Вентилятор и радиатор - отстой или удар?

Этот вопрос покрывал это для вложений. Однако с точки зрения вентилятора, подключенного к радиатору, имеет значение, продувается ли воздух через ребра или всасывается через ребра. Другими словами, достаточно ли отличается структура воздушного потока, чтобы иметь значение?

Это такая широкая тема, что на самом деле это не та тема, на которую вы можете ответить простым, лучше, чем другой.

Стоя в одиночестве, нагнетательная сторона вентилятора создает более концентрированную, более быстро движущуюся и более турбулентную «реку» воздуха по сравнению со впускной стороной, где воздух всасывается практически одинаково со всех сторон. Вы можете проверить это достаточно легко с почти любым поклонником. Положите руку перед ударной стороной, и вы почувствуете воздушный поток и охлаждающий эффект. Положите руку позади, и эффект будет намного сложнее обнаружить.

Турбулентность также значительно повышает эффективность теплопередачи. Турбулентность на самом деле твой друг.

Таким образом, только с этих точек зрения сторона удара выглядит лучше, чем сторона охлаждения.

Однако речь идет не только о поклоннике.

Выбранная геометрия радиатора также сильно влияет на производительность вентилятора. Вращающийся вентилятор, надетый на ваш типичный радиатор с линейным оребрением, на самом деле будет довольно неэффективным. Фактически, область непосредственно под центром вентилятора практически не будет перемещаться. Это, конечно, прискорбно, поскольку именно там обычно находится то, что вы пытаетесь охладить.

Кроме того, если ребра не достаточно глубокие, воздушный поток в целом плохо распределен. Слишком неглубокий, и результирующее обратное давление может фактически «остановить» вентилятор. В этих обстоятельствах установка вентилятора в направлении «всасывания» может фактически улучшить ситуацию, поскольку воздух будет поступать на боковые стороны радиатора более линейно, чтобы заполнить пустоту в давлении воздуха, создаваемом вентилятором.

Возможно, показанный выше радиатор может быть более эффективным с более длинными ребрами и вентилятором, установленным на одном конце.

В лучших конструкциях используются радиальные радиаторы, подобные приведенному ниже. Как видите, стиль здесь радиально симметричен потоку воздуха по всей окружности вентилятора и, следовательно, обеспечивает более равномерный теплообмен вокруг центрального сердечника.

Однако даже при таком стиле само ядро ​​все еще плохо проветривается. Как таковой он обычно изготавливается в виде твердого сердечника с высокой теплопроводностью, который действует как тепловая труба. Даже тогда, глядя на изображение ниже, область вокруг ядра в квадратном сечении, которое касается чипа, на самом деле является воздушной пустотой, которая является довольно неэффективной. В лучшем дизайне эта область была бы заполнена металлом с округлой конической структурой. Однако это, конечно, невозможно выдавить.

Фактические материалы и подготовка поверхности также имеют огромное значение в конструкции радиатора. Материалы с высокой теплопроводностью, очевидно, являются лучшими, но поверхность также должна быть достаточно гладкой, чтобы не допустить образования или захвата частиц воздуха, а также не настолько гладкой, чтобы воздух слишком легко проходил над ней.

Конечно, можно потратить годы на то, чтобы довести эту маленькую формулу до совершенства, но в целом вам не нужен радиатор с высокой полировкой хрома. Пескоструйный алюминий или покрытая золотом пескоструйная медь, если вы можете себе это позволить, будет работать намного лучше.

Еще одна серьезная проблема - загрязнение.

Пыль и грязь попадут в ваш вентилятор и радиатор. Со временем это накапливается и серьезно ухудшает производительность устройства. Поэтому разумно сделать так, чтобы ваш вентилятор и радиатор располагались как можно более автоматически.

Это где вентилятор обычно побеждает. С контролируемым потоком воздуха, и если воздух, поступающий внутрь, может быть чистым, он имеет тенденцию выдувать пыль из радиатора. Что подводит меня к следующему пункту.

