Konzeptphase – Kühlung und Luftstrom Teil 1

In dieser Ausgabe des Open-Source-Laptop-Projekts werden wir uns das Kühlsystem genauer ansehen. Zuerst konzentrieren wir uns auf den Luftstrom im Inneren des Geräts und finden heraus, was wir berücksichtigen müssen, um die Anforderungen zu erfüllen, die im vorherigen Artikel definiert wurden.

Während der Konzeptphase haben wir uns die Schlüsseltechnischen Anforderungen angesehen, die in der Endeinheit umgesetzt werden sollten. Eine dieser Anforderungen war, dass keine Luft an der Unterseite des Geräts angesaugt werden darf. Viele, wenn nicht die meisten, Laptops auf dem Markt tun genau das – und das aus gutem Grund. Bevor wir in das CAD-Modell eintauchen und mit unserer eigenen Konstruktion beginnen, werfen wir einen Blick auf den Status quo und sehen, was wir von dem bewährten Ansatz lernen können.

Ein Blick auf das Dell XPS 9500

Um zu zeigen, wie eine Kühllösung in einem modernen Laptop implementiert wird, werden wir uns das Dell XPS 9500 ansehen. Dies ist ein 15-Zoll-Gerät mit einem i7-10750 Prozessor und einer NVIDIA GTX 1650 Ti GPU, die unter Volllast mehr als 100 Watt verbrauchen kann. Die Kühllösung wird daher viel größer sein als die eines 13-Zoll-Geräts, aber das Betriebsprinzip bleibt dasselbe.

An der Unterseite des Geräts sehen wir eine große Anzahl von Lufteinlassschlitzen. Das Array von Belüftungsschlitzen erstreckt sich fast über die gesamte Länge der Unterseite des Geräts.

Unteransicht des DELL XSP 9500

Wenn man die Unterseite entfernt, zeigt sich, dass nur ein kleiner Teil der Belüftungsschlitze tatsächlich von den internen Lüftern genutzt wird. Ungefähr 50% der Lüftungsschlitze sind mit einer isolierenden Folie verschlossen. In den Bereichen, in denen aktiv Luft angesaugt werden kann, befindet sich kein Luftfilter vor den Lüftern. Feinmaschige Luftfilter können einen besonders hohen Strömungswiderstand haben. Deshalb ist es interessant, dass ein System ohne zusätzlichen Filter auf der Niederdruckseite über einen Nutzungszeitraum von drei Jahren ohne Leistungsverlust aufgrund von verstopften Kühlrippen auskommen kann. Natürlich ist dieses Beispiel nicht vollständig repräsentativ, da die Anzahl der Partikel und die Partikelgröße von Ort zu Ort variieren.

Unterseite des Geräts

Die Maschine verwendet zwei Radiallüfter, jeder mit einem Zipper-Fin-Kühlkörperpaket, das direkt vor dem Lüfterauslass positioniert ist. Die beiden Kühlkörperpakete sind mit zwei 8mm flachen Heatpipes mit der Haupt-CPU und GPU verbunden.

Die Überlagerung der beiden Bilder der Unterseite und der Komponentenanordnung zeigt, wie sich der Luftstrom innerhalb des Systems entwickelt.

Luftstrom innerhalb des XPS 9500

Die Vorteile dieser Anordnung sind:

• Der Strömungsweg ist so kurz wie möglich, was den Druckabfall minimiert und eine höhere Luftgeschwindigkeit durch den Kühlkörper ermöglicht;
• Keine Luft wird über das Mainboard oder eine andere interne Komponente gezwungen, was die Ansammlung von Staub auf der Elektronik unwahrscheinlich macht;
• Die kühle Luftzufuhr und der heiße Luftauslass sind weit voneinander entfernt.

Die Nachteile dieser Anordnung sind:

• Die Lüftungsschlitze an der Unterseite können leicht blockiert werden, wenn der Laptop auf einer weichen Oberfläche verwendet wird;
• Das Fehlen eines Luftstroms über das Mainboard bedeutet, dass alle wärmeerzeugenden Komponenten einen großen Wärmeverteiler benötigen oder thermisch mit dem CPU- oder GPU-Wärmeverteiler gekoppelt sein müssen.

