Fase Concettuale – Raffreddamento e Flusso d'Aria Parte 1

In questa puntata del progetto di laptop open-source, esamineremo più da vicino il sistema di raffreddamento. Prima ci concentreremo sul flusso d'aria all'interno del dispositivo e scopriremo cosa dobbiamo considerare per soddisfare i requisiti definiti nell'articolo precedente.

Durante la fase concettuale abbiamo esaminato i requisiti tecnici chiave che dovrebbero essere implementati nell'unità finale. Uno di questi requisiti era che non si potesse aspirare aria dalla parte inferiore del dispositivo. Molti, se non la maggior parte, dei laptop sul mercato fanno proprio questo—e con buone ragioni. Prima di immergerci nel modello CAD e iniziare a lavorare sul nostro design, diamo un'occhiata allo status quo e vediamo cosa possiamo imparare dall'approccio consolidato.

Uno sguardo al Dell XPS 9500

Per mostrare come viene implementata una soluzione di raffreddamento in un laptop moderno, esamineremo il Dell XPS 9500. Si tratta di un dispositivo da 15 pollici con un processore i7-10750 e una GPU NVIDIA GTX 1650 Ti, che può richiedere oltre 100 watt sotto pieno carico. La soluzione di raffreddamento sarà quindi molto più grande di quella di un dispositivo da 13 pollici, ma il principio di funzionamento rimane lo stesso.

Sul fondo del dispositivo vediamo un gran numero di fessure per l'aspirazione dell'aria. La serie di fessure di ventilazione si estende per quasi tutta la lunghezza del coperchio inferiore del dispositivo.

Vista inferiore del DELL XSP 9500

Rimuovendo il coperchio inferiore si rivela che solo una piccola parte delle fessure di ventilazione è effettivamente utilizzata dai ventilatori interni. Circa il 50% delle prese d'aria è chiuso con una pellicola isolante. Nelle aree dove l'aria può essere attivamente aspirata, non è presente nessun filtro d'aria davanti ai ventilatori. I filtri d'aria a maglia fine possono avere una resistenza al flusso particolarmente elevata. È quindi interessante che un sistema senza un filtro aggiuntivo sul lato di bassa pressione possa gestire un periodo di utilizzo di tre anni senza alcuna perdita di prestazioni a causa di alette di raffreddamento ostruite. Naturalmente, questo esempio non è del tutto rappresentativo poiché il numero di particelle e la dimensione delle particelle variano da luogo a luogo.

Coperchio inferiore del dispositivo

La macchina utilizza due ventole radiali, ognuna con un pacchetto di dissipatori di calore a pinna con cerniera situato direttamente davanti all'uscita della ventola. I due pacchetti di dissipatori di calore sono collegati al principale CPU e GPU utilizzando due tubi piatti di dissipazione del calore da 8mm.

La sovrapposizione delle due immagini del coperchio inferiore e dell'arrangiamento dei componenti mostra come si sviluppa il flusso d'aria all'interno del sistema.

Flusso d'aria all'interno del XPS 9500

I vantaggi di questa disposizione sono:

• Il percorso del flusso è il più corto possibile, il che minimizza la caduta di pressione e consente una maggiore velocità dell'aria attraverso il dissipatore di calore;
• Nessuna aria è forzata sopra la scheda madre o qualsiasi altro componente interno rendendo improbabile l'accumulo di polvere sull'elettronica;
• L'ingresso dell'aria fresca e l'uscita dell'aria calda sono ampiamente distanziati.

Gli svantaggi di questa disposizione sono:

• Le fessure di ventilazione sul fondo sono facilmente bloccate quando si utilizza il laptop su una superficie morbida;
• Non avere flusso d'aria attraverso la scheda madre significa che tutti i componenti che generano calore necessitano di un grande diffusore di calore, o devono essere accoppiati termicamente al diffusore di calore della CPU o della GPU.

Concetto di flusso d'aria del laptop open-source

I vantaggi dell'approccio precedente sono ottimi argomenti per posizionare l'ingresso dell'aria sul fondo del dispositivo. Tuttavia, dovrebbero esserci modi per spostare l'ingresso dell'aria sia sul retro del dispositivo sia sui lati senza creare colli di bottiglia non necessari.

Quindi, abbiamo considerato due approcci per il concetto di design del raffreddamento:

Per il primo approccio, l'aria viene aspirata sul lato destro del dispositivo, passa sopra la scheda madre e viene espulsa sul lato sinistro del laptop. Il pacchetto di dissipatori di calore si trova direttamente tra le fessure di ventilazione sul lato sinistro del laptop e la ventola radiale.

