Giai đoạn Khái niệm – Làm mát và Lưu lượng Khí Phần 1

Trong phần này của dự án laptop mã nguồn mở, chúng ta sẽ xem xét kỹ lưỡng hơn về hệ thống làm mát. Đầu tiên, chúng ta sẽ tập trung vào luồng không khí bên trong thiết bị và tìm hiểu những gì cần xem xét để đáp ứng các yêu cầu được định nghĩa trong bài viết trước.

Trong giai đoạn khái niệm, chúng ta đã xem xét các yêu cầu kỹ thuật chính mà nên được triển khai trong đơn vị cuối cùng. Một trong những yêu cầu đó là không khí không được hút vào từ phía dưới của thiết bị. Nhiều, nếu không muốn nói là hầu hết, laptop trên thị trường đều làm như vậy—và có lý do chính đáng. Trước khi chúng ta nhảy vào mô hình CAD và bắt đầu làm việc trên thiết kế của riêng mình, hãy xem xét tình hình hiện tại và xem chúng ta có thể học hỏi được gì từ cách tiếp cận đã được chứng minh.

Nhìn vào Dell XPS 9500

Để cho thấy cách một giải pháp làm mát được triển khai trong một laptop hiện đại, chúng ta sẽ xem xét Dell XPS 9500. Đây là một thiết bị 15 inch với bộ xử lý i7-10750 và GPU NVIDIA GTX 1650 Ti, có thể tiêu thụ hơn 100 watt dưới tải đầy đủ. Vì vậy, giải pháp làm mát sẽ lớn hơn nhiều so với một thiết bị 13 inch, nhưng nguyên tắc hoạt động vẫn giống nhau.

Ở phía dưới của thiết bị, chúng ta thấy một số lượng lớn khe hút không khí. Mảng khe thông hơi mở rộng gần như toàn bộ chiều dài của nắp đáy thiết bị.

Góc nhìn dưới của DELL XSP 9500

Khi tháo nắp đáy, chúng ta thấy rằng chỉ một phần nhỏ của các khe thông hơi thực sự được sử dụng bởi quạt bên trong. Khoảng 50% các lỗ thông hơi được đóng lại bằng một lớp phim cách nhiệt. Trong các khu vực có thể hút không khí một cách tích cực, không có bộ lọc không khí nào được đặt trước quạt. Bộ lọc không khí lưới mịn có thể có sức cản dòng chảy đặc biệt cao. Đó là lý do tại sao hệ thống không có bộ lọc bổ sung ở phía dưới áp suất có thể quản lý hơn ba năm sử dụng mà không mất hiệu suất do tắc nghẽn cánh tản nhiệt. Tất nhiên, ví dụ này không hoàn toàn đại diện vì số lượng hạt và kích thước hạt thay đổi từ nơi này sang nơi khác.

Nắp dưới của thiết bị

Máy sử dụng hai quạt ly tâm, mỗi quạt có một gói tản nhiệt dạng lưới zip đặt ngay trước lối ra của quạt. Hai gói tản nhiệt này được kết nối với CPU và GPU chính thông qua hai ống dẫn nhiệt phẳng 8mm.

Việc chồng lên nhau hai hình ảnh của nắp dưới và sắp xếp linh kiện cho thấy luồng không khí phát triển trong hệ thống như thế nào.

Luồng không khí bên trong XPS 9500

Những lợi ích của sắp xếp này là:

• Đường đi của luồng không khí càng ngắn càng tốt, giảm thiểu sự giảm áp suất và cho phép tốc độ không khí cao hơn qua tản nhiệt;
• Không khí không bị ép qua mainboard hoặc bất kỳ linh kiện nội bộ nào khác làm giảm khả năng tích tụ bụi trên thiết bị điện tử;
• Lỗ hút không khí lạnh và lối thoát không khí nóng được đặt cách xa nhau.

Nhược điểm của sắp xếp này là:

• Khe thông hơi ở dưới dễ bị chặn khi sử dụng laptop trên bề mặt mềm;
• Việc không có luồng không khí qua mainboard có nghĩa là tất cả các linh kiện phát nhiệt cần có tấm phân tán nhiệt lớn, hoặc cần được kết nối nhiệt với tấm phân tán nhiệt của CPU hoặc GPU.