Luftstromkonzept des Open-Source-Laptops

Die Vorteile des vorherigen Ansatzes sind sehr gute Argumente dafür, die Luftzufuhr an der Unterseite des Geräts zu platzieren. Es sollte jedoch Möglichkeiten geben, die Luftzufuhr entweder nach hinten oder zu den Seiten des Geräts zu verlegen, ohne unnötige Engpässe zu schaffen.

Daher haben wir zwei Ansätze für das Kühlkonzeptdesign in Betracht gezogen:

Beim ersten Ansatz wird die Luft an der rechten Seite des Geräts angesaugt, über das Mainboard geleitet und an der linken Seite des Laptops ausgeblasen. Das Kühlkörperpaket sitzt direkt zwischen den Lüftungsschlitzen an der linken Seite des Laptops und dem Radiallüfter.

Der größte Nachteil dieses Ansatzes ist, dass das Mainboard vorne im Laptop, unter dem Trackpad, positioniert werden muss. Der Akkupack müsste unter der Tastatur platziert werden. Dies verschiebt den Schwerpunkt des Laptops nach hinten, was ihn beim Öffnen und Benutzen mit ganz zurückgebogenem Bildschirm instabil macht. Wir haben diesen Ansatz später als Ergebnis verworfen.

Die folgende Illustration zeigt, wie sich der Luftstrom im ersten Konzept entwickelt hätte. (Wir werden später betrachten, wie man eine solche Simulation mit freien und Open-Source-Tools einrichtet.)

Flussweg des verworfenen Kühlkonzepts

Da eine Verlagerung des Akkus nach hinten nicht infrage kommt, musste eine neue Anordnung der internen Komponenten entworfen werden. Und weil das Mainboard jetzt unter der Tastatur liegt, ist das Ansaugen von Luft von den Seiten keine Option mehr, da der Platz, der für die Lüftungsschlitze benötigt wird, bereits von den IO-Schnittstellen belegt ist.

Als alternativer Ansatz haben wir sowohl den Lufteinlass als auch den Luftauslass an der Rückseite des Laptops platziert. Auf diese Weise kann fast die gesamte Länge des Laptops als Lüftungsschlitze genutzt werden, was den Strömungswiderstand minimiert. Wenn der Einlass in der Nähe des Auslasses platziert wird, muss man vorsichtig sein, keine heiße Luft wieder in das Gerät zu ziehen.

Der aktualisierte Luftstrompfad sieht so aus:

Aktualisierter Luftstrompfad

Mit diesem Ansatz ist ein großer Abschnitt auf der Rückseite des Geräts dem Kühlluft-Einlass gewidmet. Da die Querschnittsfläche dieses Lufteinlasses relativ groß ist, können wir einen feinen Maschenluftfilter vor dem Einlass anbringen, ohne einen zu großen Druckabfall zu verursachen. Die gefilterte Kühlluft strömt über das Mainboard und ermöglicht es uns, Komponenten wie die SSDs, den Speicher, die VRMs und die unterstützende Schaltung zu kühlen. Und weil die Kühlluft gefiltert ist, reduzieren wir auch das Risiko, dass Staub auf dem Mainboard angesammelt wird. Ein zusätzlicher Vorteil des Ansaugens der Kühlluft über das Mainboard ist, dass wir sicherstellen können, dass sich keine Taschen heißer Luft zwischen der Tastatur und dem Mainboard bilden. Dies sollte die Tastaturtemperatur bei intensiver Nutzung effektiv reduzieren.

Die folgende Darstellung veranschaulicht die neue Positionierung des Mainboards unterhalb des Tastaturmoduls:

Positionierung des Mainboards unterhalb des Tastaturmoduls

Freiraum für den Lufteinlass des Kühlventilators

Mit dem oben illustrierten Luftstrom haben wir einen gültigen Ansatz zur Kühlung des Systems. Jetzt müssen wir dieses Konzept in CAD integrieren und den Ansatz mithilfe von Simulationen in der ersten Iteration überprüfen.

