Phase de conception – Refroidissement et circulation de l'air Partie 1

Dans cet épisode du projet d'ordinateur portable open-source, nous allons examiner de plus près le système de refroidissement. Tout d'abord, nous nous concentrerons sur le flux d'air à l'intérieur de l'appareil et découvrirons ce que nous devons prendre en compte pour répondre aux exigences définies dans l'article précédent.

Au cours de la phase de conception, nous avons examiné les exigences techniques clés qui devraient être mises en œuvre dans l'unité finale. L'une de ces exigences était qu'aucun air ne peut être aspiré sur le dessous de l'appareil. De nombreux ordinateurs portables sur le marché font exactement cela — et pour de bonnes raisons. Avant de plonger dans le modèle CAO et de commencer à travailler sur notre propre conception, examinons le statu quo et voyons ce que nous pouvons apprendre de l'approche éprouvée.

Examen du Dell XPS 9500

Pour montrer comment une solution de refroidissement est mise en œuvre dans un ordinateur portable moderne, nous examinerons le Dell XPS 9500. Il s'agit d'un appareil de 15 pouces avec un processeur i7-10750 et une GPU NVIDIA GTX 1650 Ti, qui peut consommer plus de 100 watts en pleine charge. La solution de refroidissement sera donc beaucoup plus grande que celle d'un appareil de 13 pouces, mais le principe de fonctionnement reste le même.

Sur le dessous de l'appareil, nous voyons un grand nombre de fentes d'admission d'air. Le réseau de fentes de ventilation s'étend sur presque toute la longueur du couvercle inférieur de l'appareil.

Vue de dessous du DELL XSP 9500

En retirant le couvercle inférieur, on révèle que seule une petite partie des fentes de ventilation est réellement utilisée par les ventilateurs internes. Environ 50 % des bouches d'aération sont fermées avec un film isolant. Dans les zones où l'air peut être activement aspiré, il n'y a pas de filtre à air devant les ventilateurs. Les filtres à air en maille fine peuvent avoir une résistance à l'écoulement particulièrement élevée. C'est pourquoi il est intéressant qu'un système sans filtre supplémentaire sur le côté de basse pression puisse fonctionner sur une période d'utilisation de trois ans sans aucune perte de performance due à des ailettes de refroidissement bloquées. Bien sûr, cet exemple n'est pas entièrement représentatif car le nombre de particules et la taille des particules varient d'un endroit à l'autre.

Couvercle inférieur de l'appareil

La machine utilise deux ventilateurs radiaux, chacun avec un ensemble de dissipateur thermique à ailettes zippées situé directement devant la sortie du ventilateur. Les deux paquets de dissipateur thermique sont connectés au CPU principal et au GPU à l'aide de deux caloducs plats de 8mm.

La superposition des deux images du couvercle inférieur et de l'agencement des composants montre comment le flux d'air se développe au sein du système.

Flux d'air à l'intérieur du XPS 9500

Les avantages de cette disposition sont :

• Le chemin du flux est le plus court possible, ce qui minimise la perte de pression et permet une vitesse d'air plus élevée à travers le dissipateur thermique ;
• Aucun air n'est forcé sur la carte mère ou tout autre composant interne rendant l'accumulation de poussière sur les composants électroniques peu probable ;
• L'entrée d'air frais et la sortie d'air chaud sont largement espacées.

Les inconvénients de cette disposition sont :

• Les fentes de ventilation sur le bas sont facilement bloquées lors de l'utilisation de l'ordinateur portable sur une surface souple ;
• Ne pas avoir de flux d'air traversant la carte mère signifie que tous les composants générant de la chaleur ont besoin d'un grand dissipateur thermique, ou doivent être thermiquement couplés au dissipateur thermique du CPU ou du GPU.

Concept de flux d'air de l'ordinateur portable open-source

Les avantages de l'approche précédente sont de très bons arguments pour placer l'entrée d'air en bas de l'appareil. Cependant, il devrait y avoir des moyens de déplacer l'entrée d'air soit à l'arrière de l'appareil, soit sur les côtés sans créer de goulots d'étranglement inutiles.

Ainsi, nous avons envisagé deux approches pour la conception du concept de refroidissement :

Pour la première approche, l'air est aspiré sur le côté droit de l'appareil, passe sur la carte mère, et est expulsé sur le côté gauche de l'ordinateur portable. Le paquet de dissipateur thermique est situé directement entre les fentes de ventilation sur le côté gauche de l'ordinateur portable et le ventilateur radial.