Khái niệm luồng không khí của laptop mã nguồn mở

Những lợi ích của phương pháp trước đây là những lập luận rất tốt cho việc đặt lỗ hút không khí ở dưới thiết bị. Tuy nhiên, nên có cách để di chuyển lỗ hút không khí sang phía sau thiết bị hoặc sang các bên mà không tạo ra các điểm nghẽn không cần thiết.

Vì vậy, chúng tôi đã xem xét hai phương pháp cho thiết kế khái niệm làm mát:

Với phương pháp đầu tiên, không khí được hút vào ở phía bên phải của thiết bị, đi qua mainboard, và được thải ra ở phía bên trái của laptop. Gói tản nhiệt được đặt trực tiếp giữa các khe thông hơi ở phía bên trái của laptop và quạt ly tâm.

Nhược điểm lớn của cách tiếp cận này là bo mạch chính cần được đặt ở phía trước của laptop, dưới bàn di chuột. Gói pin sẽ phải được đặt dưới bàn phím. Điều này làm cho trọng tâm của laptop chuyển về phía sau, khiến nó không ổn định khi mở và sử dụng với màn hình gập lại hoàn toàn. Chúng tôi đã loại bỏ cách tiếp cận này sau đó.

Hình minh họa sau đây cho thấy luồng không khí sẽ phát triển như thế nào trong ý tưởng đầu tiên. (Chúng ta sẽ xem cách thiết lập một mô phỏng như thế này sử dụng các công cụ miễn phí và mã nguồn mở sau.)

Đường đi của luồng không khí trong ý tưởng làm mát bị loại bỏ

Vì việc di chuyển pin ra phía sau không khả thi, một sắp xếp mới của các linh kiện bên trong phải được thiết kế. Và bởi vì bo mạch chính giờ đây được đặt dưới bàn phím, việc hút không khí từ các bên không còn là một lựa chọn nữa vì không gian cần thiết cho các lỗ thông hơi đã bị chiếm dụng bởi các giao diện IO.

Như một cách tiếp cận thay thế, chúng tôi đặt cả lỗ hút và lỗ thoát không khí ở phía sau của laptop. Như vậy, gần như toàn bộ chiều dài của laptop có thể được sử dụng làm lỗ thông hơi giảm thiểu sức cản dòng chảy. Nếu lỗ hút được đặt gần lỗ thoát, bạn phải cẩn thận để không hút không khí nóng trở lại vào máy.

Đường đi của luồng không khí được cập nhật như sau:

Đường đi của luồng không khí được cập nhật

Với cách tiếp cận này, một phần lớn ở phía sau thiết bị được dành riêng cho lỗ hút không khí làm mát. Vì diện tích mặt cắt của lỗ hút không khí này tương đối lớn, chúng tôi có thể lắp một bộ lọc không khí mịn trước lỗ hút mà không gây ra quá nhiều sự sụt áp. Không khí làm mát được lọc qua bo mạch chính và cho phép chúng tôi làm mát các linh kiện như SSD, bộ nhớ, VRMs và mạch hỗ trợ. Và bởi vì không khí làm mát được lọc, chúng tôi cũng giảm nguy cơ bụi tích tụ trên bo mạch chính. Một lợi ích thêm khi hút không khí làm mát qua bo mạch chính là chúng tôi có thể đảm bảo không có túi không khí nóng hình thành giữa bàn phím và bo mạch chính. Điều này nên giảm hiệu quả nhiệt độ của bàn phím dưới tải nặng.

Hình dưới đây minh họa vị trí mới của bo mạch chính dưới mô-đun bàn phím:

Vị trí của bo mạch chính dưới mô-đun bàn phím

Khoảng cách hút của quạt làm mát

Với luồng không khí được thiết lập như hình minh họa trên, chúng ta có một phương pháp tiếp cận hợp lệ để làm mát hệ thống. Bây giờ, chúng ta cần tích hợp khái niệm này vào CAD và xác minh phương pháp sử dụng mô phỏng trong lần lặp đầu tiên.

Trước khi tinh chỉnh mô hình CAD, chúng ta cần hiểu rõ các ràng buộc xung quanh việc đặt quạt trong hệ thống. Cần phải chú ý đặc biệt đến khoảng trống xung quanh lỗ hút của quạt làm mát. Lỗ hút không khí của quạt được đặt trực tiếp dưới mô-đun bàn phím, chỉ cung cấp một khoảng trống nhỏ để hút không khí vào. Chúng ta có thể xác minh sự giảm áp của phần đó bằng cách sử dụng mô phỏng. Tuy nhiên, các hiệu ứng khí động học bổ sung xuất hiện khi đặt các vật cản rất gần lỗ hút của quạt. Quạt trục đặc biệt nhạy cảm với sự tắc nghẽn trong đường dẫn hút. Trong khi quạt ly tâm thường phù hợp hơn với môi trường có kháng lưu lượng cao, một dòng khí không tối ưu gần lỗ hút có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.