Il principale svantaggio di questo approccio è che la scheda madre deve essere posizionata nella parte anteriore del laptop, sotto il trackpad. Il pacco batteria dovrebbe essere collocato sotto la tastiera. Questo sposta il centro di massa del laptop verso il retro, rendendolo instabile quando viene aperto e utilizzato con lo schermo piegato completamente all'indietro. Abbiamo successivamente scartato questo approccio come risultato.

L'illustrazione seguente mostra come si sarebbe sviluppato il flusso d'aria nel primo concetto. (Esamineremo come impostare una simulazione del genere utilizzando strumenti gratuiti e open-source più avanti.)

Percorso del flusso del concetto di raffreddamento scartato

Poiché spostare la batteria verso il retro è fuori discussione, è stato necessario progettare un nuovo arrangiamento dei componenti interni. E poiché la scheda madre è ora posizionata sotto la tastiera, aspirare aria dai lati non è più un'opzione poiché lo spazio necessario per le bocchette d'aria è già occupato dalle interfacce IO.

Come approccio alternativo, abbiamo posizionato sia l'entrata che l'uscita dell'aria sul retro del laptop. In questo modo, quasi tutta la lunghezza del laptop può essere utilizzata come bocchette d'aria minimizzando la resistenza al flusso. Se l'entrata è posizionata vicino all'uscita, è necessario fare attenzione a non aspirare nuovamente aria calda all'interno della macchina.

Il percorso del flusso d'aria aggiornato appare così:

Percorso del flusso d'aria aggiornato

Con questo approccio, una grande sezione sul retro del dispositivo è dedicata all'entrata dell'aria di raffreddamento. Poiché l'area trasversale di questa entrata d'aria è relativamente grande, possiamo inserire un filtro d'aria a maglia fine davanti all'entrata senza causare una caduta di pressione eccessiva. L'aria di raffreddamento filtrata passa attraverso la scheda madre e ci permette di raffreddare componenti come gli SSD, la memoria, i VRM e il circuito di supporto. E poiché l'aria di raffreddamento è filtrata, riduciamo anche il rischio di accumulo di polvere sulla scheda madre. Un vantaggio aggiunto dell'aspirare l'aria di raffreddamento attraverso la scheda madre è che possiamo assicurarci che non si formino tasche di aria calda tra la tastiera e la scheda madre. Questo dovrebbe ridurre efficacemente la temperatura della tastiera durante un uso intenso.

La seguente illustrazione mostra la nuova posizione della scheda madre al di sotto del modulo della tastiera:

Posizionamento della scheda madre al di sotto del modulo della tastiera

Spazio libero per l'aspirazione del ventilatore di raffreddamento

Con il flusso d'aria impostato come illustrato sopra, abbiamo un approccio valido per raffreddare il sistema. Ora, dobbiamo integrare questo concetto in CAD e verificare l'approccio utilizzando simulazioni nella prima iterazione.

Prima di rifinire il modello CAD, dobbiamo comprendere le limitazioni relative al posizionamento del ventilatore nel sistema. Deve essere prestata particolare attenzione allo spazio libero intorno all'ingresso del ventilatore di raffreddamento. L'aspirazione dell'aria del ventilatore è posizionata direttamente sotto il modulo della tastiera fornendo solo un piccolo spazio per aspirare aria. Potremmo verificare la caduta di pressione di quella sezione utilizzando simulazioni. Tuttavia, effetti aerodinamici aggiuntivi entrano in gioco quando si posizionano ostacoli molto vicini all'ingresso di un ventilatore. I ventilatori assiali sono particolarmente suscettibili a ostruzioni nel percorso di ingresso. Mentre i ventilatori centrifughi sono generalmente più adatti per ambienti con alta resistenza al flusso, un flusso d'aria subottimale vicino all'ingresso può avere un grande impatto sulla performance.

Vogliamo assicurarci che non si verifichino flussi vorticosi o rotanti all'ingresso del ventilatore. Questo può degradare la performance del ventilatore e creare rumore aggiuntivo. Dobbiamo anche garantire che un flusso di massa uniformemente distribuito entri nel ventilatore in modo che ogni parte del rotore del ventilatore sperimenti una differenza di pressione uniforme.

I flussi rotanti all'ingresso del ventilatore possono essere creati dall'influenza del rotore del ventilatore stesso se un ostacolo piano è posizionato vicino all'ingresso. Sfortunatamente, questa è esattamente la posizione di montaggio del ventilatore utilizzato nel concetto di raffreddamento delineato. Modellare questi flussi rotanti utilizzando simulazioni è molto difficile e richiede una conoscenza esatta della geometria delle pale del ventilatore. Poiché la simulazione non è un'opzione fattibile, dovremo prendere misure del ventilatore.

Misurazione semplificata del ventilatore

L'obiettivo è determinare la distanza minima che un ostacolo piano deve essere mantenuto dall'ingresso del ventilatore.

