Комплексный подход к решению проблемы охлаждения компьютерных систем

Проблема охлаждения компьютерных систем, как и любая другая серьезная проблема, требует соответствующего своей серьезности отношения. Однако, зачастую мы относимся к ней не настолько серьезно, насколько требовалось бы. А именно - пытаемся найти эффективные решения для охлаждения микропроцессоров, видеоадаптеров и т.п. в отрыве от решения проблемы охлаждения компьютерной системы вцелом. Что и приводит в некоторых случаях к весьма неприятным результатам. Для избежания таких результатов подойдем комплексно к решению этой проблемы.

Общие положения

Наша основная задача - обеспечить эффективный отвод тепла из нашей компьютерной системы. На сегодня существует один единственный путь решения такой задачи - использовать технологию принудительной вентиляции компьютерного корпуса. Именно эта технология реализована в современных компьютерных корпусах, однако далеко не всегда эффективно. Как оценить достаточность системы охлаждения в корпусе и как повысить ее эффективность мы и рассмотрим.

Постановка задачи

Имеем следующие исходные данные:
T_a - окружающая температура;
T_c - температура внутри корпуса;
T_о = T_c - T_a - допустимое превышение температуры;
W - мощность, рассеиваемая установленными в корпусе устройствами.

Нам нужно:

а) выяснить значение воздушного потока, выраженное в CFM, необходимого для теплоотвода заданной мощности W при условии превышения температуры окружающей среды на T_o максимум;

б) на основании найденного значения CFM подобрать соответствующие вентиляторы;

в) разобраться с оптимальным расположением вентиляторов в корпусе, а также обратить внимание на некоторые другие важные аспекты, которые будут тоже детально рассмотрены.

Поток воздуха в идеализированных условиях

Существует простая формула, которая позволяет рассчитать поток воздуха, требуемый для рассеяния мощности W:

CFM = 1,76*W /T_o

Мощность W можно оценить просуммировав значения мощности, рассеиваемой каждым устройством в корпусе. Иногда это сделать не удается, поскольку не для всех устройств может быть известно значение рассеиваемой мощности. В этом случае полагают, что суммарная рассеиваемая мощность составляет 60-80% мощности БП корпуса.
Например, имеем систему с большим количеством устройств и плат расширения. Мощность блока питания 300 W. Полагаем, что система рассеивает 80% мощности БП, то есть 240 W. Желаем чтобы температура внутри корпуса была выше окружающей температуры максимум на 10°. Тогда требуемое значение потока составит примерно 43 CFM.

Системный импеданс

"Внутренности" компьютерного корпуса всегда являются препятствиями на пути движения воздушного потока. В результате давление воздушного потока, формируемого вентилятором падает. Для оценки того, насколько корпус противодействует прохождению потока воздуха вводится специальная характеристика - статическое давление P. Эта характеристика носит еще одно название - системный импеданс (измеряется обычно в дюймах водяного столба).
Системный импеданс показывает, насколько увеличивается падение давления потока воздуха в зависимости от скорости этого потока.
В аналитическом виде импеданс записывается следующим образом:

P = K*Qⁿ, где

K - системная константа;
Q - скорость воздушного потока (в CFM);
n - турбулентный фактор, 1n2 (при ламинарном течении n=1,
при турбулентном n=2).

Типичная кривая импеданса изображена на рисунке 1.

Точно определить системный импеданс для конкретного корпуса возможно только в лабораторных условиях.
Однако, на практике полагают, что значения системной константы лежат в пределах от 0.0025 (для для слабо "упакованных" систем) до 0.03 (для для серьезно "упакованных" систем).

Рабочая точка

Для того, чтобы определить реальное значение потока воздуха, формируемого конкретным вентилятором в конкретном корпусе нужно совместить график импеданса и характеристическую кривую вентилятора.

Рабочая точка позволяет нам определить реальный поток воздуха для конкретного корпуса.
Рассмотрим нижеприведенный рисунок.

Предположим, что рассчитанное значение требуемого потока воздуха для отвода мощности, рассеиваемой в корпусе оказалось равным 18 CFM. Рассмотрев пересечение кривой импеданса и характеристической кривой 2, видим что, в этом случае поток недостаточен (всего 15 CFM). А вот характеристическая кривая 1 удовлетворяет нашим условиям.

Как устанавливать вентиляторы

Вентилятор может работать на нагнетание - закачивать воздух в корпус, или же работать на выдув - выкачивать воздух из корпуса. В последнем случае течение воздуха внутри корпуса ламинарное. Это позволяет равномерно отводить теплоту, выделяемую устройствами и предотвращает появление "горячих точек". В первом же случае течение турбулентное. Заметим, что перенос тепла в турбулентном потоке может быть практически в два раза больше, чем в ламинарном. Однако, область турбулентного потока весьма ограничена. Еще одно преимущество нагнетательного вентилятора - увеличение давления внутри корпуса. В результате, затрудняется проникновение пыли внутрь корпуса.
При установке вентилятора в качестве выкачивающего воздух из корпуса сокращается срок его службы. Причиной этому является негативное действие горячего воздуха на подшипники вентилятора.