Bevor wir das CAD-Modell verfeinern, müssen wir die Einschränkungen bezüglich der Platzierung des Ventilators im System verstehen. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Freiraum um den Lufteinlass des Kühlventilators gewidmet werden. Der Lufteinlass des Ventilators ist direkt unterhalb des Tastaturmoduls positioniert und bietet nur einen kleinen Spalt zum Ansaugen von Luft. Wir könnten den Druckabfall dieses Abschnitts mithilfe von Simulationen überprüfen. Allerdings kommen zusätzliche aerodynamische Effekte ins Spiel, wenn Hindernisse sehr nah am Einlass eines Ventilators platziert werden. Axialventilatoren sind besonders anfällig für Blockaden im Einlasspfad. Während Zentrifugalventilatoren im Allgemeinen besser für Umgebungen mit hohem Strömungswiderstand geeignet sind, kann ein suboptimaler Luftstrom in der Nähe des Einlasses eine große Auswirkung auf die Leistung haben.

Wir müssen sicherstellen, dass am Einlass des Ventilators keine Wirbel oder rotierenden Strömungen auftreten. Dies kann die Leistung des Ventilators verschlechtern und zusätzlichen Lärm erzeugen. Wir müssen auch sicherstellen, dass ein gleichmäßig verteilter Massenstrom in den Ventilator eintritt, sodass jeder Teil des Ventilatorrotors einen gleichmäßigen Druckunterschied erfährt.

Rotierende Strömungen am Einlass des Ventilators können durch den Einfluss des Ventilatorrotors selbst erzeugt werden, wenn ein planares Hindernis nahe am Einlass platziert wird. Leider ist dies genau die Montageposition des Ventilators, die im skizzierten Kühlkonzept verwendet wird. Die Modellierung dieser rotierenden Strömungen mithilfe von Simulationen ist sehr schwierig und erfordert genaue Kenntnisse der Geometrie der Ventilatorblätter. Da eine Simulation keine machbare Option ist, müssen wir Messungen am Ventilator durchführen.

Vereinfachte Ventilatormessung

Das Ziel ist es, den minimalen Abstand zu bestimmen, der von einem planaren Hindernis zum Lufteinlass des Ventilators eingehalten werden muss.

Im experimentellen Aufbau wird die Luftgeschwindigkeit eines Kühlventilators gemessen, ohne dass am Einlass des Ventilators eine Behinderung vorliegt. Es wird eine Blockierplatte verwendet, die dem Lufteinlass des Ventilators immer näher gebracht wird, während die Luftgeschwindigkeit am Auslass des Ventilators überwacht wird. Auf diese Weise kann eine Funktion der Ausgangsluftgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Abstand der Blockierung zum Ventilatoreinlass festgelegt werden. Diese Funktion sollte uns mitteilen, welcher der minimale Abstand des Hindernisses zum Einlass sein sollte, ohne dass die Leistung des Ventilators um mehr als 10 % abnimmt.

Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, ist eine wiederholbare Methode zur Messung der Luftgeschwindigkeit am Ventilatorauslass erforderlich. Da ich keinen Zugang zu einem Anemometer habe, das die Luftgeschwindigkeit eines so kleinen Ventilatorauslasses messen kann, müssen wir improvisieren.

Dafür werden wir zwei Kühlventilatoren gekoppelt verwenden, wobei nur ein Ventilator aktiv angetrieben wird. Der zweite Ventilator wird durch den Luftstrom, der vom ersten Ventilator erzeugt wird, angetrieben, sodass wir das Tachosignal des zweiten Ventilators nutzen können, um die Rotorgeschwindigkeit mit einem Frequenzzähler zu messen.

Wenn man versucht, einen Ventilator nur mit dem Luftstrom, der von einer externen Quelle bereitgestellt wird, zu betreiben, kann man schnell auf ein Problem stoßen – insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Das magnetische Rastmoment des Ventilatormotors verursacht, dass der Ventilator nur bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten rotiert.

Um dies zu vermeiden, muss der zweite Ventilator modifiziert werden, indem der Stator entfernt wird, während die Platine mit dem Hallsensor für das Tachometersignal intakt bleibt. So haben wir es gemacht:

• Dann können wir mit einer Anordnung von Magneten den Rotor aus seinem MagFix-Lager herausdrücken:

• Schließlich können wir den Ventilatormotor entfernen, ohne die Steuerungsplatine zu beschädigen:

Nachdem der Ventilator mit diesen Modifikationen wieder zusammengebaut wurde, kann er nun verwendet werden, um sehr niedrige Luftströmungsgeschwindigkeiten anzuzeigen. Mit dem Tachoausgang kann die Drehzahl genau quantifiziert werden. Der Ventilator gibt zwei Impulse pro Umdrehung aus.