Nell'allestimento sperimentale, la velocità dell'aria di un ventilatore di raffreddamento viene misurata senza alcun ostacolo all'ingresso del ventilatore. Si utilizza una tavola di bloccaggio, che viene avvicinata sempre più all'ingresso dell'aria del ventilatore mentre si monitora la velocità dell'aria all'uscita del ventilatore. In questo modo, si può stabilire una funzione della velocità dell'aria in uscita rispetto alla distanza dell'ostruzione dall'ingresso del ventilatore. Questa funzione dovrebbe dirci qual è la distanza minima dell'ostacolo dall'ingresso senza ridurre le prestazioni del ventilatore di più del 10%.

Per ottenere il risultato desiderato, è necessario un metodo ripetibile di misurazione della velocità dell'aria all'uscita del ventilatore. Poiché non ho accesso a un anemometro che possa misurare la velocità dell'aria di un'uscita del ventilatore così piccola, dovremo improvvisare.

Per questo, useremo due ventilatori di raffreddamento accoppiati insieme con solo un ventilatore che è attivamente azionato. Il secondo ventilatore è azionato dal flusso d'aria generato dal primo ventilatore, quindi possiamo utilizzare il segnale tachimetrico del secondo ventilatore per misurare la velocità del rotore con un contatore di frequenza.

Quando si tenta di azionare un ventilatore solo con il flusso d'aria fornito da una fonte esterna, si può rapidamente incontrare un problema, specialmente a bassi flussi. La coppia di cogging magnetica del motore del ventilatore fa sì che il ventilatore ruoti solo ad alte velocità di flusso.

Per evitare ciò, il secondo ventilatore deve essere modificato rimuovendo lo statore ma lasciando intatta la scheda elettronica con il sensore Hall per il segnale del tachimetro. Ecco come abbiamo fatto:

• Poi, utilizzando un sistema di magneti, possiamo spingere il rotore fuori dal suo cuscinetto MagFix:

• Infine, siamo in grado di rimuovere il motore del ventilatore senza danneggiare la scheda di controllo PCB:

Dopo aver rimontato il ventilatore con queste modifiche, ora può essere utilizzato per indicare flussi d'aria di velocità molto bassa. Utilizzando l'uscita tacho, il tasso di rotazione può essere quantificato con precisione. Il ventilatore emette due impulsi per rivoluzione.

Per eseguire misurazioni ripetibili e affidabili, è necessario un solido design meccanico. Un semplice supporto stampato in 3D viene utilizzato per fissare i due ventilatori in posizione, fornendo al contempo una guida d'aria dal dispositivo di test al ventilatore di misurazione.

Supporto di test stampato in 3D

Supporto di test stampato in 3D dopo aver installato il ventilatore di test e misurazione

Risultati delle misurazioni semplificate dei ventilatori

Utilizzando la configurazione di misurazione di test descritta sopra, è stata posizionata una tavola di bloccaggio davanti all'ingresso del DUT. La distanza tra la tavola di bloccaggio e l'ingresso d'aria del ventilatore variava tra 0mm e 2mm a passi di 0,1mm. Una prova senza la tavola di bloccaggio è stata utilizzata come riferimento per la massima velocità dell'aria raggiungibile, mentre allo stesso tempo veniva registrato il livello sonoro.

Risultato della misurazione velocità dell'aria vs. distanza dall'ostacolo all'ingresso

Distribuzione spettrale del livello di rumore

Il risultato della misurazione mostra che abbiamo bisogno di un intervallo di aspirazione di almeno 1,1mm per garantire che le prestazioni della ventola non diminuiscano di più del 10%. La distribuzione spettrale del rumore della ventola appare sorprendentemente simile per tutte le misurazioni effettuate. C'è una certa varianza nelle gamme di frequenza più alte, specialmente per le misurazioni a bassa distanza, il che è prevedibile. Le misurazioni effettuate con una distanza di più di 1mm mostrano solo piccolissime deviazioni nello spettro del rumore l'una dall'altra.

Simulazione del flusso d'aria

Le misurazioni precedenti ci hanno fornito importanti intuizioni che possono ora essere trasferite al modello CAD. La ventola dovrebbe essere integrata con una distanza di almeno 1,1mm tra l'ingresso della ventola e il modulo della tastiera montato sopra la ventola.

Con il corretto distanziatore di montaggio per la ventola radiale, la distanza tra il modulo della tastiera e la parte superiore della ventola è di circa 1,92mm. Da quel valore, bisogna sottrarre 0,5mm per un rinforzo e una pellicola isolante sotto la tastiera. Fortunatamente, la distanza è ancora maggiore di 1,1mm. Con il posizionamento preliminare della ventola nel sistema completato, può essere creato un modello di simulazione dalla geometria esistente.