Шум

Работающий вентилятор всегда является источником шума. Есть три основных причины генерации шума:

1. Аэродинамический шум. Источник такого шума - вращение лопастей крыльчатки вентилятора. Уровень такого шума завистит от формы лопастей и скорости вращения.

2. Механический шум. Источник - некачественный подшипник вентилятора. Если в корпусе имеются источники шума с близкими частотами, может наступить резонанс - резкое увеличение общего уровня шума до неприемлемых или даже деструктивных значений.

3. Шум вентиляторного двигателя. В нашем случае уровень этого шума несущественнный.

Что мы можем сделать для понижения уровня шума? Достаточно много:

1. По возможности уменьшать системный импеданс. Этого можно достичь используя большие корпуса (типа Big Tower).

2. Использовать вентиляторы большего размера и с меньшей скоростью врашения.

3. Использовать внутри корпуса звукоизолирующие материалы.

4. Использовать внутри корпуса материалы, снижающие вибрацию.

Параллельное и последовательное включение вентиляторов

Иногда бывает недостаточно потока воздуха, формируемого одним вентилятором. Тогда решением может стать использование нескольких вентиляторов. Их можно расположить параллельно или последовательно. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Прежде всего, обшим недостатком является то, что при использовании нескольких вентиляторов повышается уровень шума. Кроме этого повышается значение мощности, рассеиваемой самими вентиляторами. Ну и, конечно, увеличивается стоимость системы охлаждения.

Рассмотрим теперь каждую схему подробнее.

Параллельное включение

Параллельное включение - установка вентиляторов рядом друг с другом. В идеализированных условиях (открытый воздух) такое включение увеличивает поток воздуха вдвое. Однако, на практике имеем другую картину, особенно в случае высокого системного импеданса.

На графике видно, что величина воздушного потока существенно увеличивается только в случае низкого импеданса системы. В случае же высокого импеданса приращения воздушного потока практически нет. Неэффективность применения такой схемы включения в системах с высоким импедансом очевидна.
На рисунке приведены идеализированные графики - случай 2 совершенно одинаковых вентиляторов. Естественно, в природе такого не случается. Если имеется разница в скоростях вращения крыльчатки вентиляторов, неминуемо появятся нежелательные циркуляции воздуха и общая картина будет изменяться в сторону уменьшения величины потока воздуха.

Последовательное включение

Последовательное включение - установка вентиляторов друг на друга. В идеализированных условиях (открытый воздух) такое включение увеличивает давление потока воздуха вдвое. Как и в предыдущем случае, на практике имеем другую картину.

Из графиков видно, что применение этой схемы оправдано только в системах с высоким импедансом. В системах с низким ипедансом мы не получаем выигрыша ни в давлении, ни в потоке воздуха.
Опять же, как и в предыдущем случае, приведен идеализированный вариант. На практике приращение давления несколько меньше.

Замечания и дополнения

К сожалению, далеко не все компьютерные корпуса характеризуются продуманной системой охлаждения. Да что говорить, если даже начальные спецификации ATX, разработанные при участии всем известной корпорации, мягко скажем, не согласовались с обеспечением условий оптимального охлаждения. Поэтому нам самим необходимо заботиться о себе, прежде всего - оценивая эффективность охлаждения в том или ином корпусе, а если необходимо - внося свои изменения и дополнения.

В современных корпусах появилась возможность установки дополнительных вентиляторов - один в передней стенке корпуса, другой - в задней. Такое расположение является приближенным аналогом последовательного включения вентиляторов. Как мы увидели выше, такое включение не всегда бывает эффективным.
В реальных условиях по своей эффективности наилучшим оказывается следующий вариант:
установка двух параллельных вентиляторов в передней стенке и двух - в задней. Такая схема включения реализована в корпусах Chieftec для рабочих станций. Сейчас готовится обзор по этим корпусам, так что детали позже.

Еще один момент. Настоятельно рекомендую использовать качественные вентиляторы признанных фирм. Для таких вентиляторов легко можно найти и описания, и характеристические кривые. А покупая изделия неизвесного происхождения, мы покупаем себе одни лишь неприятности.

Виталий Криницин
Последнее обновление
27 июня 2000 года

Вопросы, дополнения, конструктивная критика? Пишите!

(с)1998-2001 Термоскоп
Produced by vit@ixbt.com