Faza koncepcyjna – Chłodzenie i przepływ powietrza Część 1

W tej części projektu laptopa open-source przyjrzymy się bliżej systemowi chłodzenia. Najpierw skupimy się na przepływie powietrza wewnątrz urządzenia i dowiemy się, co musimy wziąć pod uwagę, aby spełnić wymagania określone w poprzednim artykule.

Podczas fazy koncepcyjnej przyjrzeliśmy się kluczowym wymaganiom technicznym, które powinny zostać zaimplementowane w finalnym urządzeniu. Jednym z tych wymagań było, że powietrze nie może być zasysane od spodu urządzenia. Wiele, jeśli nie większość, laptopów na rynku robi właśnie to — i ma ku temu dobre powody. Zanim zagłębimy się w model CAD i zaczniemy pracować nad własnym projektem, spójrzmy na obecny stan i zobaczmy, czego możemy się nauczyć z sprawdzonego podejścia.

Przyjrzenie się Dell XPS 9500

Aby pokazać, jak zaimplementowano rozwiązanie chłodzące w nowoczesnym laptopie, przyjrzymy się Dell XPS 9500. Jest to urządzenie 15-calowe z procesorem i7-10750 i kartą graficzną NVIDIA GTX 1650 Ti, które może pobierać ponad 100 watów pod pełnym obciążeniem. Rozwiązanie chłodzące będzie więc znacznie większe niż w przypadku urządzenia 13-calowego, ale zasada działania pozostaje ta sama.

Na spodzie urządzenia widzimy dużą liczbę otworów wentylacyjnych. Siatka otworów wentylacyjnych rozciąga się na prawie całej długości dolnej pokrywy urządzenia.

Widok od spodu DELL XSP 9500

Usunięcie dolnej pokrywy ujawnia, że tylko niewielka część otworów wentylacyjnych jest faktycznie wykorzystywana przez wewnętrzne wentylatory. Około 50% otworów wentylacyjnych jest zamkniętych izolacyjną folią. W obszarach, gdzie powietrze może być aktywnie zasysane, nie ma przed wentylatorami żadnego filtra powietrza. Drobne filtry powietrza mogą mieć szczególnie wysoki opór przepływu. Dlatego interesujące jest, że system bez dodatkowego filtra po stronie niższego ciśnienia może działać przez okres trzech lat bez utraty wydajności z powodu zablokowanych żeberek chłodzących. Oczywiście, ten przykład nie jest całkowicie reprezentatywny, ponieważ liczba cząstek i rozmiar cząstek różnią się w zależności od miejsca.

Dolna pokrywa urządzenia

Maszyna używa dwóch wentylatorów promieniowych, z których każdy ma pakiet radiatora z żaluzjami umieszczony bezpośrednio przed wylotem wentylatora. Dwa pakiety radiatorów są połączone z głównym procesorem CPU i GPU za pomocą dwóch płaskich rurek cieplnych o średnicy 8 mm.

Nałożenie na siebie dwóch zdjęć dolnej pokrywy i układu komponentów pokazuje, jak rozwija się przepływ powietrza w systemie.

Przepływ powietrza w XPS 9500

Korzyści z tego układu to:

• Ścieżka przepływu jest jak najkrótsza, co minimalizuje spadek ciśnienia i umożliwia wyższą prędkość powietrza przez radiator;
• Powietrze nie jest zmuszane do przepływu nad płytą główną ani żadnym innym wewnętrznym komponentem, co sprawia, że gromadzenie się kurzu na elektronice jest mało prawdopodobne;
• Wlot chłodnego powietrza i wylot gorącego powietrza są szeroko rozstawione.

Wady tego układu to:

• Szczeliny wentylacyjne na dole są łatwo blokowane podczas używania laptopa na miękkiej powierzchni;
• Brak przepływu powietrza przez płytę główną oznacza, że wszystkie komponenty generujące ciepło potrzebują dużego rozpraszacza ciepła lub muszą być termicznie połączone z rozpraszaczem ciepła procesora CPU lub GPU.