Distanza tra l'ingresso della ventola e la parte inferiore del modulo della tastiera

L'obiettivo del modello di simulazione è fornire una caduta di pressione tra l'ingresso d'aria del laptop e lo scarico d'aria. Il pacchetto del dissipatore di calore e il filtro dell'aria creeranno la maggiore caduta di pressione nel percorso del flusso. Questi due aspetti devono ancora essere definiti e saranno presi in considerazione in una futura simulazione. Per ora, il nostro focus è solo sul profilo del flusso all'interno del laptop e sulla caduta di pressione associata.

La caduta di pressione del percorso d'aria interno sarà calcolata per diversi tassi di flusso volumetrico. Scansionando diversi tassi di flusso ci permette di creare una funzione della caduta di pressione rispetto al tasso di flusso volumetrico. L'intersezione tra questa funzione e la curva della ventola fornita dal datasheet della ventola ci dice il flusso d'aria volumetrico finale e quindi la velocità dell'aria generata dalla ventola nel sistema. La funzione della caduta di pressione del profilo di flusso deve essere compensata dalla funzione della caduta di pressione per il dissipatore di calore e il filtro dell'aria una volta che queste sono state calcolate.

Per preparare la simulazione, il modello CAD deve essere semplificato e il volume per il dominio di simulazione del fluido deve essere estratto. Nel primo passo, i componenti situati sulla scheda madre saranno sostituiti con modelli di bounding box. Questo riduce notevolmente la complessità della geometria così come la complessità della mesh di simulazione che sarà creata in seguito.

Componenti sulla scheda madre con geometria originale

Il bounding box è impostato in modo tale da seguire le grandi caratteristiche della geometria, ma include caratteristiche con un alto numero di vertici. Le caratteristiche piccole ma dettagliate non avranno un impatto significativo sul profilo di flusso e quindi possono essere escluse.

Bounding boxes avvolti attorno alle caratteristiche geometriche critiche all'interno del dominio di simulazione

Con la rappresentazione semplificata dei componenti in posizione, il volume d'aria all'interno del laptop può essere estratto con una semplice operazione di differenza booleana tra il case del laptop, la scheda madre con tutti i suoi componenti e il volume d'aria semplificato.

Volume d'aria che verrà utilizzato per la simulazione

Eseguendo la prima simulazione a un flusso volumetrico di 1m³/h si ottengono i seguenti risultati di velocità e distribuzione della pressione:

Risultati della prima simulazione

Questa simulazione ci fornisce due intuizioni molto importanti. Il primo risultato è la caduta di pressione media tra ingresso e uscita di 15 Pascal. Il secondo risultato si riferisce al punto blu scuro visibile nella mappa termica del campo di pressione. Questa area localizzata di pressione molto bassa è il centro di una corrente d'aria rotante—un piccolo vortice direttamente sopra l'ingresso del ventilatore. Questa rotazione si sviluppa perché la corrente d'aria che entra nel dominio ha un impulso perpendicolare all'asse del ventilatore. Man mano che l'aria si avvicina al ventilatore, accelera e forma un vortice rotante veloce a causa della conservazione della quantità di moto.

Come descritto nella sezione precedente, un flusso d'aria vorticoso all'ingresso di un ventilatore causa rumore aggiuntivo e riduce l'efficienza. Pertanto, dobbiamo trovare un modo per prevenire la formazione di un vortice. Questa sarà una sfida per un futuro aggiornamento.

Eseguendo una variazione attraverso la portata volumetrica, la simulazione rivela la seguente curva di caduta di pressione rispetto alla portata:

Caduta di pressione rispetto alla portata volumetrica del percorso d'aria interno del laptop

Il foglio dati del ventilatore attualmente in considerazione fornisce il seguente grafico pressione vs. portata volumetrica:

Foglio dati del ventilatore

Estraendo i valori X e Y della curva del ventilatore e posizionandoli nello stesso diagramma della caduta di pressione simulata ci mostra due funzioni che si intersecano. L'intersezione tra la curva del ventilatore e la curva della caduta di pressione simulata indica quale portata volumetrica e quale pressione si stabiliranno nell'unità. Tuttavia, ci mancano ancora due parametri critici della pinna; la caduta di pressione del dissipatore di calore e la caduta di pressione del filtro dell'aria. Con il flusso di lavoro stabilito sopra, aggiungere questi valori in seguito non sarà un problema.

Il flusso d'aria risultante per il sistema senza dissipatore di calore e filtro dell'aria dovrebbe essere approssimativamente 1,5m³/h a una caduta di pressione di 28 Pascal.

Curva della ventola vs. curva della caduta di pressione

Nei prossimi aggiornamenti del progetto, affineremo ulteriormente il concetto di flusso d'aria e approfondiremo l'uso di strumenti open-source per la simulazione del flusso e del trasferimento di calore. Progetteremo, assembleremo e testeremo anche i primi componenti del laptop.

C'è ancora molto da esplorare, quindi restate sintonizzati!