Фаза концепции – Охлаждение и воздушный поток Часть 1

В этом выпуске проекта открытого ноутбука мы подробнее рассмотрим систему охлаждения. Сначала мы сосредоточимся на потоке воздуха внутри устройства и выясним, что нам нужно учитывать, чтобы соответствовать требованиям, определенным в предыдущей статье.

На этапе концепции мы рассмотрели ключевые технические требования, которые должны быть реализованы в финальном устройстве. Одним из этих требований было то, что воздух не может засасываться с нижней стороны устройства. Многие, если не большинство, ноутбуки на рынке делают именно это — и по веским причинам. Прежде чем мы погрузимся в CAD-модель и начнем работать над собственным дизайном, давайте взглянем на существующее положение вещей и посмотрим, что мы можем извлечь из проверенного подхода.

Взгляд на Dell XPS 9500

Чтобы показать, как реализована система охлаждения в современном ноутбуке, мы рассмотрим Dell XPS 9500. Это 15-дюймовое устройство с процессором i7-10750 и графическим процессором NVIDIA GTX 1650 Ti, которое может потреблять более 100 ватт в режиме полной нагрузки. Следовательно, система охлаждения будет гораздо больше, чем у 13-дюймового устройства, но принцип работы остается тем же.

На нижней стороне устройства мы видим большое количество воздухозаборных отверстий. Решетка вентиляционных отверстий простирается почти на всю длину нижней крышки устройства.

Нижний вид на DELL XSP 9500

После снятия нижней крышки видно, что только небольшая часть вентиляционных отверстий действительно используется внутренними вентиляторами. Примерно 50% воздуховодов закрыты изоляционной пленкой. В тех местах, где воздух может активно засасываться, перед вентиляторами нет воздушного фильтра. Тонкие сетчатые воздушные фильтры могут иметь особенно высокое сопротивление потоку. Поэтому интересно, что система без дополнительного фильтра на стороне низкого давления может функционировать более трех лет без потери производительности из-за заблокированных охлаждающих ребер. Конечно, этот пример не совсем репрезентативен, поскольку количество частиц и размер частиц варьируются в зависимости от места.

Нижняя крышка устройства

Устройство использует два радиальных вентилятора, каждый из которых оснащен пакетом теплообменника с ребрами на молнии, расположенным непосредственно перед выходом вентилятора. Два пакета теплообменника соединены с основным процессором (CPU) и графическим процессором (GPU) с помощью двух плоских тепловых трубок диаметром 8 мм.

Наложение двух изображений нижней крышки и расположения компонентов показывает, как развивается поток воздуха внутри системы.

Поток воздуха внутри XPS 9500

Преимущества этой конструкции:

• Путь потока воздуха максимально короткий, что минимизирует падение давления и позволяет достигать высокой скорости воздуха через теплообменник;
• Воздух не проходит через основную плату или любой другой внутренний компонент, что делает маловероятным накопление пыли на электронике;
• Вход для прохладного воздуха и выход горячего воздуха расположены далеко друг от друга.

Недостатки этой конструкции:

• Вентиляционные отверстия на дне легко блокируются при использовании ноутбука на мягкой поверхности;
• Отсутствие потока воздуха через основную плату означает, что все компоненты, генерирующие тепло, нуждаются в большом теплораспределителе или должны быть термически связаны с теплораспределителем CPU или GPU.

Концепция потока воздуха открытого ноутбука

Преимущества предыдущего подхода являются очень хорошими аргументами для размещения входа воздуха на дне устройства. Однако должны быть способы переместить вход воздуха либо на заднюю часть устройства, либо на боковые стороны без создания ненужных узких мест.

Таким образом, мы рассмотрели два подхода к концепции охлаждения:

При первом подходе воздух засасывается с правой стороны устройства, проходит через основную плату и выходит с левой стороны ноутбука. Пакет теплообменника расположен непосредственно между вентиляционными отверстиями на левой стороне ноутбука и радиальным вентилятором.

Основным недостатком этого подхода является необходимость размещения основной платы в передней части ноутбука, под тачпадом. Батарея должна быть расположена под клавиатурой. Это смещает центр масс ноутбука назад, что делает его нестабильным при открытии и использовании с максимально откинутым экраном. В результате мы позже отказались от этого подхода.