Le principal inconvénient de cette approche est que la carte mère doit être située à l'avant du portable, sous le pavé tactile. Le pack de batteries devrait alors être placé sous le clavier. Cela déplace le centre de masse du portable vers l'arrière, ce qui le rend instable lors de l'ouverture et de l'utilisation avec l'écran complètement rabattu. Nous avons par la suite abandonné cette approche.

L'illustration suivante montre comment le flux d'air se serait développé dans le premier concept. (Nous verrons plus tard comment configurer une simulation comme celle-ci en utilisant des outils libres et open source.)

Chemin du flux d'air du concept de refroidissement abandonné

Puisque déplacer la batterie vers l'arrière est hors de question, un nouvel agencement des composants internes a dû être conçu. Et parce que la carte mère est maintenant située sous le clavier, aspirer l'air depuis les côtés n'est plus une option car l'espace nécessaire pour les bouches d'aération est déjà occupé par les interfaces IO.

Comme approche alternative, nous avons placé à la fois l'entrée et la sortie d'air à l'arrière du portable. De cette manière, presque toute la longueur du portable peut être utilisée comme bouches d'aération, minimisant la résistance au flux. Si l'entrée est placée près de la sortie, vous devez faire attention à ne pas aspirer de l'air chaud à nouveau dans la machine.

Le chemin du flux d'air mis à jour ressemble à ceci :

Chemin du flux d'air mis à jour

Avec cette approche, une grande section à l'arrière de l'appareil est dédiée à l'entrée d'air de refroidissement. Comme la section transversale de cette entrée d'air est relativement grande, nous pouvons y placer un filtre à air fin sans causer une chute de pression trop importante. L'air de refroidissement filtré passe à travers la carte mère et nous permet de refroidir des composants tels que les SSD, la mémoire, les VRM et les circuits de support. Et parce que l'air de refroidissement est filtré, nous réduisons également le risque d'accumulation de poussière sur la carte mère. Un avantage supplémentaire de l'aspiration de l'air de refroidissement à travers la carte mère est que nous pouvons nous assurer qu'aucune poche d'air chaud ne se forme entre le clavier et la carte mère. Cela devrait réduire efficacement la température du clavier sous une utilisation intensive.

La représentation suivante illustre le nouveau positionnement de la carte mère sous le module clavier :

Positionnement de la carte mère sous le module clavier

Dégagement de l'entrée d'air du ventilateur de refroidissement

Avec la configuration du flux d'air illustrée ci-dessus, nous avons une approche valable pour refroidir le système. Maintenant, nous devons intégrer ce concept dans le CAD et vérifier l'approche en utilisant des simulations dans l'itération initiale.

Avant de peaufiner le modèle CAD, nous devons comprendre les contraintes autour du placement du ventilateur dans le système. Une attention particulière doit être accordée au dégagement autour de l'entrée d'air du ventilateur de refroidissement. L'entrée d'air du ventilateur est positionnée directement sous le module clavier, ne laissant qu'un petit espace pour aspirer l'air. Nous pourrions vérifier la chute de pression de cette section en utilisant des simulations. Cependant, des effets aérodynamiques supplémentaires entrent en jeu lorsqu'on place des obstacles très près de l'entrée d'un ventilateur. Les ventilateurs axiaux sont particulièrement sensibles aux blocages dans le chemin d'entrée. Alors que les ventilateurs centrifuges sont généralement plus adaptés aux environnements à haute résistance au flux, un flux d'air sous-optimal près de l'entrée peut avoir un grand impact sur la performance.

Nous voudrons nous assurer qu'aucun tourbillon ou flux rotatif ne se produit à l'entrée du ventilateur. Cela peut dégrader la performance du ventilateur et créer du bruit supplémentaire. Nous devons également nous assurer qu'un flux de masse uniformément distribué entre dans le ventilateur afin que chaque partie du rotor du ventilateur subisse une différence de pression uniforme.

Des flux rotatifs à l'entrée du ventilateur peuvent être créés par l'influence du rotor du ventilateur lui-même si un obstacle plan est placé près de l'entrée. Malheureusement, c'est exactement la position de montage du ventilateur utilisé dans le concept de refroidissement décrit. Modéliser ces flux rotatifs en utilisant des simulations est très difficile et nécessite une connaissance exacte de la géométrie des pales du ventilateur. Puisque la simulation n'est pas une option viable, nous devrons prendre des mesures du ventilateur.

Mesure simplifiée du ventilateur

L'objectif est de déterminer la distance minimale qu'un obstacle plan doit être maintenu de l'entrée du ventilateur.