Koncepcja przepływu powietrza w laptopie open-source

Korzyści z poprzedniego podejścia są bardzo dobrymi argumentami za umieszczeniem wlotu powietrza na dole urządzenia. Jednak powinny istnieć sposoby na przeniesienie wlotu powietrza na tył urządzenia lub na boki bez tworzenia niepotrzebnych wąskich gardeł.

Rozważyliśmy więc dwa podejścia do projektowania koncepcji chłodzenia:

W pierwszym podejściu powietrze jest zasysane po prawej stronie urządzenia, przepływa nad płytą główną i jest wypuszczane po lewej stronie laptopa. Pakiet radiatora znajduje się bezpośrednio między szczelinami wentylacyjnymi po lewej stronie laptopa a wentylatorem promieniowym.

Główną wadą tego podejścia jest konieczność umieszczenia płyty głównej na przedzie laptopa, pod panelem dotykowym. Pakiet baterii musiałby zostać umieszczony pod klawiaturą. Przesuwa to środek ciężkości laptopa do tyłu, co sprawia, że staje się on niestabilny podczas otwierania i używania z ekranem odchylonym do tyłu. W rezultacie później odrzuciliśmy to podejście.

Poniższa ilustracja pokazuje, jak rozwijałby się przepływ powietrza w pierwszym koncepcie. (Później przyjrzymy się, jak ustawić symulację w ten sposób, używając darmowych i otwartoźródłowych narzędzi.)

Ścieżka przepływu odrzuconego konceptu chłodzenia

Ponieważ przeniesienie baterii do tyłu nie wchodzi w grę, konieczne było zaprojektowanie nowego układu wewnętrznych komponentów. A ponieważ płyta główna znajduje się teraz pod klawiaturą, zassanie powietrza z boków nie jest już możliwe, ponieważ przestrzeń potrzebna na otwory wentylacyjne jest już zajęta przez interfejsy IO.

Jako alternatywne podejście, umieściliśmy zarówno wlot, jak i wylot powietrza na tylnej części laptopa. W ten sposób niemal cała długość laptopa może być wykorzystana jako otwory wentylacyjne, minimalizując opór przepływu. Jeśli wlot umieszczony jest blisko wylotu, należy uważać, aby nie zassać gorącego powietrza z powrotem do urządzenia.

Zaktualizowana ścieżka przepływu powietrza wygląda tak:

Zaktualizowana ścieżka przepływu powietrza

W tym podejściu duża część tylnej części urządzenia jest przeznaczona na wlot powietrza do chłodzenia. Ponieważ przekrój tego wlotu powietrza jest stosunkowo duży, możemy zamontować przed nim drobnoziarnisty filtr powietrza, nie powodując zbyt dużego spadku ciśnienia. Filtrowane powietrze chłodzące przepływa przez płytę główną i pozwala nam chłodzić komponenty takie jak dyski SSD, pamięć, moduły VRM i układy wspomagające. Ponieważ powietrze chłodzące jest filtrowane, zmniejszamy również ryzyko nagromadzenia się kurzu na płycie głównej. Dodatkową zaletą przepływu powietrza chłodzącego przez płytę główną jest to, że możemy zapobiec tworzeniu się kieszeni gorącego powietrza między klawiaturą a płytą główną. Powinno to skutecznie obniżyć temperaturę klawiatury przy intensywnym użytkowaniu.

Poniższa wizualizacja ilustruje nowe umiejscowienie płyty głównej pod modułem klawiatury:

Umiejscowienie płyty głównej pod modułem klawiatury

Przestrzeń dla wlotu powietrza wentylatora chłodzącego

Przy ustawieniu przepływu powietrza, jak pokazano powyżej, mamy ważne podejście do chłodzenia systemu. Teraz musimy zintegrować ten koncept w CAD i zweryfikować podejście za pomocą symulacji w początkowej iteracji.

