Фільтр повітря - теорія і практика

Ця робота була надіслана на наш "Безстроковий" конкурс статей . За цикл статей про фільтрації повітря автор отримав приз - мідний кулер під Socket A.

Розглянемо процеси, що відбуваються всередині системного блоку не тільки з точки зору його охолодження, але і можливості організації фільтрації повітряного потоку. Візьмемо для розгляду умовну схему ходу повітря зображену на рисунку 1.

Умовно приймаємо, що M1 - маса повітря, що надходить через передній повітрозабірник. M2 - маса повітря, що надходить через різного роду щілини. M3 - маса нагрітого повітря, що викидається з системного блоку.

Відповідно до закону збереження маси, маса всього вхідного повітря повинна дорівнювати масі всього повітря, що виходить системного блоку. Закон можна трактувати наступним чином: Речовина не може зникати безслідно і братися нізвідки.

Введемо для розгляду рівняння виду M1 + M2 = M3

Чому розглядаються маси, а не обсяг? Температура вхідного повітря нижче, ніж виходить, значить, він має велику щільність. Щільність речовини визначає його масу. Значить, маса одного і того ж обсягу холодного і гарячого повітря буде різною.

Що необхідно зробити, щоб в системному блоці не з'являлася пил? Відповідь цілком очевидна: необхідно, щоб повітря, що надходить всередину, був чистим. Найпростіше рішення - це здійснювати фільтрацію вхідного в системний блок повітря. Фільтр може бути встановлений як поза, так і всередині системного блоку. Далі будемо розглядати варіант внутрішньої установки фільтра, хоча зовнішні реалізації теж мають право на існування. Поставимо фільтр на основний потік повітря M1. Щоб в корпусі не було пилу, все повітря, що входить в корпус, повинен проходити тільки через фільтр, а величина M2 (повітря через щілини) повинна бути дорівнює нулю або бути від'ємною. Тобто повітря повинен не заходити, а виходити через щілини і нещільності системного блоку.

Рівняння, при цьому, має трансформуватися від виду M1 + (- M2) = M3 до M1 = M2 + M3. Схема перетвориться до виду зображеного на рисунку 2. При виконанні умови M2> = 0 очевидно, що в корпусі пил накопичуватися не буде, тому що весь вступник в корпус повітря буде проходити через фільтр.

Розглянемо варіанти організації фільтрів всередині корпусу. Найпростіший варіант зображений на рисунку 3. У цьому випадку матеріал фільтру варто після вентилятора.

Цей варіант має свої переваги і недоліки:

• + Простота конструкції
• - забруднення вентилятора - для очищення фільтра, необхідна розбирання корпусу.

На рисунку 4 зображено другий варіант, коли вентилятор стоїть після фільтра. Це найбільш оптимальний варіант з точки зору здорового глузду. Варто відзначити, що більшість побутових пилососів працюють майже за цією ж схемою, коли брудне повітря спочатку проходить фільтр, щоб не забруднювати вентилятор і його двигун.

Переваги і недоліки цього варіанту:

• + Не забруднюється вентилятор
• + Охолодження плат розширення спрямованим потоком повітря
• - більш висока складність виготовлення (необхідний корпус для самого фільтра)
• - менша площа фільтрації, при тому ж обсязі фільтра, звідси ще два недоліки:
  • - потребує більш частої чищенні
  • - потрібен більш потужний вентилятор або навіть два => вищий рівень шуму.

Найпоширенішим, на даний момент, фільтром, є варіант у вигляді плоскої прокладки перед вентилятором. Такий фільтр дозволяє утримувати у відносній чистоті, як сам вентилятор, так і нутрощі системного блоку.

Поряд з простотою конструкції і легкістю очищення фільтра, йому притаманні недоліки. Внаслідок малої площі таких фільтрів (80x80 = 6400mm2), для створення значущого повітряного потоку виробникам доводиться зменшувати їх опір потоку, збільшуючи розмір його осередків. Частота очищення такого фільтра вище, ніж якби стояв фільтр більшої площі.

Розглянемо питання узгодження вентилятора і фільтра з точки зору теорії. Роботу будь-якого вентилятора можна уявити графіком, який називають характеристикою вентилятора (Fan Perfomance Curves). Характеристика являє собою криву, що показує залежність продуктивності вентилятора і створюваного ним тиску. Нижче зображена характеристика для 3-х вентиляторів марки EC-8025xxxx (Low, Middle, High) виробництва Evercool .

Більш детально з вентиляторами і їх роботою можна ознайомитися в статтях " Вибір корпусних вентиляторів "І" Лікнеп по системам охолодження. заняття друге ".