Dans le dispositif expérimental, la vitesse de l'air d'un ventilateur de refroidissement est mesurée sans aucune obstruction à l'entrée du ventilateur. Un panneau de blocage est utilisé, qui est amené de plus en plus près de l'entrée d'air du ventilateur tandis que la vitesse de l'air à la sortie du ventilateur est surveillée. De cette manière, une fonction de la vitesse de l'air de sortie par rapport à la distance de l'obstacle à l'entrée du ventilateur peut être fixée. Cette fonction devrait nous indiquer quelle doit être la distance minimale de l'obstacle à l'entrée sans diminuer la performance du ventilateur de plus de 10 %.

Pour atteindre le résultat souhaité, une méthode répétable de mesure de la vitesse de l'air à la sortie du ventilateur est requise. Comme je n'ai pas accès à un anémomètre capable de mesurer la vitesse de l'air d'une sortie de ventilateur aussi petite, nous devrons improviser.

Pour cela, nous utiliserons deux ventilateurs de refroidissement couplés ensemble avec seulement un ventilateur qui est activement entraîné. Le second ventilateur est entraîné par le flux d'air généré par le premier ventilateur, ainsi nous pouvons utiliser le signal tacho du second ventilateur pour mesurer la vitesse du rotor avec un compteur de fréquence.

Lorsque l'on essaie d'entraîner un ventilateur uniquement avec le flux d'air fourni par une source externe, nous pouvons rapidement rencontrer un problème, surtout à faibles débits. Le couple de cogging magnétique du moteur du ventilateur fait que le ventilateur ne tourne qu'à des vitesses de flux élevées.

Pour éviter cela, le second ventilateur doit être modifié en retirant le stator tout en laissant la carte de circuit avec le capteur Hall pour le signal du tachymètre intact. Voici comment nous avons procédé :

• Ensuite, à l'aide d'un arrangement d'aimants, nous pouvons pousser le rotor hors de son roulement MagFix :

• Enfin, nous sommes en mesure de retirer le moteur du ventilateur sans endommager la carte de contrôle PCB :

Après avoir remonté le ventilateur avec ces modifications, il peut maintenant être utilisé pour indiquer des flux d'air de très faible vitesse. En utilisant la sortie tacho, le taux de rotation peut être quantifié avec précision. Le ventilateur produit deux impulsions par révolution.

Afin de réaliser des mesures répétables et fiables, une conception mécanique solide est nécessaire. Un simple support imprimé en 3D est utilisé pour sécuriser les deux ventilateurs en place tout en fournissant un guide d'air du dispositif de test au ventilateur de mesure.

Dispositif de test imprimé en 3D

Dispositif de test imprimé en 3D après l'installation du ventilateur de test et de mesure

Résultats des mesures simplifiées des ventilateurs

En utilisant la configuration de mesure de test décrite ci-dessus, une planche de blocage a été placée devant l'entrée du DUT. La distance entre la planche de blocage et l'entrée d'air du ventilateur variait entre 0mm et 2mm par pas de 0,1mm. Un essai sans la planche de blocage a été utilisé comme référence pour la vitesse d'air maximale atteignable, tandis qu'en même temps, le niveau sonore était enregistré.

Résultat de mesure vitesse d'air vs. distance à l'obstruction de l'entrée

Distribution spectrale du niveau de bruit

Le résultat de la mesure montre que nous avons besoin d'un espace d'admission d'au moins 1,1 mm pour garantir que la performance du ventilateur ne diminue pas de plus de 10 %. La distribution spectrale du bruit du ventilateur semble étonnamment similaire pour tous les essais de mesure. Il y a une certaine variance dans les gammes de fréquences supérieures, surtout pour les mesures à faible distance, ce qui est à prévoir. Les essais de mesure avec une distance de plus de 1 mm montrent seulement de très petites déviations dans le spectre de bruit les uns des autres.

Simulation de flux d'air

Les mesures précédentes nous ont fourni des informations importantes qui peuvent maintenant être transférées au modèle CAO. Le ventilateur doit être intégré avec une distance d'au moins 1,1 mm entre l'entrée du ventilateur et le module de clavier monté au-dessus du ventilateur.

Avec l'entretoise de montage correcte pour le ventilateur radial, l'espace entre le module de clavier et le côté supérieur du ventilateur est d'environ 1,92 mm. De cette valeur, 0,5 mm doit être soustrait pour un raidisseur et une feuille isolante sous le clavier. Heureusement, la distance est encore supérieure à 1,1 mm. Avec le placement préliminaire du ventilateur dans le système effectué, un modèle de simulation peut être créé à partir de la géométrie existante.