Przed dopracowaniem modelu CAD, musimy zrozumieć ograniczenia dotyczące umiejscowienia wentylatora w systemie. Szczególną uwagę należy zwrócić na przestrzeń wokół wlotu powietrza wentylatora chłodzącego. Wlot powietrza wentylatora jest umieszczony bezpośrednio pod modułem klawiatury, zapewniając tylko małą szczelinę do zassania powietrza. Moglibyśmy zweryfikować spadek ciśnienia tej sekcji za pomocą symulacji. Jednak dodatkowe efekty aerodynamiczne wchodzą w grę, gdy przeszkody są umieszczone bardzo blisko wlotu wentylatora. Wentylatory osiowe są szczególnie podatne na blokady w ścieżce wlotowej. Chociaż wentylatory promieniowe są ogólnie bardziej odpowiednie do środowisk o wysokim oporze przepływu, suboptymalny przepływ powietrza blisko wlotu może mieć duży wpływ na wydajność.

Będziemy chcieli upewnić się, że przy wlocie wentylatora nie występują żadne wiry czy rotacyjne przepływy powietrza. Może to pogorszyć wydajność wentylatora i stworzyć dodatkowy hałas. Musimy również zapewnić, aby masa powietrza była równomiernie rozprowadzona przy wlocie wentylatora, tak aby każda część wirnika wentylatora doświadczała równomiernego różnicy ciśnień.

Rotacyjne przepływy przy wlocie wentylatora mogą być tworzone przez wpływ samego wirnika wentylatora, jeśli płaska przeszkoda jest umieszczona blisko wlotu. Niestety, to właśnie pozycja montażowa wentylatora używanego w przedstawionym koncepcie chłodzenia. Modelowanie tych rotacyjnych przepływów za pomocą symulacji jest bardzo trudne i wymaga dokładnej znajomości geometrii łopatek wentylatora. Ponieważ symulacja nie jest wykonalną opcją, będziemy musieli dokonać pomiarów wentylatora.

Uproszczony pomiar wentylatora

Celem jest określenie minimalnej odległości, jaką płaska przeszkoda musi zachować od wlotu wentylatora.

W eksperymentalnej konfiguracji prędkość powietrza wentylatora chłodzącego jest mierzona bez żadnych przeszkód na wlocie powietrza do wentylatora. Używana jest blokująca płyta, która jest przybliżana coraz bliżej do wlotu powietrza wentylatora, podczas gdy prędkość powietrza na wylocie wentylatora jest monitorowana. W ten sposób można ustalić funkcję prędkości wyjściowej powietrza w zależności od odległości blokady od wlotu wentylatora. Ta funkcja powinna nam powiedzieć, jaka jest minimalna odległość przeszkody od wlotu, bez zmniejszania wydajności wentylatora o więcej niż 10%.

Aby osiągnąć pożądany wynik, wymagana jest powtarzalna metoda mierzenia prędkości powietrza na wylocie wentylatora. Ponieważ nie mam dostępu do anemometru, który mógłby zmierzyć prędkość powietrza tak małego wyjścia wentylatora, będziemy musieli improwizować.

W tym celu użyjemy dwóch wentylatorów chłodzących połączonych ze sobą, z których tylko jeden jest aktywnie napędzany. Drugi wentylator jest napędzany przez przepływ powietrza generowany przez pierwszy wentylator, więc możemy wykorzystać sygnał tacho drugiego wentylatora do pomiaru prędkości obrotowej za pomocą licznika częstotliwości.

Próbując napędzać wentylator tylko przepływem powietrza dostarczanym przez zewnętrzne źródło, możemy szybko napotkać problem - szczególnie przy niskich prędkościach przepływu. Magnetyczny moment zaczepienia silnika wentylatora powoduje, że wentylator obraca się tylko przy wysokich prędkościach przepływu.

Aby tego uniknąć, drugi wentylator musi zostać zmodyfikowany przez usunięcie stojana, pozostawiając płytkę drukowaną z czujnikiem Halla dla sygnału tachometru nienaruszoną. Oto jak to zrobiliśmy:

• Następnie, używając układu magnesów, możemy wypchnąć wirnik z jego łożyska MagFix:

• W końcu jesteśmy w stanie usunąć silnik wentylatora bez uszkadzania płytki kontrolera PCB:

Po ponownym złożeniu wentylatora z tymi modyfikacjami, może on teraz być używany do wskazywania przepływów powietrza o bardzo niskiej prędkości. Wykorzystując wyjście tacho, prędkość obrotowa może być dokładnie określona. Wentylator generuje dwa impulsy na obrót.