Для зручності розгляду робочих характеристик вентилятора і фільтра, представимо їх у вигляді прямих. Реальна характеристика фільтра має нелінійний вигляд. Графік 1 наочно показує, що при роботі вентилятора без навантаження (вхолосту P = 0) він буде видавати свою максимальну продуктивність M = max. Якщо вентилятор повністю закрити, то, очевидно, його продуктивність буде дорівнює нулю (M = 0), при цьому, він буде створювати своє максимальний тиск повітря (P = max). Характеристика фільтра показує, що при збільшенні тиску повітряного потоку, кількість повітря, що проходить через фільтр, буде збільшуватися.

Що зміниться, якщо до вентилятора під'єднати фільтр? Матеріал фільтра забезпечує додатковий опір потоку, тому отримаємо деяку робочу точку 1 на нашому Графіку 1. При забрудненні фільтра, опір потоку повітря буде збільшуватися, а значить продуктивність (кількість повітря) буде зменшуватися. Отримаємо, що наша робоча точка в процесі експлуатації буде неухильно рухатися в бік зменшення потоку повітря і збільшення створюваного вентилятором тиску. При повністю забитому фільтрі отримаємо нульову продуктивність з максимальним тиском.

Правильний підбір вентилятора і фільтра виконується для забезпечення заданих показників продуктивності протягом певного проміжку часу. Тобто падіння продуктивності зі значення M11 до M12 допустимо, якщо кількість повітря M12 є достатнім для вентиляції корпусу і виконується умова M1 = M2 + M3 для рисунка 2. Час, що витрачається на перехід з точки 1 в точку 2, визначить періодичність очищення фільтра. Величина потоку M12 умовна і може бути визначена побічно по погіршення показників охолодження компонентів системного блоку, а так само по початку появи пилу (підсмоктування через щілини).

Що робити, якщо величина потоку повітря M1 на самому початку недостатня для повноцінної вентиляції корпусу? Тут може бути кілька шляхів вирішення проблеми:

1-й Варіант: Зменшення опору фільтра. Цього можна домогтися, збільшуючи площу фільтра або змінюючи його матеріал (див. Графік 1).

2-й Варіант: Встановлення додаткових фільтрів або вентиляторів. Тут варто розглянути два підваріанти:

• 1-й - установка ще одного незалежного фільтра. При цьому загальний потік виростає, як і займане фільтрами місце.
• 2-й - установка додаткового вентилятора на вже наявний фільтр.

Як встановлювати, послідовно або паралельно? У разі установки, ми збільшимо створюване ними тиск, що нам і потрібно для подолання опору фільтра. Якщо прийняти опір фільтра постійним, то введення другого вентилятора можна відобразити на Графіку 2 нової кривої і переходом робочої точки з положення 1 в положення 2.

При установці двох вентиляторів паралельно, ми збільшуємо їх сумарну продуктивність. На графіку 3 зображена нова характеристика для фільтра з двома паралельними вентиляторами. Порівнюючи Графіки 2 і 3 можна зробити висновок про те, що послідовне включення вентиляторів, при наявності опору, дає більший приріст продуктивності фільтра.

3-й Варіант: Установка більш продуктивного вентилятора. Більш висока продуктивність може бути забезпечена як великими оборотами крильчатки, так і вибором вентилятора з крильчаткою, лопаті якої мають більший кут атаки. Крім того, можна звернути свій погляд на вентилятори більшого типорозміру, наприклад 120-ти мм-е.

Порівнюючи характеристики 80-ти м 120-ти мм-х вентиляторів, можна зробити цікавий висновок про те, що тиск, що створюється 120-ти мм-і вентиляторами, практично те ж, що і у 80-ти мм-х, а їх основна відмінність полягає в продуктивності. Для створення більш високого тиску можна знайти вентилятори відцентрового типу.

Для зручності подальшої роботи з характеристиками, перенесемо їх на один графік. За Графіку 4 можна зробити висновок про те, що при порівнянних параметрах (розмір, шум, потужність) вентиляторів 8025M і SB-E (M), останній може створювати потік з великим тиском, при цьому маючи меншу максимальну продуктивність.

Фільтруючий матеріал має багато характеристик, одна з яких повітропроникність. На цьому сайті повітропроникність різних фільтрувальних матеріалів вказується при різниці тисків 50Па в одиницях дм3 / м2с. Ця величина показує, скільки повітря буде проходити через один квадратний метр матеріалу за одну секунду при різниці тисків в 50Па. Залежно від типу матеріалу, вона може змінюватися в широкому діапазоні.