Chúng ta sẽ muốn đảm bảo rằng không có dòng xoáy hoặc dòng chảy quay xảy ra tại lỗ hút của quạt. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của quạt và tạo ra tiếng ồn bổ sung. Chúng ta cũng cần đảm bảo rằng một dòng khối lượng phân bố đều vào quạt để mỗi phần của cánh quạt trải nghiệm một sự chênh lệch áp suất đều.

Dòng chảy quay tại lỗ hút của quạt có thể được tạo ra bởi ảnh hưởng của chính cánh quạt nếu một vật cản phẳng được đặt gần lỗ hút. Thật không may, đây chính xác là vị trí lắp đặt của quạt được sử dụng trong khái niệm làm mát được trình bày. Mô hình hóa các dòng chảy quay này bằng cách sử dụng mô phỏng là rất khó khăn và đòi hỏi kiến thức chính xác về hình dạng cánh quạt. Vì mô phỏng không phải là một lựa chọn khả thi, chúng ta sẽ phải tiến hành đo lường quạt.

Đo lường quạt đơn giản

Mục tiêu là xác định khoảng cách tối thiểu mà một vật cản phẳng phải được giữ cách xa lỗ hút của quạt.

Trong bố cục thí nghiệm, vận tốc không khí của quạt làm mát được đo mà không có bất kỳ vật cản nào ở cửa vào của quạt. Một tấm chắn được sử dụng, được đưa lại gần và gần hơn vào cửa vào không khí của quạt trong khi vận tốc không khí tại cửa ra của quạt được giám sát. Như vậy, một hàm số của vận tốc không khí ra so với khoảng cách của vật cản đến cửa vào quạt có thể được xác định. Hàm số này nên cho chúng ta biết khoảng cách tối thiểu của vật cản đến cửa vào nên là bao nhiêu mà không làm giảm hiệu suất của quạt hơn 10%.

Để đạt được kết quả mong muốn, một phương pháp đo vận tốc không khí lặp lại tại cửa ra quạt là cần thiết. Vì tôi không có quyền truy cập vào một máy đo vận tốc không khí có thể đo vận tốc không khí của cửa ra quạt nhỏ như vậy, chúng ta sẽ phải tự tạo ra.

Để làm điều này, chúng ta sẽ sử dụng hai quạt làm mát ghép lại với nhau với chỉ một quạt được kích hoạt. Quạt thứ hai được kích hoạt bởi dòng không khí do quạt đầu tiên tạo ra, vì vậy chúng ta có thể sử dụng tín hiệu tacho của quạt thứ hai để đo tốc độ rotor bằng một bộ đếm tần số.

Khi cố gắng kích hoạt một quạt chỉ với dòng không khí cung cấp bởi một nguồn bên ngoài, chúng ta có thể nhanh chóng gặp phải vấn đề - đặc biệt là ở các tốc độ dòng chảy thấp. Mô-men xoắn cắt từ của động cơ quạt khiến quạt chỉ quay ở các vận tốc dòng chảy cao.

Để tránh điều này, quạt thứ hai phải được chỉnh sửa bằng cách loại bỏ stator trong khi vẫn giữ lại bảng mạch với cảm biến Hall cho tín hiệu tachometer nguyên vẹn. Dưới đây là cách chúng tôi làm điều đó:

• Sau đó, sử dụng một bố trí nam châm, chúng ta có thể đẩy rotor ra khỏi vòng bi MagFix của nó:

• Cuối cùng, chúng ta có thể loại bỏ động cơ quạt mà không làm hỏng bảng mạch điều khiển PCB:

Sau khi lắp lại quạt với những chỉnh sửa này, nó giờ đây có thể được sử dụng để chỉ ra các dòng không khí với vận tốc rất thấp. Sử dụng đầu ra tacho, tốc độ quay có thể được định lượng chính xác. Quạt phát ra hai xung mỗi vòng quay.