Aby przeprowadzić powtarzalne i niezawodne pomiary, konieczny jest solidny projekt mechaniczny. Prosty uchwyt wydrukowany w technologii 3D służy do zabezpieczenia dwóch wentylatorów na miejscu, jednocześnie zapewniając przewodnik powietrza od urządzenia testowego do wentylatora pomiarowego.

Uchwyt testowy wydrukowany w 3D

Uchwyt testowy wydrukowany w 3D po zainstalowaniu wentylatora testowego i pomiarowego

Wyniki uproszczonych pomiarów wentylatorów

Korzystając z opisanego powyżej zestawu pomiarowego, przed wlotem DUT umieszczono blokującą płytę. Odległość między blokującą płytą a wlotem powietrza wentylatora wahała się od 0mm do 2mm co 0,1mm. Jako odniesienie dla maksymalnej osiągalnej prędkości powietrza, użyto testu przeprowadzonego bez obecności blokującej płyty, jednocześnie rejestrując poziom dźwięku.

Wynik pomiaru prędkości powietrza w zależności od odległości do przeszkody przy wlocie

Rozkład spektralny poziomu hałasu

Wynik pomiaru pokazuje, że potrzebujemy przynajmniej 1,1mm szczeliny wlotowej, aby zapewnić, że wydajność wentylatora nie spadnie o więcej niż 10%. Spektralny rozkład hałasu wentylatora wygląda zaskakująco podobnie dla wszystkich serii pomiarów. Istnieje pewna zmienność w wyższych zakresach częstotliwości, szczególnie przy pomiarach z małą odległością – co jest do oczekiwania. Seria pomiarów z odległością większą niż 1mm pokazuje tylko bardzo małe odchylenia w spektrum hałasu od siebie.

Symulacja przepływu powietrza

Poprzednie pomiary dostarczyły nam ważnych wniosków, które teraz mogą zostać przeniesione do modelu CAD. Wentylator powinien być zintegrowany z odległością co najmniej 1,1mm między wlotem wentylatora a zamontowanym nad nim modułem klawiatury.

Z odpowiednim dystansem montażowym dla wentylatora promieniowego, odstęp między modułem klawiatury a górną stroną wentylatora wynosi około 1,92mm. Od tej wartości należy odjąć 0,5mm na usztywniacz i folię izolacyjną pod klawiaturą. Na szczęście odległość jest nadal większa niż 1,1mm. Z preliminarnym umieszczeniem wentylatora w systemie, można stworzyć model symulacyjny z istniejącej geometrii.

Odległość między wlotem wentylatora a spodem modułu klawiatury

Celem modelu symulacyjnego jest zapewnienie spadku ciśnienia między wlotem powietrza do laptopa a wylotem powietrza. Największy spadek ciśnienia na ścieżce przepływu stworzą pakiet radiatora i filtr powietrza. Te dwa aspekty nie zostały jeszcze zdefiniowane i zostaną uwzględnione w przyszłej symulacji. Na razie nasze skupiamy się tylko na profilu przepływu wewnątrz laptopa i związanym z nim spadku ciśnienia.

Spadek ciśnienia wewnętrznej ścieżki powietrza zostanie obliczony dla kilku objętościowych przepływów. Przesuwanie się przez kilka przepływów pozwala nam stworzyć funkcję spadku ciśnienia w stosunku do objętościowego przepływu. Punkt przecięcia tej funkcji z krzywą wentylatora podaną w karcie katalogowej wentylatora informuje nas o końcowym objętościowym przepływie powietrza, a więc i prędkości powietrza generowanej przez wentylator w systemie. Funkcja spadku ciśnienia profilu przepływu musi być skompensowana przez funkcję spadku ciśnienia dla pakietu radiatora i filtra powietrza, gdy zostaną one obliczone.