Um wiederholbare und zuverlässige Messungen durchführen zu können, ist ein solides mechanisches Design notwendig. Ein einfacher 3D-gedruckter Halter wird verwendet, um die beiden Ventilatoren zu fixieren, während er gleichzeitig einen Luftführungskanal vom Testgerät zum Messventilator bereitstellt.

3D-gedruckte Testvorrichtung

3D-gedruckte Testvorrichtung nach Installation des Test- und Messventilators

Ergebnisse der vereinfachten Ventilatormessungen

Mit dem oben beschriebenen Testmessaufbau wurde eine Blockierplatte vor dem Einlass des DUT platziert. Der Abstand zwischen der Blockierplatte und dem Lufteinlass des Ventilators variierte zwischen 0mm und 2mm in 0,1mm Schritten. Ein Testlauf ohne die Blockierplatte wurde als Referenz für die maximal erreichbare Luftgeschwindigkeit verwendet, während gleichzeitig der Geräuschpegel aufgezeichnet wurde.

Messergebnis Luftgeschwindigkeit vs. Abstand zur Einlassbehinderung

Geräuschpegel-Spektralverteilung

Das Messergebnis zeigt, dass wir eine Ansauglücke von mindestens 1,1 mm benötigen, um sicherzustellen, dass die Leistung des Ventilators nicht um mehr als 10 % abfällt. Die spektrale Verteilung des Ventilatorgeräusches sieht für alle Messdurchläufe überraschend ähnlich aus. Es gibt einige Abweichungen in den höheren Frequenzbereichen, insbesondere bei den Messungen mit geringem Abstand – was zu erwarten ist. Die Messdurchläufe mit einem Abstand von mehr als 1 mm zeigen nur sehr geringe Abweichungen im Geräuschspektrum voneinander.

Luftstromsimulation

Die vorherigen Messungen haben uns wichtige Erkenntnisse geliefert, die nun auf das CAD-Modell übertragen werden können. Der Ventilator sollte mit einem Abstand von mindestens 1,1 mm zwischen dem Lufteinlass des Ventilators und dem über dem Ventilator montierten Tastaturmodul integriert werden.

Mit dem richtigen Montageabstandshalter für den Radialventilator beträgt der Abstand zwischen dem Tastaturmodul und der Oberseite des Ventilators ungefähr 1,92 mm. Von diesem Wert müssen 0,5 mm für einen Versteifer und eine Isolierfolie unter der Tastatur abgezogen werden. Glücklicherweise ist der Abstand immer noch größer als 1,1 mm. Mit der vorläufigen Platzierung des Ventilators im System kann ein Simulationsmodell aus der vorhandenen Geometrie erstellt werden.

Abstand zwischen dem Lufteinlass des Ventilators und der Unterseite des Tastaturmoduls

Das Ziel des Simulationsmodells ist es, einen Druckabfall zwischen dem Lufteinlass des Laptops und dem Luftauslass zu liefern. Das Wärmesinkpaket und der Luftfilter werden den größten Druckabfall im Strömungsweg verursachen. Diese beiden Aspekte sind noch zu definieren und werden in einer zukünftigen Simulation berücksichtigt. Derzeit konzentrieren wir uns nur auf das Strömungsprofil innerhalb des Laptops und den damit verbundenen Druckabfall.

Der Druckabfall des internen Luftwegs wird für mehrere Volumenstromraten berechnet. Durch das Durchlaufen mehrerer Strömungsraten können wir eine Funktion des Druckabfalls im Verhältnis zur Volumenstromrate erstellen. Der Schnittpunkt zwischen dieser Funktion und der Ventilatorkurve, die im Datenblatt des Ventilators angegeben ist, teilt uns den endgültigen Volumenluftstrom und damit die Luftgeschwindigkeit mit, die vom Ventilator im System erzeugt wird. Die Funktion des Druckabfalls des Strömungsprofils muss um die Funktion des Druckabfalls für das Wärmesinkpaket und den Luftfilter ergänzt werden, sobald diese berechnet wurden.