Để thực hiện các phép đo lặp lại và đáng tin cậy, một thiết kế cơ khí vững chắc là cần thiết. Một giá đỡ được in 3D đơn giản được sử dụng để cố định hai quạt tại chỗ đồng thời cung cấp một hướng dẫn không khí từ thiết bị kiểm tra đến quạt đo lường.

Giá đỡ kiểm tra in 3D

Giá đỡ kiểm tra in 3D sau khi lắp đặt quạt kiểm tra và đo lường

Kết quả của các phép đo quạt đơn giản

Sử dụng bộ thiết lập đo lường kiểm tra được mô tả ở trên, một tấm chắn được đặt trước cửa hút của DUT. Khoảng cách giữa tấm chắn và cửa hút không khí của quạt thay đổi từ 0mm đến 2mm với bước nhảy 0.1mm. Một lần chạy thử không có tấm chắn được sử dụng làm tham chiếu cho vận tốc không khí tối đa có thể đạt được, đồng thời, mức độ âm thanh cũng được ghi lại.

Kết quả đo vận tốc không khí so với khoảng cách đến vật cản cửa hút

Phân bố phổ mức độ ồn

Kết quả đo lường cho thấy chúng ta cần một khoảng hở nạp ít nhất là 1.1mm để đảm bảo hiệu suất của quạt không giảm hơn 10%. Phổ phân bố tiếng ồn của quạt trông giống nhau một cách đáng ngạc nhiên cho tất cả các lần đo. Có một số biến động ở các dải tần số cao hơn, đặc biệt là đối với các phép đo khoảng cách thấp—điều này là dễ hiểu. Các lần đo với khoảng cách hơn 1mm chỉ cho thấy những sai lệch rất nhỏ trong phổ tiếng ồn so với nhau.

Mô phỏng dòng chảy không khí

Các phép đo trước đó đã cung cấp cho chúng ta những hiểu biết quan trọng có thể được chuyển giao sang mô hình CAD. Quạt nên được tích hợp với khoảng cách ít nhất là 1.1mm giữa lỗ hút của quạt và mô-đun bàn phím được lắp đặt phía trên quạt.

Với việc sử dụng đúng khoảng cách lắp cho quạt ly tâm, khoảng trống giữa mô-đun bàn phím và mặt trên của quạt là khoảng 1.92mm. Từ giá trị đó, cần phải trừ đi 0.5mm cho một thanh cứng và lớp cách điện dưới bàn phím. May mắn thay, khoảng cách vẫn lớn hơn 1.1mm. Với việc đặt quạt vào hệ thống một cách sơ bộ, một mô hình mô phỏng có thể được tạo ra từ hình học hiện có.

Khoảng cách giữa lỗ hút quạt và mặt dưới của mô-đun bàn phím

Mục tiêu của mô hình mô phỏng là cung cấp một sự chênh lệch áp suất giữa lỗ hút không khí của máy tính xách tay và lỗ thoát không khí. Gói tản nhiệt và bộ lọc không khí sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất lớn nhất trên đường dẫn dòng chảy. Hai khía cạnh này vẫn chưa được định rõ và sẽ được tính toán trong một mô phỏng tương lai. Hiện tại, chúng ta chỉ tập trung vào hồ sơ dòng chảy bên trong máy tính xách tay và sự chênh lệch áp suất liên quan.

Sự chênh lệch áp suất của đường dẫn không khí bên trong sẽ được tính toán cho nhiều tốc độ dòng chảy khối lượng. Quét qua nhiều tốc độ dòng chảy cho phép chúng ta tạo ra một hàm của sự chênh lệch áp suất so với tốc độ dòng chảy khối lượng. Giao điểm giữa hàm này và đường cong quạt được cung cấp bởi bảng dữ liệu quạt cho chúng ta biết lượng không khí dòng chảy khối lượng cuối cùng và do đó tốc độ không khí được tạo ra bởi quạt trong hệ thống. Hàm của sự chênh lệch áp suất hồ sơ dòng chảy cần được bù đắp bởi hàm của sự chênh lệch áp suất cho gói tản nhiệt và bộ lọc không khí một khi chúng đã được tính toán.

Để chuẩn bị cho mô phỏng, mô hình CAD cần được đơn giản hóa và thể tích cho miền mô phỏng dòng chất lỏng cần được trích xuất. Trong bước đầu tiên, các thành phần nằm trên bo mạch chính sẽ được thay thế bằng các mô hình hộp giới hạn. Điều này giảm đáng kể độ phức tạp của hình học cũng như độ phức tạp của lưới mô phỏng sẽ được tạo ra sau này.