На следующем рисунке показано, как бы развивался поток воздуха в первом концепте. (Позже мы рассмотрим, как настроить такую симуляцию с использованием бесплатных и открытых инструментов.)

Путь потока отвергнутого концепта охлаждения

Поскольку перемещение батареи в заднюю часть невозможно, потребовалось разработать новую компоновку внутренних компонентов. И поскольку теперь основная плата расположена под клавиатурой, забор воздуха с боков больше не является вариантом, так как пространство, необходимое для вентиляционных отверстий, уже занято интерфейсами ввода-вывода.

В качестве альтернативного подхода, мы разместили и вход, и выход воздуха на задней стороне ноутбука. Таким образом, почти вся длина ноутбука может быть использована как вентиляционные отверстия, минимизируя сопротивление потока. Если вход расположен рядом с выходом, необходимо быть осторожным, чтобы не затягивать горячий воздух обратно в машину.

Обновленный путь потока воздуха выглядит так:

Обновленный путь потока воздуха

С этим подходом большая часть задней стороны устройства отведена под вход охлаждающего воздуха. Поскольку площадь сечения этого входа относительно велика, мы можем установить перед ним тонкий сетчатый воздушный фильтр, не вызывая существенного падения давления. Охлажденный и очищенный воздух проходит через основную плату и позволяет охлаждать компоненты, такие как SSD, память, VRM и вспомогательные схемы. И поскольку охлаждающий воздух фильтруется, мы также снижаем риск накопления пыли на основной плате. Дополнительным преимуществом прокачки охлаждающего воздуха через основную плату является то, что мы можем предотвратить образование карманов горячего воздуха между клавиатурой и основной платой. Это должно эффективно снизить температуру клавиатуры при интенсивном использовании.

Следующая визуализация иллюстрирует новое расположение основной платы под модулем клавиатуры:

Расположение основной платы под модулем клавиатуры

Пространство для воздухозаборника вентилятора охлаждения

С установленным потоком воздуха, как показано выше, у нас есть действенный подход к охлаждению системы. Теперь нам нужно интегрировать эту концепцию в CAD и проверить подход с помощью симуляций на начальном этапе.

Прежде чем уточнять модель CAD, нам необходимо понять ограничения, связанные с размещением вентилятора в системе. Особое внимание следует уделить пространству вокруг воздухозаборника вентилятора охлаждения. Воздухозаборник вентилятора расположен непосредственно под модулем клавиатуры, обеспечивая лишь небольшой зазор для забора воздуха. Мы могли бы проверить падение давления в этом участке с помощью симуляций. Однако, при размещении препятствий очень близко к воздухозаборнику вентилятора в игру вступают дополнительные аэродинамические эффекты. Осевые вентиляторы особенно чувствительны к блокировкам на пути воздухозабора. В то время как центробежные вентиляторы в целом лучше подходят для сред с высоким сопротивлением потоку, подоптимальный поток воздуха вблизи воздухозаборника может сильно повлиять на производительность.

Мы хотим убедиться, что на входе вентилятора не возникает вихревых или вращающихся потоков. Это может снизить производительность вентилятора и создать дополнительный шум. Также необходимо обеспечить равномерное распределение массового потока на входе в вентилятор, чтобы каждая часть ротора вентилятора испытывала равномерное различие давлений.

Вращающиеся потоки на входе вентилятора могут быть созданы под влиянием самого ротора вентилятора, если плоское препятствие расположено близко к воздухозаборнику. К сожалению, это именно та позиция крепления вентилятора, которая используется в описанной концепции охлаждения. Моделирование этих вращающихся потоков с помощью симуляций очень сложно и требует точного знания геометрии лопастей вентилятора. Поскольку симуляция не является осуществимым вариантом, нам придется провести измерения вентилятора.

Упрощенное измерение вентилятора

Цель состоит в том, чтобы определить минимальное расстояние, которое плоское препятствие должно находиться от воздухозаборника вентилятора.

