Сергій Пахомов
характеристики вентиляторів
Модельний ряд вентиляторів NZXT
Невдячна це справа - робити огляд вентиляторів. Дійсно, за зовнішнім виглядом всі вони однакові, а технічних характеристик не так вже й багато, щоб було про що писати. А найприкріше, що немає можливості перевірити більшість з заявлених виробником характеристик. Точніше, для вимірювання таких характеристик, як створюваний повітряний потік і статичний тиск (не кажучи вже про характеристичної кривої), потрібно дуже громіздке і дороге устаткування. Аналогічна ситуація і з вимірюванням рівня шуму - в даному випадку взагалі потрібна спеціалізована лабораторія.
В Інтернеті і різних комп'ютерних журналах можна знайти результати тестування вентиляторів або кольорів з проведенням вимірювання рівня шуму і навіть таких характеристик, як створюваний повітряний потік і статичний тиск. Однак потрібно мати на увазі наступну важливу обставину. Для таких тестувань розробляється своя методика вимірювань і збирається необхідну обладнання. Важливо, що ці методики вимірювання відрізняються від тих загальноприйнятих методик (вони мають статус стандарту), якими користуються виробники вентиляторів. Відповідно одержувані в ході таких вимірювань значення різних характеристик вентилятора не мають нічого спільного з тими значеннями, які наводить виробник. Проте для порівняльного тестування такі методики вимірювання цілком підходять, оскільки дозволяють порівнювати вентилятори за рівнем шуму і за іншими характеристиками. Однак проводити вимірювання за цими методиками для підтвердження або спростування заявлених виробником даних - безглуздо.
Мабуть, єдине, що можна виміряти точно, - це швидкість обертання вентилятора. Однак сама по собі вона не відображає його продуктивності.
Що ж, залишається сподіватися на совість виробника і сподіватися, що наведені ним характеристики відповідають дійсності.
Власне, на цій сумній ноті можна було б і закінчити, а на закінчення огляду привести скупі технічні характеристики вентиляторів NZXT, проте не будемо настільки песимістичними і вчинимо інакше. При виборі вентилятора потрібно чітко уявляти, що означають ті характеристики, які заявляє виробник. А тому ми вирішили поєднати нашу статтю про вентилятори компанії NZXT з лікнеп по вентиляторів взагалі.
характеристики вентиляторів
Тож почнемо. Найголовніша характеристика вентилятора - це його розмір. Вибір вентилятора зазвичай починається з його розміру, оскільки всі корпуси допускають установку вентиляторів тільки певного розміру.
За типорозміру найбільш поширені вентилятори 80x80, 92x92 і 120x120 мм. Однак зустрічаються і інші розміри: 140x140, 200x200 мм і навіть більше.
Зрозуміло, що чим більше розмір вентилятора, тим вище його продуктивність. Тобто якщо порівняти, наприклад, 120 і 80-міліметровий вентилятори, то при рівній швидкості обертання продуктивність 120-міліметрового вентилятора буде вище.
Втім, не будемо забігати вперед і спочатку спробуємо розібратися, що таке продуктивність вентилятора.
Під продуктивністю вентилятора розуміють створюваний ним повітряний потік (Air Flow), тобто об'єм повітря, що прокачується вентилятором в одиницю часу. Продуктивність вентилятора прийнято виражати в кубічних футів за хвилину (Cubic Feet per minute, CFM). Це одна з найважливіших характеристик вентилятора, яка завжди вказується виробником. Саме повітряний потік, створюваний вентилятором, визначає, яку кількість розсіюється тепла можна буде відводити з корпусу в одиницю часу.
Дійсно, припустимо, що сумарна розсіює усіма пристроями всередині корпусу комп'ютера теплова потужність становить W, а різниця температур всередині і зовні корпусу -? T = Tin - Tout.
Нехай повітря масою m, що надходить в системний блок, нагрівається на? T за час t. Тоді за цей час йому передається кількість теплоти, що дорівнює Wt = mcp? T, де сp - теплоємність повітря при постійному тиску.
Висловивши масу повітря через його щільність і обсяг, отримаємо:
W =? (V / t) cp? T.
З огляду на, що обсяг повітря, що прокачується через корпус в одиницю часу, дорівнює:
Q = V / t,
необхідний для відводу теплової потужності W повітряний потік складе:
Підставляючи в цю формулу щільність і питому теплоємність повітря, а також перетворивши повітряний потік в CFM, отримаємо:
Q (CFM) = 1,76 (W /? T).
