дело. В первую очередь это относится к тарировке собственно датчиков. Классические манометры и трубки Пито-Прандтля не могут быть использованы из-за очень малых перепадов давления (существенно меньше 1 мм водяного столба). Специальной литературы по этому поводу вполне достаточно, и чтобы подробно описать все типы и виды экспериментальных установок для определения малых расходов и скоростей воздуха, не хватит и целой отдельной статьи.
Для тарировки данных датчиков изготовителем использовался наиболее точный весовой метод. Скорость воздуха в трубопроводе, где размещался датчик, определялась по весу воды, вытекающей из определенной емкости. Точность такого рода тарировок составляет порядка 1%. Цена шкалы нашего прибора 2%. Сам прибор имеет специальную внутреннюю калибровку, используемую для установки нуля перед началом измерений, а в случае длительной работы — и в процессе.
Некоторым недостатком нашего датчика является сравнительно большой диаметр его державки (6 мм), а также и ее длина (24 мм) до перехода на диаметр 20 мм.
Фото державки.
В принципе, это можно устранить, отказавшись от блока измерения скоростей меньше 30 см/с, и подключиться непосредственно к прибору. Но пока мы проводили измерения штатным прибором.
В первую очередь мы выбрали три кулера с прямоугольными радиаторами, которые представлены разными фирмами, но имеют одинаковую схему охлаждения и близкие по геометрическим размерам вентиляторы и радиаторы.
Это — 1) кулер INTEL A27760 с размерами радиатора 66х65х26мм, 18 ребер 2)Cooler Master DP — 6131c, 60х80х40мм, 18 ребер и 3)Thermaltake VOLCANO 6Cu, 61х80х40мм, 20 ребер.
У всех вентиляторов диаметр проточной части равен 57мм. Конструкция их лопаточного аппарата заметно отличается как по числу, так и по профилю лопаток. Вентилятор INTEL имеет два характерных отличия от других: он вращается против часовой стрелки и неподвижные крепежные ребра расположены на входе, а не на выходе вентилятора, что предпочтительнее. Кроме того, между его корпусом и радиатором существует зазор 4 мм.
Измерение поля скоростей воздуха за вентиляторами производилось на расстоянии, равном высоте ребра каждого вентилятора соответственно. Для INTEL оно составило 26 мм, для двух других — 32 мм. Применялись насадки, аналогичные используемым в прошлой статье. Из-за вышеуказанной конструкции державки датчика, измерения проводились на расстоянии 10 мм от среза насадки во всех трех случаях. Эпюры скоростей воздуха за вентиляторами изображены на рис. 1.
Рис.1
Из рисунка видно, что вентилятор INTEL создает меньшие скорости воздуха, чем два других, и имеет заметный провал в середине, причем этот провал заметен и в перпендикулярном измеренному сечении (рис. 2)
Рис. 2
Вентилятор VOLCANO имеет наиболее протяженный участок низких скоростей в центральной зоне. Это и неудивительно, поскольку диаметр его центральной части 36 мм, против 28 мм у C.Master. Естественно, это только ухудшит теплообмен в центральной, наиболее нагретой зоне.
В нашем распоряжении имелся еще один Cooler Master с точно таким же радиатором, но несколько иным вентилятором (тип А на рис.3). Он имел 11 лопаток против 9 и высоту (толщину) 10мм против 14 у первого. На рис.3 приведены скорости за ними в двух перпендикулярных сечениях.
Рис. 3
Более толстый вентилятор оказался и более мощным. Но все эти отличия невелики, и суть не в этом.
На рис. 4 изображены скорости воздуха за нашими тремя вентиляторами, а также и за двумя маленькими (№2 и №3) из прошлой статьи. Нулевая точка здесь соответствует оси вращения вентилятора.
Рис. 4
Расстояние 5 мм за маленькими вентиляторами соответствует расстоянию до основания ребра радиатора. Если его увеличить до 20 мм (последняя кривая на графике), то скорость в средней, наиболее нагретой зоне радиатора уже немногим ниже, чем у больших вентиляторов.
Да, конечно, расход воздуха в вентиляторах у современных кулеров существенно больше, на скорость за ними сильно не возросла. Сказывается простое увеличение площади проточной части. А существенный провал скорости воздуха как был, так и остался. То есть, по сути дела, с точки зрения аэродинамики, новые вентиляторы имеют точно те же проблемы, что и старые. Абсолютные значения скорости также невелики, и какого-то существенного повышения коэффициента теплоотдачи ждать не приходится.
Перейдем теперь к определению скорости воздуха за радиаторами кулеров.
Измерив скорость воздуха в среднем сечении (12 мм от основания) радиатора кулера INTEL на расстоянии 6,5 мм за ним, мы получили малопонятную кривую (первая кривая на рис. 5). Повторили измерения, максимально приблизив датчик (3 мм) к радиатору. В силу вышеупомянутой конструкции державки датчика, измерения были проведены в сечении на расстоянии 6мм от основания ребра (рис. 5)
Рис. 5
Напомним, что проволочка датчика устанавливалась за каждым ребром и посередине между ними. В крайних широких каналах проводилось по три измерения.
Если во втором сечении все ясно, то в первом наблюдается малопонятная картина. Ошибка здесь исключена — эксперименты повторялись.
Чтобы попытаться объяснить происходящие, были проведены измерения скорости воздуха по высоте щелей радиатора. Результаты представлены на рис. 6.