Источники и удаление воздуха

Вы можете потратить тысячи долларов на разработку идеального расположения вентилятора и радиатора, и все будет напрасно, если вы не будете иметь дело с остальным воздухом вокруг вашей системы охлаждения, особенно в герметичном корпусе.

Тепло должно быть не только удалено из вашего устройства в воздух, но и этот горячий воздух должен быть удален из непосредственной близости. В противном случае произойдет рециркуляция горячего воздуха, и на устройстве, которое вы пытаетесь защитить, по-прежнему будет происходить тепловой сбой.

Таким образом, ваш шкаф должен вентилироваться, и вы также должны включать вентиляторы шкафа, чтобы втягивать холодный воздух снаружи шкафа. Эти вентиляторы всегда должны включать съемные сетчатые и / или пенные фильтры, чтобы контролировать количество окружающей пыли, всасываемой в устройство. Приемлемые выхлопные панели открытого типа являются приемлемыми, однако для лучшей работы следует поддерживать положительное давление внутри шкафа, чтобы поддерживать поток воздуха в направлении наружу, чтобы снова ограничить попадание загрязнений.

Особые случаи

Везде, где устройство должно быть установлено в экстремальных условиях, должны быть приняты специальные меры. В средах с высокой запыленностью, таких как напольные мельницы и т. Д., Или в средах с высокой температурой окружающей среды потребуется либо воздуховод, направляемый непосредственно к шасси, либо герметичный блок и двухступенчатая, возможно, жидкостная система охлаждения.

Критические случаи

Если ваша система контролирует что-то критическое, то было бы целесообразно включить термодатчик и, возможно, активное управление вентилятором как часть вашей системы радиатора. Такие системы должны включать в себя функцию перехода в безопасное состояние и предупреждения пользователя о необходимости чистки фильтров или иного уменьшения внешнего тепла вокруг системы, когда это необходимо для предотвращения критических сбоев.

Еще одна точка

Вы можете потратить полтора года на разработку самого лучшего в мире теплоотвода с дорогими вентиляторами и совершенной системой распределения воздуха, которые будут заблокированы, а затем сожжете устройства из-за нехватки термического соединения на 2 цента.

Получение тепла от устройства, которое вы пытаетесь защитить, в радиатор часто может быть самым слабым местом в системе. Компоненты, неправильно закрепленные на радиаторе с помощью соответствующего материала для термоскрепления, убивают больше единиц, чем остальные проблемы вместе взятые.

Ваш производственный процесс и процедуры должны быть разработаны, чтобы придать этим аспектам первостепенное значение

Например, если, скажем, вы используете три или четыре транзистора типа TO220, установленных на одном радиаторе, целесообразно механически установить их на этот радиатор и, если необходимо, радиатор на плату, ДО того , как пройдете через процесс пайки. Это гарантирует, что тепловое соединение имеет приоритет.

Теплопроводящие пасты, кремы, гели и / или электрически изолированные тепловые прокладки всегда должны быть включены между устройством и радиатором, чтобы заполнить любые воздушные зазоры, вызванные неровностью, или удары на устройстве или поверхности радиатора.

И держи это в чистоте. Загрязнение размером с крупинку соли или даже посторонние волосы могут стать причиной теплового сбоя.

Схема давления будет отличаться.

При продувке давление на поверхность радиатора (параллельно лопастям) будет выше, что означает более высокую теплопроводность на поверхности.

При всасывании через ребра давление на поверхность ребер, ортогональное воздушному потоку, будет выше.

Таким образом, я думаю, что правильное направление воздушного потока зависит от соотношений размеров радиатора и взвешивания их по схеме теплового распределения. Эмпирически можно сказать, что, когда его вместительность намного больше, чем его глубина, определенно лучше проходить.

Дополнение после комментария andresgongora ...