Як видно, для того щоб забезпечити певну різницю температур всередині і зовні корпусу, необхідно створити повітряний потік, прямо пропорційний розсіюється теплової потужності. Наприклад, якщо всі пристрої всередині корпусу розсіюють максимальну теплову потужність 300 Вт, температура зовні корпусу 25 ° С, а всередині корпусу повинна становити 45 ° С, то необхідний для цього повітряний потік повинен бути рівний 26,4 СFM. Здавалося б, повітряний потік в 26,4 CFM - це не дуже багато, такий повітряний потік здатний забезпечити навіть тихий, малопотужний вентилятор. Однак потрібно мати на увазі, що повітряний потік, створюваний вентилятором, і повітряний потік, що прокачується через корпус системного блоку, - це не одне і те ж. Тобто якщо вентилятор встановлюється в корпус системного блоку, то його продуктивність вже буде відрізнятися від заявленої в технічній документації.
Справа в тому, що вказується в документації продуктивність вентилятора розраховується в ідеальних умовах відсутності опору створюваному їм повітряному потоку. У реальних умовах на шляху повітряного потоку, який формується вентилятором, завжди існують перешкоди, які призводять до зменшення обсягу повітря, що прокачується через вентилятор в одиницю часу, і збільшення різниці між тиском повітряного потоку, який формується вентилятором, і тиском в навколишньому середовищі (атмосферним тиском).
Розглянемо простий приклад. Нехай вентилятор встановлений на вході в герметичну камеру і нагнітає туди повітря. Зрозуміло, що через деякий час повітряний потік, створюваний вентилятором, стане дорівнює нулю, а тиск в самій камері збільшиться. Тобто через деякий час вентилятор перестане нагнітати в камеру повітря і буде лише підтримувати різницю тисків всередині і зовні.
Тобто якщо, наприклад, вентилятор розташувати в трубі впритул до стіни, то стіна буде перешкодою для проходження формованого повітряного потоку (повітряний потік взагалі не буде проходити через стіну). У той же час повітряний тиск між стіною і вентилятором буде вище, ніж навколишнє атмосферний тиск.
Для того щоб врахувати різницю між повітряним потоком, створюваним кулером в ідеальних і реальних умовах, вводять поняття характеристичної кривої або видаткової характеристики вентилятора, а також статичний тиск, що створюється вентилятором.
Під статичним тиском? p є різницею між тиском повітряного потоку, який формується вентилятором, і атмосферним тиском. Статичний тиск вентилятора прийнято вимірювати в міліметрах водяного стовпа (мм H2O). Максимальна статичний тиск вентилятора також є дуже важливою характеристикою і вказується разом з повітряним потоком.
Зрозуміло, що між повітряним потоком, створюваним вентилятором, і статичним тиском існує взаємозв'язок. Зокрема, максимальне статичний тиск формується вентилятором в герметичній камері (як в розглянутому вище прикладі), тобто коли повітряний потік дорівнює нулю, а максимальний повітряний потік (тобто потік, створюваний вентилятором в ідеальних умовах відсутності перешкод) досягається тільки при нульовому статичному тиску . Це, що називається, два крайніх випадку. У загальному ж випадку можна сказати, що статичний тиск є функцією продуктивності вентилятора:? p = f (Q). Ця функція носить назву характеристичної кривої або видаткової характеристики вентилятора. Характеристичні криві виходять в результаті лабораторних досліджень вентиляторів в спеціальних камерах (flow bench) відповідно до строго певною методикою Air Movement and Control Association (AMCA) Standard 210-99.
Приклад характеристичної кривої вентилятора показаний на рис. 1.
Мал. 1. Приклад характеристичної кривої вентилятора
Характеристичні криві вентиляторів можуть наводитися в їх паспортних даних, однак варто відзначити, що це швидше виняток з правил, ніж загальноприйнята практика.
Крім таких параметрів, як повітряний потік і статичний тиск, вентилятори прийнято характеризувати швидкістю обертання і рівнем створюваного шуму.
Швидкість обертання вентилятора вимірюється в оборотах в хвилину (Rotations Per Minute, RPM). Природно, виробник завжди вказує максимальну швидкість обертання, а статичний тиск і повітряний потік наводяться саме для максимальної швидкості обертання. Справа в тому, що швидкість обертання вентилятора може змінюватися. Існує два основних способи керування швидкістю обертання вентиляторів: шляхом зміни напруги живлення і за допомогою широтноімпульсної модуляції (PWM) напруги харчування.