Рис. 6
Нумерация щелей — справа налево, глядя по ходу движения воздуха. Измерения проводились на расстоянии 4, 5 мм, чтобы захватить как можно больше щелей, хотя до центральных достать при этой конструкции датчика не удалось. Да, в общем, и так ясно, что струя воздуха в начальных щелях (с №2 по№7) занимает лишь часть сечения канала. Скорость в верхней части (у вентилятора) здесь вообще равна нулю. Измерения в режиме малых скоростей показали даже наличие обратного тока (порядка 10см/с) в самой верхней части этих каналов.
Таким образом, получается, что значительная поверхность ребер вообще слабо участвует в теплообмене. И возникает вопрос, а зачем вообще делать такие высокие ребра, тратить лишний металл. Но самое интересное, что то же самое происходит и в двух других радиаторах.
Рис. 7
Рис.8
Картина аналогичная. Струя занимает еще меньшее сечение. В радиаторе VOLCANO вообще в половине межреберного сечения скорость воздуха равна нулю. В этих радиаторах и ребра в полтора раза выше, чем у INTEL. Только вот зачем? Явно прослеживается и влияние направления вращения вентилятора. Здесь струя занимает часть сечения уже в последних, а не в первых щелях. Направление вращения, напомним, у двух последних — по часовой стрелке, а у первого — против.
Ну, так в чем же прогресс новых кулеров по сравнению со старыми с точки зрения аэродинамики? Проблема провала скорости в центральной зоне за вентилятором как была, так и осталась нерешенной. Похоже, что на это никто и не обращал внимание. Хотя, проведя даже поверхностный патентный поиск, мы сразу наткнулись на изобретение Миронова А.В. и Вапничного В. И. От 27.03.98 под названием "Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов" №98105960/09. В нем для повышения эффективности охлаждения совершенно справедливо предлагают отодвигать вентилятор от радиатора на некое расстояние, которое зависит от диаметра крыльчатки вентилятора. Причем площадь данного переходника уменьшается по направлению потока. Кроме того, площадь поперечного сечения внутренних каналов радиатора и проходного сечения вентилятора связывается определенным соотношением. Но, как мы видим, фирмами — изготовителями это во внимание не принимается, хотелось бы, конечно, знать — почему. Увеличение мощности и размеров вентилятора, естественно, приводит к значительному увеличению расхода воздуха, но скорость воздуха при этом растет не столь заметно, в силу значительного увеличения площади проточной части вентилятора. Так что, коэффициент теплоотдачи вряд ли существенно увеличится. К тому же, существенно увеличился вес и габариты кулера, а площадь теплоотдающей поверхности от кристалла не изменилась. Существенный провал скорости воздуха как раз напротив этой поверхности как был, так и остался. Попытки сдвинуть вентилятор относительно центра радиатора, являются типичным самообманом. В целом никакого принципиального улучшения в системе теплообмена не будет.
То же, что происходит в щелях радиатора, вообще, честно говоря, весьма неожиданно. С какой целью были спроектированы такие высокие ребра, непонятно. Здесь есть над чем подумать и, быть может, попытаться оптимизировать проточную часть кулера. Странно, что у трех разных фирм картина течения, по сути дела, одна и та же, как будто проектировал кто-то один. Понятно, что все фирмы пошли по пути увеличения площади теплоотдающей поверхности (радиатора), чтобы как можно больше размазать тепловой поток от кристалла, но все-таки, о возможностях и особенностях принудительного охлаждения забывать не стоит. Увеличивать теплообменную поверхность до бесконечности невозможно, исходя хотя бы из ограничения геометрических размеров и веса кулера.
Мы рассмотрели здесь кулеры с одинаковой классической схемой течения воздуха в радиаторе: поток воздуха подводится перпендикулярно оребренной пластине и отводится вдоль нее. Конечно, самая известная и хорошо изученная схема — это продольное течение воздуха вдоль пластины. Но в современных кулерах нам ее встречать не приходилось, что объясняется, по-видимому, традицией использования осевых, а не центробежных вентиляторов. Хотя известно, что существенный напор на первых получить трудно. В современных кулерах сейчас существуют и другие схемы охлаждения радиатора. Некоторые, наиболее распространенные, мы рассмотрим в дальнейшем.
Необходимо добавить, что нами предоставлены чисто экспериментальные данные об аэродинамических процессах в некоторых наиболее распространенных типах кулеров. Они, естественно, могут быть интересны специалистам и проектировщикам, так как выполнены на довольно редко встречающейся в нашей стране аппаратуре. Простых пользователей совершенно справедливо больше всего волнует вопрос, почему их кулер не справляется с охлаждением узлов компьютера и где взять лучший. Но, чтобы довести до ума любую систему, надо четко представлять, какие процессы в ней происходят. Мы уже говорили, что при проектировании систем охлаждения проблемы аэро(гидро)динамики и тепловых процессов являются неразрывной частью исследований. Та небольшая часть теории теплообмена, что была приведена, является лишь элементарной базой. Совершенно ясно, что кроме повышения скоростей охлаждающего воздуха существуют и другие, в частности, технологические способы повышения уровня интенсивности охлаждения, как-то профилированное оребрение, применение турболизаторов (иглы, штырьки и т. п.), луночные поверхности и еще многое другое. Но, тем не менее, скоростные характеристики потока охлаждающего воздуха как по абсолютной величине, так и по конфигурации эпюры скоростей, являются одними из основных. Нельзя забывать и о гидравлическом сопротивлении радиаторов. Осевые вентиляторы обычно имеют небольшой напор и просто неспособны прокачивать необходимое количество воздуха, особенно при загрязнении каналов радиатора.
В общем, проблема охлаждения узлов компьютеров — не такая простая проблема, как кажется. И чем дальше, тем больше проблем будет возникать, и поэтому их подробное исследование неизбежно.