В экспериментальной установке измеряется скорость воздуха от вентилятора охлаждения без каких-либо препятствий на входе вентилятора. Используется блокирующая плата, которая подносится всё ближе и ближе к входу воздуха вентилятора, в то время как скорость воздуха на выходе из вентилятора отслеживается. Таким образом, может быть установлена функция скорости выходного воздуха в зависимости от расстояния блокировки до входа вентилятора. Эта функция должна указать нам, каково минимальное расстояние препятствия до входа, чтобы не снизить производительность вентилятора более чем на 10%.

Для достижения желаемого результата требуется повторяемый метод измерения скорости воздуха на выходе вентилятора. Поскольку у меня нет доступа к анемометру, который может измерить скорость воздуха такого маленького выхода вентилятора, нам придется импровизировать.

Для этого мы будем использовать два вентилятора охлаждения, соединенных вместе, с одним активно приводимым вентилятором. Второй вентилятор приводится в действие потоком воздуха, создаваемым первым вентилятором, так что мы можем использовать тахо-сигнал второго вентилятора для измерения скорости ротора с помощью частотомера.

При попытке привести в действие вентилятор только потоком воздуха от внешнего источника, мы можем быстро столкнуться с проблемой, особенно при низких скоростях потока. Магнитный крутящий момент двигателя вентилятора заставляет вентилятор вращаться только при высоких скоростях потока.

Чтобы избежать этого, второй вентилятор должен быть модифицирован путем удаления статора, оставив плату управления с датчиком Холла для тахометрического сигнала нетронутой. Вот как мы это сделали:

• Затем, используя систему магнитов, мы можем вытолкнуть ротор из его подшипника MagFix:

• Наконец, мы можем удалить двигатель вентилятора без повреждения контроллерной печатной платы:

После сборки вентилятора с этими модификациями он теперь может использоваться для индикации очень низких скоростей воздушного потока. Используя тахо-выход, скорость вращения может быть точно измерена. Вентилятор выдает два импульса на оборот.

Для проведения повторяемых и надежных измерений необходима звуковая механическая конструкция. Простое крепление, напечатанное на 3D-принтере, используется для фиксации двух вентиляторов на месте, обеспечивая направляющую для воздуха от испытательного устройства к вентилятору измерения.

Крепление, напечатанное на 3D-принтере

Крепление, напечатанное на 3D-принтере, после установки испытательного и измерительного вентилятора

Результаты упрощенных измерений вентилятора

Используя описанную выше установку для измерений, перед входом в испытуемое устройство (DUT) была установлена блокирующая плита. Расстояние между блокирующей плитой и воздухозаборником вентилятора варьировалось от 0 мм до 2 мм с шагом 0,1 мм. Для сравнения максимально достижимой скорости воздуха использовался тестовый запуск без блокирующей плиты, при этом также записывался уровень звука.

Результат измерения скорости воздуха в зависимости от расстояния до препятствия на входе

Спектральное распределение уровня шума

Результат измерения показывает, что нам необходим зазор на входе не менее 1,1 мм, чтобы производительность вентилятора не снижалась более чем на 10%. Спектральное распределение шума вентилятора выглядит удивительно похожим для всех серий измерений. Есть некоторые отклонения в области высоких частот, особенно при измерениях на малом расстоянии, что и следовало ожидать. Серии измерений с расстоянием более 1 мм показывают только очень небольшие отклонения в спектре шума друг от друга.

Симуляция потока воздуха

Предыдущие измерения предоставили нам важные данные, которые теперь можно перенести на CAD-модель. Вентилятор следует интегрировать с зазором не менее 1,1 мм между входом вентилятора и установленным над ним модулем клавиатуры.

С правильным распорным элементом для радиального вентилятора зазор между модулем клавиатуры и верхней стороной вентилятора составляет примерно 1,92 мм. Из этого значения необходимо вычесть 0,5 мм для уплотнителя и изоляционной пленки под клавиатурой. К счастью, расстояние все еще больше 1,1 мм. С предварительным размещением вентилятора в системе можно создать модель симуляции из существующей геометрии.