Um die Simulation vorzubereiten, muss das CAD-Modell vereinfacht und das Volumen für den Fluidsimulationsbereich extrahiert werden. Im ersten Schritt werden die auf dem Mainboard befindlichen Komponenten durch Bounding-Box-Modelle ersetzt. Dies reduziert die Geometriekomplexität sowie die Komplexität des später zu erstellenden Simulationsnetzes erheblich.

Komponenten auf dem Hauptboard mit ursprünglicher Geometrie

Die Begrenzungsbox ist so eingerichtet, dass sie großen Merkmalen der Geometrie folgt, aber Merkmale mit einer hohen Eckenzahl umschließt. Kleine, aber detailreiche Merkmale haben keinen bedeutenden Einfluss auf das Strömungsprofil und können daher weggelassen werden.

Begrenzungsboxen um kritische Geometriemerkmale innerhalb des Simulationsbereichs gewickelt

Mit der vereinfachten Darstellung der Komponenten kann das Luftvolumen im Inneren des Laptops durch eine einfache boolesche Differenzoperation zwischen dem Laptopgehäuse, dem Hauptboard mit all seinen Komponenten und dem vereinfachten Luftvolumen extrahiert werden.

Luftvolumen, das für die Simulation verwendet wird

Die Durchführung der ersten Simulation bei einem Volumenstrom von 1m³/h ergibt folgende Geschwindigkeits- und Druckverteilung:

Ergebnisse der ersten Simulation

Diese Simulation liefert uns zwei sehr wichtige Erkenntnisse. Das erste Ergebnis ist der durchschnittliche Druckabfall zwischen Einlass und Auslass von 15 Pascal. Das zweite Ergebnis bezieht sich auf den dunkelblauen Punkt, der in der Wärmekarte des Druckfeldes sichtbar ist. Diese lokalisierte Zone sehr niedrigen Drucks ist das Zentrum einer rotierenden Luftströmung – ein kleiner Wirbel direkt über dem Lüftereinlass. Diese Rotation entwickelt sich, weil die in das Gebiet eintretende Luftströmung einen Impuls senkrecht zur Lüfterachse hat. Wenn die Luft näher an den Lüfter gezogen wird, beschleunigt sie und bildet aufgrund der Impulserhaltung einen schnell rotierenden Wirbel.

Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, verursacht eine wirbelnde Luftströmung am Einlass eines Lüfters zusätzlichen Lärm und reduziert die Effizienz. Daher müssen wir einen Weg finden, um die Bildung eines Wirbels zu verhindern. Das wird eine Herausforderung für ein zukünftiges Update sein.

Bei einer Durchführung eines Sweeps über die volumetrische Strömungsrate offenbart die Simulation die folgende Druckabfall-gegen-Strömungsrate-Kurve:

Druckabfall gegenüber volumetrischer Strömungsrate des internen Luftwegs des Laptops

Das Datenblatt des derzeit betrachteten Lüfters liefert das folgende Druck-gegen-volumetrische Strömungsrate-Diagramm:

Datenblatt des Lüfters

Das Extrahieren der X- und Y-Werte der Lüfterkurve und deren Platzierung im selben Diagramm wie der simulierte Druckabfall zeigt uns zwei sich schneidende Funktionen. Der Schnittpunkt zwischen der Lüfterkurve und der simulierten Druckabfallkurve zeigt, welche volumetrische Strömungsrate und welcher Druck sich in der Einheit einstellen wird. Jedoch fehlen uns noch zwei kritische Parameter der Finne; der Druckabfall des Kühlkörpers und der Druckabfall des Luftfilters. Mit dem oben etablierten Arbeitsablauf wird das Hinzufügen dieser Werte später kein Problem sein.

Der resultierende Luftstrom für das System ohne Kühlkörper und Luftfilter sollte ungefähr 1,5m³/h bei einem Druckabfall von 28 Pascal betragen.

Kennlinie des Lüfters vs. Druckabfallkurve

In den kommenden Projektupdates werden wir das Konzept des Luftstroms weiter verfeinern und tiefer in die Nutzung von Open-Source-Tools für Strömungs- und Wärmeübertragungssimulationen eintauchen. Wir werden auch die ersten Komponenten des Laptops entwerfen, zusammenbauen und testen.

Es gibt noch viel zu entdecken, also bleiben Sie dran!