Distance entre l'entrée du ventilateur et le dessous du module de clavier

L'objectif du modèle de simulation est de fournir une chute de pression entre l'entrée d'air de l'ordinateur portable et la sortie d'air. Le paquet de dissipateur thermique et le filtre à air créeront la plus grande chute de pression dans le chemin de flux. Ces deux aspects restent à définir et seront pris en compte dans une future simulation. Pour l'instant, notre attention se concentre uniquement sur le profil de flux à l'intérieur de l'ordinateur portable et la chute de pression associée.

La chute de pression du chemin d'air interne sera calculée pour plusieurs débits volumétriques. Balayer à travers plusieurs débits nous permet de créer une fonction de la chute de pression par rapport au débit volumétrique. L'intersection entre cette fonction et la courbe du ventilateur donnée par la fiche technique du ventilateur nous indique le débit d'air volumétrique final et donc la vitesse de l'air générée par le ventilateur dans le système. La fonction de la chute de pression du profil de flux doit être compensée par la fonction de la chute de pression pour le dissipateur thermique emballé et le filtre à air une fois que ceux-ci ont été calculés.

Pour préparer la simulation, le modèle CAO doit être simplifié et le volume pour le domaine de simulation de fluide doit être extrait. Dans un premier temps, les composants situés sur la carte mère seront substitués par des modèles de boîte englobante. Cela réduit considérablement la complexité de la géométrie ainsi que la complexité du maillage de simulation qui sera créé plus tard.

Composants sur la carte mère avec géométrie originale

La boîte englobante est configurée de manière à suivre les grandes caractéristiques de la géométrie, mais à englober les caractéristiques ayant un nombre élevé de sommets. Les caractéristiques petites mais très détaillées n'auront pas d'impact significatif sur le profil d'écoulement et peuvent donc être omises.

Boîtes englobantes entourant les caractéristiques géométriques critiques dans le domaine de simulation

Avec la représentation simplifiée des composants en place, le volume d'air à l'intérieur du portable peut être extrait avec une simple opération de différence booléenne entre le boîtier du portable, la carte mère avec tous ses composants, et le volume d'air simplifié.

Volume d'air qui sera utilisé pour la simulation

Lancer la première simulation à un débit volumique de 1m³/h fournit la distribution suivante de vitesse et de pression :

Résultats de la première simulation

Cette simulation nous fournit deux informations très importantes. Le premier résultat est la chute de pression moyenne entre l'entrée et la sortie de 15 pascals. Le second résultat se réfère au point bleu foncé visible sur la carte thermique du champ de pression. Cette zone localisée de très basse pression est le centre d'un courant d'air rotatif - un petit vortex juste au-dessus de l'entrée du ventilateur. Cette rotation se développe parce que le courant d'air entrant dans le domaine a une impulsion perpendiculaire à l'axe du ventilateur. À mesure que l'air se rapproche du ventilateur, il accélère et forme un vortex tournant rapidement en raison de la conservation de la quantité de mouvement.

Comme décrit dans la section précédente, un écoulement d'air tourbillonnant à l'entrée d'un ventilateur provoque un bruit supplémentaire et réduit l'efficacité. Par conséquent, nous devons trouver un moyen d'empêcher la formation d'un vortex. Cela sera un défi pour une future mise à jour.

En effectuant un balayage à travers le débit volumétrique, la simulation révèle la courbe suivante de chute de pression versus débit :

Chute de pression versus débit volumétrique du chemin d'air interne de l'ordinateur portable

La fiche technique du ventilateur actuellement à l'étude fournit le graphique suivant de pression vs. débit volumétrique :

Fiche technique du ventilateur

Extraire les valeurs X et Y de la courbe du ventilateur et les placer dans le même diagramme que la chute de pression simulée nous montre deux fonctions qui se croisent. L'intersection entre la courbe du ventilateur et la courbe de chute de pression simulée indique quel débit volumétrique et quelle pression seront établis dans l'unité. Cependant, il nous manque encore deux paramètres critiques du dissipateur thermique ; la chute de pression du dissipateur de chaleur et la chute de pression du filtre à air. Avec le flux de travail établi ci-dessus, ajouter ces valeurs plus tard ne posera pas de problème.

Le débit d'air résultant pour le système sans dissipateur de chaleur et sans filtre à air devrait être d'environ 1,5m³/h à une chute de pression de 28 pascals.

TRANSLATE:

Courbe de ventilateur vs. courbe de perte de pression

Dans les prochaines mises à jour du projet, nous allons affiner davantage le concept de flux d'air et approfondir l'utilisation d'outils open-source pour la simulation de flux et de transfert de chaleur. Nous allons également concevoir, assembler et tester les premiers composants du laptop.

Il reste encore beaucoup à explorer, alors restez à l'écoute !