Расстояние между входом вентилятора и нижней стороной модуля клавиатуры

Цель модели симуляции - обеспечить падение давления между воздухозаборником ноутбука и выходом воздуха. Наибольшее падение давления в пути потока создадут пакет теплообменника и воздушный фильтр. Эти два аспекта еще предстоит определить и будут учтены в будущей симуляции. На данный момент наш фокус направлен только на профиль потока внутри ноутбука и связанное с ним падение давления.

Падение давления внутреннего воздушного пути будет рассчитано для нескольких объемных расходов. Проходя через несколько расходов, мы можем создать функцию падения давления в зависимости от объемного расхода. Точка пересечения этой функции с кривой вентилятора, указанной в техническом описании вентилятора, сообщает нам о конечном объемном воздушном потоке и, следовательно, о скорости воздуха, создаваемой вентилятором в системе. Функция падения давления профиля потока должна быть скорректирована функцией падения давления для пакета теплообменника и воздушного фильтра после их расчета.

Для подготовки симуляции CAD-модель необходимо упростить, и объем для домена симуляции жидкости необходимо извлечь. На первом этапе компоненты, расположенные на основной плате, будут заменены моделями ограничивающих рамок. Это значительно уменьшает сложность геометрии, а также сложность сетки симуляции, которая будет создана позже.

Компоненты на основной плате с оригинальной геометрией

Ограничивающий прямоугольник настроен таким образом, что он следует за крупными элементами геометрии, но охватывает элементы с высоким количеством вершин. Мелкие, но детализированные элементы не будут иметь значительного влияния на профиль потока и, следовательно, могут быть исключены.

Ограничивающие прямоугольники, охватывающие критические элементы геометрии в пределах области симуляции

С упрощенным представлением компонентов на месте, объем воздуха внутри ноутбука может быть извлечен с помощью простой булевой операции разности между корпусом ноутбука, основной платой со всеми ее компонентами и упрощенным объемом воздуха.

Объем воздуха, который будет использоваться для симуляции

Проведение первой симуляции при объемном расходе 1м³/ч дает следующее распределение скорости и давления:

Результаты первой симуляции

Эта симуляция предоставляет нам два очень важных вывода. Первый результат - среднее падение давления между входом и выходом в 15 паскалей. Второй результат относится к темно-синей точке, видимой на тепловой карте поля давления. Эта локализованная область очень низкого давления является центром вращающегося воздушного потока — маленького вихря прямо над входом вентилятора. Это вращение развивается, потому что воздушный поток, входящий в область, имеет импульс, перпендикулярный оси вентилятора. По мере приближения воздуха к вентилятору его скорость увеличивается, и он формирует быстро вращающийся вихрь из-за сохранения момента импульса.

Как описано в предыдущем разделе, вихревой воздушный поток на входе вентилятора вызывает дополнительный шум и снижает эффективность. Поэтому нам нужно найти способ предотвратить формирование вихря. Это будет вызовом для будущего обновления.

Выполняя сканирование по объемному расходу, симуляция показывает следующую кривую падения давления в зависимости от расхода:

Падение давления в зависимости от объемного расхода внутреннего воздушного пути ноутбука

Технический лист вентилятора, который мы в настоящее время рассматриваем, предоставляет следующий график давления в зависимости от объемного расхода:

Технический лист вентилятора

Извлекая значения X и Y кривой вентилятора и размещая их на том же диаграмме, что и симулированное падение давления, мы видим две пересекающиеся функции. Точка пересечения кривой вентилятора и симулированной кривой падения давления указывает, какой объемный расход и какое давление будут установлены в устройстве. Однако нам все еще не хватает двух критических параметров радиатора; падение давления в радиаторе и падение давления в воздушном фильтре. С установленным выше рабочим процессом, добавление этих значений позже не будет проблемой.

Результирующий воздушный поток для системы без радиатора и воздушного фильтра должен быть примерно 1.5м³/ч при падении давления в 28 паскалей.

Кривая вентилятора против кривой падения давления

В предстоящих обновлениях проекта мы дополнительно уточним концепцию воздушного потока и углубимся в использование открытых инструментов для симуляции потока и теплопередачи. Мы также собираемся спроектировать, собрать и протестировать первые компоненты ноутбука.

Предстоит еще многое исследовать, так что оставайтесь с нами!