Aby przygotować symulację, model CAD musi zostać uproszczony, a objętość dla domeny symulacji płynów musi zostać wyodrębniona. W pierwszym kroku komponenty znajdujące się na płycie głównej zostaną zastąpione modelami ograniczającymi. Znacznie to redukuje złożoność geometrii, jak również złożoność siatki symulacji, która zostanie później utworzona.

Komponenty na płycie głównej z oryginalną geometrią

Prostokąt ograniczający jest ustawiony w taki sposób, że śledzi duże cechy geometrii, ale obejmuje cechy o wysokiej liczbie wierzchołków. Małe, ale szczegółowe cechy nie będą miały znaczącego wpływu na profil przepływu i dlatego mogą zostać pominięte.

Prostokąty ograniczające otaczające kluczowe cechy geometrii w obszarze symulacji

Z uproszczoną reprezentacją komponentów, objętość powietrza wewnątrz laptopa może być wyodrębniona za pomocą prostej operacji różnicy boolowskiej między obudową laptopa, płytą główną ze wszystkimi jej komponentami, a uproszczoną objętością powietrza.

Objętość powietrza, która będzie używana do symulacji

Przeprowadzenie pierwszej symulacji przy objętościowym przepływie 1m³/h dostarcza następujący rozkład prędkości i ciśnienia:

Wyniki pierwszej symulacji

Ta symulacja dostarcza nam dwóch bardzo ważnych wniosków. Pierwszy wynik to średni spadek ciśnienia między wlotem a wylotem wynoszący 15 paskali. Drugi wynik odnosi się do ciemnoniebieskiej kropki widocznej na mapie cieplnej pola ciśnienia. Ta zlokalizowana strefa bardzo niskiego ciśnienia jest centrum obracającego się prądu powietrza - małego wiru bezpośrednio nad wlotem wentylatora. Ta rotacja rozwija się, ponieważ prąd powietrza wchodzący do domeny ma impuls prostopadły do osi wentylatora. Gdy powietrze zbliża się do wentylatora, przyspiesza i tworzy szybko obracający się wir ze względu na zachowanie pędu.

Jak opisano w poprzedniej sekcji, wirujący przepływ powietrza na wlocie wentylatora powoduje dodatkowy hałas i obniża efektywność. Dlatego musimy znaleźć sposób, aby zapobiec tworzeniu się wiru. To będzie wyzwanie na przyszłą aktualizację.

Przeprowadzając analizę w zakresie objętościowego przepływu powietrza, symulacja ujawnia następującą krzywą spadku ciśnienia w stosunku do przepływu:

Spadek ciśnienia w stosunku do objętościowego przepływu powietrza wewnętrznej ścieżki powietrznej laptopa

Karta danych wentylatora, który jest obecnie rozpatrywany, dostarcza następujący wykres ciśnienia w stosunku do objętościowego przepływu powietrza:

Karta danych wentylatora

Wyodrębniając wartości X i Y krzywej wentylatora i umieszczając je na tym samym diagramie co symulowany spadek ciśnienia, widzimy dwie przecinające się funkcje. Punkt przecięcia krzywej wentylatora z krzywą symulowanego spadku ciśnienia wskazuje, jaki objętościowy przepływ powietrza i jakie ciśnienie zostanie ustalone w jednostce. Jednakże wciąż brakuje nam dwóch krytycznych parametrów radiatora; spadek ciśnienia radiatora i spadek ciśnienia filtra powietrza. Z ustanowionym powyżej przepływem pracy, dodanie tych wartości później nie będzie problemem.

Wynikowy przepływ powietrza dla systemu bez radiatora i filtra powietrza powinien wynosić około 1,5m³/h przy spadku ciśnienia 28 paskali.

Krzywa wentylatora vs. krzywa spadku ciśnienia

W nadchodzących aktualizacjach projektu będziemy dalej doskonalić koncepcję przepływu powietrza i zagłębiać się w używanie narzędzi open-source do symulacji przepływu i wymiany ciepła. Zamierzamy również zaprojektować, zmontować i przetestować pierwsze komponenty laptopa.

Jest jeszcze wiele do odkrycia, więc bądźcie z nami!