Các thành phần trên bo mạch chính với hình dạng gốc

Hộp giới hạn được thiết lập theo cách mà nó theo dõi các đặc điểm lớn của hình dạng, nhưng bao gồm các đặc điểm với số lượng đỉnh cao. Các đặc điểm nhỏ nhưng chi tiết cao sẽ không có ảnh hưởng đáng kể đến hồ sơ dòng chảy và do đó có thể được bỏ qua.

Hộp giới hạn bao quanh các đặc điểm hình học quan trọng trong miền mô phỏng

Với việc đại diện đơn giản hóa của các thành phần được đặt vào, thể tích không khí bên trong của laptop có thể được trích xuất bằng một thao tác hiệu chênh boolean đơn giản giữa vỏ laptop, bo mạch chính với tất cả các thành phần của nó, và thể tích không khí được đơn giản hóa.

Thể tích không khí sẽ được sử dụng cho mô phỏng

Việc chạy mô phỏng đầu tiên với tốc độ dòng chảy thể tích là 1m³/h cung cấp phân bố vận tốc và áp suất sau:

Kết quả mô phỏng đầu tiên

Mô phỏng này cung cấp cho chúng ta hai hiểu biết quan trọng. Kết quả đầu tiên là sự chênh lệch áp suất trung bình giữa đầu vào và đầu ra là 15 pascal. Kết quả thứ hai đề cập đến điểm màu xanh lam đậm có thể thấy trong bản đồ nhiệt của trường áp suất. Khu vực cục bộ có áp suất rất thấp này là trung tâm của một dòng khí xoay—một cơn lốc nhỏ trực tiếp phía trên đầu vào của quạt. Sự xoay này phát triển do dòng khí đi vào miền có một lực xung kích vuông góc với trục quạt. Khi không khí được hút gần quạt hơn, nó tăng tốc và hình thành một cơn lốc xoay nhanh do bảo toàn động lượng.

Như đã mô tả trong phần trước, một dòng khí xoay tại đầu vào của quạt gây ra tiếng ồn thêm và giảm hiệu suất. Do đó, chúng ta phải tìm cách ngăn chặn việc hình thành lốc xoáy. Đó sẽ là một thách thức cho bản cập nhật trong tương lai.

Thực hiện quét qua tốc độ dòng chảy thể tích, mô phỏng tiết lộ đường cong chênh lệch áp suất so với tốc độ dòng chảy như sau:

Chênh lệch áp suất so với tốc độ dòng chảy thể tích của đường dẫn khí nội bộ của máy tính xách tay

Bảng dữ liệu của quạt đang được xem xét cung cấp đồ thị áp suất so với tốc độ dòng chảy thể tích như sau:

Bảng dữ liệu của quạt

Trích xuất các giá trị X và Y của đường cong quạt và đặt chúng vào cùng một biểu đồ với chênh lệch áp suất mô phỏng cho thấy chúng ta hai chức năng giao nhau. Giao điểm giữa đường cong quạt và đường cong chênh lệch áp suất mô phỏng chỉ ra tốc độ dòng chảy thể tích và áp suất nào sẽ được thiết lập trong đơn vị. Tuy nhiên, chúng ta vẫn thiếu hai thông số quan trọng của cánh quạt; chênh lệch áp suất tản nhiệt và chênh lệch áp suất bộ lọc không khí. Với quy trình làm việc đã thiết lập ở trên, việc thêm các giá trị này sau này sẽ không phải là vấn đề.

Lưu lượng không khí kết quả cho hệ thống không có tản nhiệt và bộ lọc không khí nên là khoảng 1.5m³/h với chênh lệch áp suất là 28 pascal.

Đồ thị quạt so với đồ thị giảm áp

Trong các bản cập nhật dự án sắp tới, chúng tôi sẽ tiếp tục tinh chỉnh khái niệm về luồng không khí và đào sâu hơn vào việc sử dụng các công cụ mã nguồn mở cho mô phỏng dòng chảy và truyền nhiệt. Chúng tôi cũng sẽ thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm các bộ phận đầu tiên của máy tính xách tay.

Vẫn còn rất nhiều điều để khám phá, vì vậy hãy chú ý theo dõi!