Представьте, что давление воздуха - это напряжение, а скорость воздуха - ток, препятствия, перпендикулярные потоку, - это сопротивление, и в результате конвекция тепла - мощность. Или подумайте, какое давление масса взаимодействует с теплом в единицу времени, которое обновляется скоростью воздушного потока.

Таким образом, диаграмма давления не даст точной картины того, что там происходит, полная схема конвекции будет сложной, но она дает хорошее представление о лучшем направлении воздушного потока.

Тепло передается за счет проводимости, излучения и конвекции. Для охлаждения микросхемы используются все три режима: проводимость от головки к радиатору, излучение от радиатора в окружающую среду, конвекция при перемещении воздуха. Законы Бойля и Чарльза дают нам , где = давление, = объем, - постоянная величина, а - абсолютная температура. Теперь, если мы хотим отслеживать изменение температуры во времени, мы можем дифференцировать это уравнение. Это дает:P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

Если вы хотите , чтобы переместить воздух через фиксированный объем, , например, в корпусе компьютера или его питания, то ; и, конечно же, . Итак, уравнение упрощается до:d $V$d$\frac{dV}{dt} = 0$$\frac{dk}{dt} = 0$

Другими словами, если вы увеличите давление с течением времени, температура будет расти, и наоборот. Чтобы помочь вам понять этот принцип, рассмотрите два следующих примера:

1. когда вы накачиваете шины на своем толкающем велосипеде с помощью ручного насоса, конец насоса, ближайший к выпускному отверстию, сильно нагревается. Этот эффект нагрева изменяется с помощью члена P.dV / dt, который не равен нулю.

2. если в вашем доме есть кубическая комната с окнами и дверями на всех четырех вертикальных стенах, и у вас горячий ветер, дующий с севера, вы можете охладить комнату, открыв окно / дверь на северной стене, скажем, от 50 до 100 мм, и открывая окна / двери на других стенах, скажем, от 200 до 500 мм. Это снизит давление внутри комнаты и снизит температуру.

Теперь к вопросу о турбулентности.

Наибольшее количество теплопередачи от радиатора (или других горячих компонентов) происходит при ламинарном потоке жидкости. Когда воздушный поток увеличивается, вы можете в конечном итоге достичь точки, когда воздушный поток становится турбулентным. Последствия турбулентности:

• эффективная площадь вентилятора уменьшается - спросите любого пилота самолета о влиянии на движение при увеличении скорости пропеллера за красной линией оборотов
• шум увеличивается = потеря энергии
• образуются вихри, откладывающие находящиеся в воздухе осколки в областях с более низкой скоростью
• эффективность вентилятора падает, и его температура может увеличиться
• происходит кавитация, приводящая к образованию областей с нулевым воздушным потоком и, следовательно, к
  безудержному повышению температуры.

Таким образом, турбулентность определенно НЕ ваш друг .

Вы можете попытаться уменьшить скорость вращения вентилятора, чтобы уменьшить турбулентность; если вентилятор хорошо спроектирован, углы лопастей вентилятора будут иметь непрерывные изгибы, чтобы учесть увеличение скорости воздуха при прохождении воздуха над лопастями. Таким образом, замедление вентилятора означает, что кривизна лопастей больше не соответствует ламинарному потоку. Этот эффект преодолевается на воздушных судах и больших пропеллерах кораблей путем изменения шага лопастей, включая реверсивный шаг. Обычно это невозможно при размерах охлаждающих вентиляторов, используемых в электрооборудовании.

Покрытие фанатов

Если существует беспрепятственный, непрерывный воздушный путь от нижней стороны (высокое давление или выпуск) к верхней стороне (низкое давление или впуск), воздух с более высоким давлением просто проходит по кратчайшему пути назад к впускному отверстию и нисходящий поток уменьшается. Вы видите это все время - воздушные пропеллеры, морские пропеллеры (см. Новейшую конструкцию силовых установок испанских военных кораблей, поставляемых в Австралию), дешевые домашние вентиляторы охлаждения. Чтобы преодолеть эту потерю и тем самым повысить эффективность вентилятора, лучшие конструкции имеют плотно прилегающие кожухи вокруг кончиков лопастей вентилятора. Кандидат наук Фрэнка Уиттла включал использование в своем реактивном двигателе окутанных вентиляторов - гораздо более эффективных, чем у открытых пропеллеров, и подходящих для быстрого повышения температуры для увеличения скорости выхлопных газов.