Зробимо необхідні обчислення для з'ясування продуктивності фільтра при різних значеннях площі матеріалу, а значить і розмірах фільтра. Візьмемо для розрахунку матеріал із середньою повітропроникністю рівній 300 дм3 / м2с. Переведемо 50Па в міліметри водяного стовпа (mmH2O) за допомогою утиліт (Uconner або Convert). У mmH2O величина складе 5,09. Переведемо дм3 / м2с в CFM / m2 (кубічні дюйми в хвилину на один квадратний метр). В одному футі 30,48 сантиметрів. Значить, в одному кубічному футі поміщається 30,483 = 28316,85 кубічних сантиметрів, або 28,32 кубічних дециметрів (10см = 1деціметр). В одній хвилині 60 секунд. Отримаємо формулу перекладу величин X = Y / 28,32 * 60 = 2,12 * Y, де Y величина в дм3 / м2с, а X в CFM / m2. Отримуємо, що 300 дм3 / м2с становлять 635.59 CFM / m2.

Візьмемо для розгляду два види фільтрів. Перший у вигляді квадратного шматка матеріалу, а другий у вигляді мішка, зображених на рисунку 5.

Площа квадратного фільтра складе 80 * 80 = 6400mm2, що становить 0,0064м2. Площа мішка залежить від його форми. Розглянемо ідеальний варіант, коли мішок являє собою циліндр з дном у вигляді кола. Загальну площу такого мішка можна порахувати за формулою Sмешка = 3,1416 * D * L + (3,1416 * D2) / 4. З урахуванням того, що діаметр взятого для прикладу мішка дорівнює 80мм (0,08м) формула набуде вигляду Sмешка = 3,1416 * 0,08 * L + (3,1416 * 0,082) / 4) = 0,2513 * L + 0, 0050 (m). Порахуємо площу декількох фільтрів для L = 10, 20 і 30 сантиметрів і занесемо дані в таблицю 1. Для кожного значення площ фільтрів обчислимо пропускається ними потік повітря, знаючи, що один квадратний метр нашого матеріалу при різниці тисків 5,09 mmH2O пропускає за хвилину 635 , 59 кубічних фута повітря.

Таблиця 1. Фільтр Плоский У вигляді мішка Розміри 80x80mm L = 10cm L = 20cm L = 30cm Площа, m2 0.0064 0.030 0.055 0.080 Потік повітря, CFM 4.067 19.068 34.957 50.847

Як уже згадувалося, повітропроникність матеріалу вказана для тиску 5,09 mmH2O. Завдамо отримані дані для декількох фільтрів на Графік 5. Криві повітряної проникності фільтрів будемо будувати у вигляді прямих, допускаючи, що в першому наближенні вони мають лінійний вигляд.

Висновки, які можна зробити з цього графіку: по-перше, цілком очевидно, що маючи матеріал і вентилятори, можна зібрати фільтр, який буде забезпечувати корпус певною кількістю повітря. Наприклад, для фільтра, зробленого з обраного матеріалу з розміром мішка 20 см і вентилятором 8025M, продуктивність складе 10 CFM (кубічних футів в хвилину). По-друге, розмір фільтра впливає на опір, яке він буде надавати потоку повітря. Якщо зробити фільтр з обраного матеріалу у вигляді квадрата розміром 80х80, то пропускна здатність з тим же вентилятором складе приблизно 2 CFM, що, звичайно ж, буде недостатньо для повноцінної вентиляції корпусу. Звідси випливає, що при застосуванні одних і тих же вентиляторів для підвищення продуктивності має сенс максимально збільшувати площу фільтра, тим самим підвищуючи періодичність його очищення. По-третє, вентилятори відцентрового типу має сенс застосовувати тільки з фільтрами великого опору, в іншому випадку продуктивність такого фільтру буде менше, ніж з використанням звичайного вентилятора.

Вище була розглянута робота фільтрів без урахування опору, створюваного корпусом. Очевидно, що робота фільтра буде максимально ефективною, коли опір корпусу буде мінімальним. Для забезпечення цієї умови має сенс оформляти різного роду Блоухол і встановлювати вентилятори на видув, не забуваючи, що ефективність роботи такої схеми досягається тільки за умови проходження через фільтри всього повітря, що надходить в системний блок.

Перейдемо від теорії до практики. Перший варіант модифікації комп'ютера був зроблений на моєму першому комп'ютері на базі Intel Pentium 233. Зараз він працює сервером невеликої локальної мережі.

Була обрана схема зображена на рисунку 3. Було перепробувано кілька комбінацій матеріалів і вентиляторів (аж до 220-ти вольтів). В остаточному підсумку, найефективнішим варіантом виявився варіант з двома звичайними 80-ти мм. вентиляторами і мішком з лавсанового полотна вражаючих розмірів. Як було з'ясовано пізніше, продуктивності одного вентилятора на 80 мм цілком вистачає для продувки мішка, вдвічі меншої площі.