Используя руку, чтобы обнаружить охлаждение

Охлаждение, которое вы ощущаете, когда вентилятор ниже по потоку, является главным образом эффектом испарения жидкой воды, содержащейся на вашей коже - потеря 540 кал / грамм в результате испарения, безусловно, будет «ощущаться» круто. Но влияние на электронные / электрические компоненты, которые не имеют воды на их коже, пшик. Таким образом, использование вашей руки для обнаружения падения температуры - неправильная модель.

В ИТОГЕ:

Сосать лучше, чем дуть, чтобы понизить температуру. Ламинарный поток является наиболее эффективным средством отвода и отвода тепла. Покрытие лопастей вентилятора повышает эффективность и экономичность вентилятора.

Я думаю, что это зависит от дизайна. Основными факторами являются:

• источник более холодного воздуха и отвод горячего воздуха в заданном направлении. Если вы всасываете теплоотвод, приток воздуха к радиатору может располагаться рядом с другими нагревательными элементами, и, таким образом, источник воздуха может не иметь необходимой низкой температуры, или температура притока может изменяться в процессе работы, что отрицательно влияет на эффективность системы охлаждения;
• пыль попадает в маленькие отверстия радиатора. Если вы подуете, как говорили многие комментаторы, у вас есть единственная точка входа воздуха, и она может быть покрыта фильтром, или воздух просто может быть получен из более чистого места. Если вы всасываете, источник воздуха, скорее всего, расположен очень близко к поверхности печатной платы и другим компонентам, отсасывая накопившиеся вдали от них.
• Есть еще один способ разработки системы охлаждения. Если вы откроете современный ноутбук или высокопроизводительный компьютер, вы можете обнаружить, что он имеет водяное или другое жидкостное охлаждение, и, возможно, нет необходимости устанавливать вентилятор рядом с чипом; это может быть помещено в любое местоположение, которое дизайнер думает удобно исправным и самым чистым.

При этом я голосую за приток, но опять же все зависит от конструкции устройства.

Я работаю в компании, занимающейся технологиями оптических сетей (Telecom), и всегда занимаюсь охлаждением и EMC. Прекрасные комментарии для базового конструктивного решения вопроса оборудования на основе карт / полки - установить вентиляторы на стороне впуска или выпуска воздушного фильтра.

Мне сказали некоторые производители электронных модулей, которые мы использовали, что вытягивание воздуха теряет 10-15% эффективности охлаждения. Два других наблюдения, которые у меня есть:
1) (большие) Вентиляторы на INTAKE, к сожалению, ПРЕДОГРЕВАЮТ воздух за счет трения и тепловыделения двигателя вентилятора
2), пытаясь добавить воздуховоды / дефлекторы в нашу плату для тщательной фокусировки воздушного потока. воздух через PCBA.

Он просто блокирует движение воздуха, точно так же, как слишком мелкие элементы - воздух просто идет вокруг радиатора! Я полагаю, что основная разница заключается в том, что воздух PULLING вызывает движение только за счет разности давлений (меньше турбулентности). Бит воздуха PUSHING использует активную турбулентность и разницу давлений.

Когда вопрос сводится к [обычному] радиатору и [общему осевому типу лопастного вентилятора], он заслуживает более короткого ответа. И ответ, как обычно, и, к сожалению, «это зависит».

(1) Когда вентилятор прикреплен к верхней части радиатора в направлении «всасывания», воздух входит в ребра (или штифты) в ламинарном веществе (по крайней мере, относительно более крупных шкал вихрей, чем расстояние между ребрами и штифтами). Как таковой, пограничный слой вокруг поверхностей теплопередачи является толстым, и теплопередача довольно слабая. Более того, в конструкции односторонней мойки с обычным вентилятором в центре будет «мертвая зона» с плохим воздушным потоком, именно в том месте, где тепло выделяется под раковиной.

(2) Когда вентилятор подает в лопасти радиатора, выходной воздушный поток является турбулентным, а тепловой пограничный слой вокруг металлических поверхностей является тонким, поэтому воздушный поток проникает глубже в ребристую структуру и близко к металлическим поверхностям, обеспечивая хорошую теплопередачу. И самая высокая [турбулентная] скорость воздуха находится вокруг центра раковины, где тепловое «напряжение» самое высокое.

Таким образом, похоже, что случай (2) имеет явное преимущество перед случаем (1). К сожалению, есть еще один фактор, который заключается в производительности вентилятора при различных условиях окружающей среды. В отличие от воздуходувок, которые создают более высокое давление относительно окружающего пространства (и используются в конструкциях тепловых трубок внутри ноутбуков), осевые вентиляторы обеспечивают лучшую производительность воздушного потока при всасывании воздуха из более узкого пространства в окружающую среду, поэтому случай (1) имеет некоторые предпочтения здесь ,

С другой стороны, когда осевой вентилятор сталкивается с высоким аэродинамическим сопротивлением, как при продувке, он может сам "закорачиваться" и обеспечивать лишь незначительный воздушный поток или его отсутствие. Таким образом, использование осевого вентилятора имеет некоторое преимущество в случае слабого теплового режима (1), в то время как производительность того же вентилятора снижается, если он находится в герметичной (но более термически эффективной) области.

Таким образом, корпус (1) имеет плохую теплопередачу, но лучшую производительность вентилятора, а корпус (2) имеет лучшую теплопередачу, но худшую производительность вентилятора. Конечный результат - «это зависит», который включает в себя несколько факторов, таких как толщина ребра и расстояние. И это зависит от конструкции вентилятора. Существует три типа осевых вентиляторов: трубчато-осевые, лопастно-осевые и гребные, которые могут иметь лопасти, оптимизированные для работы в одном или другом направлении. Трубчато-осевые вентиляторы также имеют хорошую производительность под давлением и используются в блейд-серверах. Так что результаты могут отличаться.

Очевидно, что лучший результат может быть достигнут с конструкцией с двумя вентиляторами, как эта, где один вентилятор дует, а другой отсасывает воздух.

Если вентилятор и радиатор находятся внутри воздуховода, вы получите одинаковый поток воздуха с обеих сторон вентилятора, поэтому положение радиатора не должно иметь большого значения. Для установки «вентилятор поверх радиатора» сторона обдува, безусловно, обеспечивает лучшее охлаждение.

Сосать или удар не простой ответ - он сводится к (не каламбур) температура воздуха, проходящего через радиатор, скорость потока и загрязнения, которые могут накапливаться. Таким образом, простой ответ - самый холодный воздух, лучший поток воздуха и наименьшее количество загрязнений - только действительно подотчетный в результате исследований и экспериментов.

В большинстве случаев вентилятор в режиме всасывания намного лучше, чем в режиме продувки.

Если вентилятор находится в режиме продувки, сила ветра будет блокироваться и распространяться радиатором, поэтому тепло будет рассеиваться вокруг радиатора, и в результате вентилятор будет всасывать один и тот же источник воздушного потока, и тепло будет рециркулироваться.

В режиме всасывания тепло будет отводиться более концентрированной линией, поэтому будет рециркулироваться гораздо меньше тепла.

Исключением может быть то, что вентилятор достаточно сильный, чтобы отводить тепло достаточно далеко от радиатора, чтобы поток воздуха не использовался повторно. Тогда удар может на самом деле быть лучше, потому что он более концентрированный, таким образом, воздушные потоки быстрее (тот же объем воздушного потока, но быстрее), и из-за этого сам ветер станет холоднее =)