У передній стінці комп'ютера, включаючи панель, співвісно були прорізані два отвори під 80-ти мм-й вентилятор. З шматка "ДСП" було випив кільце товщиною 20мм з зовнішнім і внутрішнім діаметрами 78 і 111 мм відповідно. Обидва вентилятора кріпилися до передньої стінки комп'ютера через кільце за допомогою шпильок з різьбленням, на які з двох сторін накручувалися гайки.

Мішок з полотна фіксувався на кільці за допомогою автомобільного хомутика. Вентилятор блоку харчування був включений через опір, для того, щоб його продуктивність була менше продуктивності фільтра. Оскільки даний варіант мав на увазі активне забруднення вентиляторів фільтра, їх підшипники ковзання були замінені на підшипники кочення, для збільшення ресурсу роботи вентиляторів.

Протягом останніх двох років комп'ютер працює практично без виключень. Якщо зробити фотографію нутрощів ближче, то ви там пилу не побачите, навіть на вентиляторі процесора. Хочете вірте, хочете ні, але він перед фотографуванням не пилосос.

Як можна побачити, матеріал фільтрів придбав сірий колір, особливо добре це видно в порівнянні з новим фільтром.

За 4 роки експлуатації мішок витрушувати тільки два рази. Перший раз приблизно рік чи півтора тому, а останній раз після отримання цих фотографій. На фотографії нижче, показано вміст мішка. Пилу чимало, але місце для неї, ще є.

Якщо мішок вивернути навиворіт, то там навіть можна знайти деяку живність. Ось вам ще один плюс такої системи :-)

З появою комп'ютера на базі Athlon 900 з'явилася можливість продовжити експерименти. На цей раз за основу була взята схема рисунка 4. Відмінною особливістю цього варіанту була установка вентилятора після матеріалу фільтра. Після недовгих експериментів з програмою AutoCAD була отримана 3-х мірна графічна модель фільтра.

За задумом, повітря з пилом повинен був засмоктуватися в фільтр зовні, а потім викидатися вентиляторами всередину корпусу. На відміну від моделі, матеріал фільтру для збільшення площі було вирішено виконати у вигляді 3-х кратно вкладеного конуса. Нижче показаний такий фільтр в розрізі.

Щоб потік повітря, що проходить через фільтр, був хорошим, довелося на кожен конус ставити по 2 вентилятора. Для зменшення шуму, створюваного взаємним впливом двох вентиляторів, вони були розділені кільцем, випиляним з ДСП. У реальному втіленні було прийнято рішення поставити два таких фільтра. У верхній частині корпусу створювався потік для охолодження 5.25 "пристроїв. У нижній частині виходив спрямований потік для плат розширення. Кожухи фільтрів були виконані з квіткових горщиків, які притягувалися до корпусу дужками, при цьому затискаючи матеріал фільтру.

У цього варіанту реалізації було виявлено два суттєвих недоліки:

1. Конуси посилювали шум вентиляторів, за принципом роботи рупора. Система була досить ефективною, але дуже галасливою.
2. Процес зняття і установки фільтрів був вкрай незручний.

Схиляюся до висновку, що це були не недоліки запропонованої схеми, а скоріше результати невдалого варіанта її реалізації. У підсумку, я повернувся до варіанту, зображеному на рисунку 3 і описаного в статті " Мод мого компа - повітряний фільтр ".

У цьому варіанті повітря надходить в корпус практично тим же шляхом, з тією лише різницею, що спочатку проходить вентилятори. Повітря з корпусу викидається з блоку живлення, мобілреков і саморобного воздухоотвода на процесорі. З переваг цієї схеми варто відзначити її простоту і легкість доступу до фільтрів. З недоліків: тепле повітря, що виходить через задню стінку, частково засмоктується знову в верхній задній фільтр. У нижній здебільшого не створюється направленого потоку на плати розширення, включаючи відеокарту. Для корпусу подруги була виготовлена ​​більш витончена система, тому що місця було небагато. Процес виготовлення системи описаний в статті " Мод для подруги на тему фільтрації повітря ".

Ефективність роботи всех віщеопісаніх фільтрів визначавши дуже просто. Через деякий час роботи відкривався системний блок і проводилася його ревізія на предмет виникнення пилу. Навіть її невеликої кількості вистачало для виведення, що схема працює не так, як треба. Після цього в систему вносилися необхідні зміни і процес визначення ефективності роботи повторювався. При цьому належна увага приділялася тепловому режиму системного блоку, адже нікому не потрібен нехай навіть стерильний, але згорілий або глючащій комп'ютер.

Цими словами закінчую свою трилогію статей по фільтрації. Сподіваюся, ці статті будуть корисні починаючим експериментаторам в цій області.

З повагою, DustKiller

Чекаємо на Ваші Коментарі в спеціально створеній гілці конференции .