Зі зміною напруги живлення все очевидно: чим вище напруга, тим більше швидкість обертання. Відзначимо лише, що максимальна напруга живлення вентиляторів становить 12 В, а мінімальне залежить від конкретної моделі вентилятора. Тобто існують вентилятори, які починають обертатися вже при напрузі живлення 3 В, а деяким моделям потрібна мінімальна напруга в 5 В.
Відзначимо, що даний спосіб зміни швидкості обертання підтримують всі вентилятори. У той же час є моделі, які поряд із зазначеним способом підтримують і управління швидкістю обертання за допомогою широтноімпульсної модуляції напруги живлення (Pulse Wide Modulation, PWM).
Ідея цього способу досить проста: замість того щоб змінювати амплітуду напруги живлення, напруга подають на вентилятор імпульсами певної тривалості. Амплітуда імпульсів напруги і частота їх проходження незмінні, змінюється тільки їх тривалість. Фактично вентилятор періодично включають і вимикають. Підібравши частоту проходження імпульсів і їх тривалість, можна керувати швидкістю обертання вентилятора.
Ставлення проміжку часу Ton, протягом якого напруга має високе значення, до періоду проходження імпульсів напруги (Ton + Toff), вимірюваній в процентах, називається скважностью PWM-імпульсів. Якщо, наприклад, шпаруватість дорівнює 30%, то час, протягом якого на вентилятор подається напруга, становить 30% від періоду імпульсу.
Відзначимо, що вентилятори, що підтримують PWM-керування, повинні бути чотирьохконтактного. Взагалі, вентилятори можуть бути двох-, трьох- і чотирьохконтактного. Якщо вентилятори двоконтактний, то вони підключаються до MOLEX-роз'єму блоку живлення і не підтримують можливості зміни швидкості обертання. Власне, два контакти в даному випадку - це контакт 12 В і «земля».
Якщо вентилятор трьохконтактний, то третім контактом є сигнал тахометра, що формується самим вентилятором і необхідний для визначення поточної швидкості обертання. Справа в тому, що вентилятори з сигналом тахометра за кожен оборот крильчатки формують два прямокутних імпульсу (власне, ці імпульси і являють собою сигнал тахометра). Знаючи частоту проходження імпульсів сигналу тахометра, можна розрахувати швидкість обертання вентилятора. Так, якщо частота імпульсів становить F (Гц), то швидкість обертання вентилятора розраховується за формулою V (RPM) = 30 xF (Гц).
У чотирьохконтактних вентиляторах, крім трьох описаних вище контактів, додається ще один - для передачі керуючих PWM-імпульсів. Ці керуючі імпульси використовуються для періодичного відключення двигуна вентилятора від лінії живлення 12 В.
Ну і ще однією важливою характеристикою вентилятора є рівень створюваного їм шуму.
Рівень шуму вентиляторів виражається в децибелах по фільтру A (дБА) (фільтр A враховує особливість сприйняття звуку людським вухом на різних частотах). Відзначимо, що для людини рівень шуму в 30 дБА сприймається як повна тиша, саме тому у багатьох шумомірів шкала вимірювання починається з 30 дБА.
Як правило, якщо в технічних характеристиках вентилятора вказується діапазон зміни швидкості, то заявляється рівень шуму відповідає мінімальній швидкості обертання.
Очевидно, що статичний тиск, що створюється вентилятором, що формується ним повітряний потік і рівень шуму вентилятора залежать від таких характеристик, як швидкість обертання і діаметр вентилятора. Закони, що зв'язують ці величини між собою, називаються законами вентилятора.
При збільшенні швидкості обертання вентилятора від значення N1 до N2 формований їм повітряний потік збільшується від значення Q1 до Q2, статичний тиск зростає від p1 до p2, а рівень шуму (Noise Level, NL) - від значення NL1 до NL2, причому:
Припустимо, потрібно збільшити повітряний потік на 10%. Для цього потрібно просто підвищити швидкість обертання вентилятора на 10%. При цьому статичний тиск, що створюється вентилятором, збільшиться на 21%. Крім того, на 2 дБ виросте і рівень шуму, створюваного вентилятором.
Якщо ж розглянути вентилятори різного діаметру, але на базі одного і того ж електродвигуна і при однаковій формі крильчатки, то при рівній швидкості обертання збільшення діаметра крильчатки від значення D1 до D2 призведе до зміни повітряного потоку і статичного тиску у відповідності з наступним законом:
Тобто при заміні 92-міліметрового вентилятора на аналогічний за формою 120-міліметровий вентилятор повітряний потік збільшиться в 2,2 рази, а статичний тиск - в 1,7 рази.
Ну і остання технічна характеристика, яка майже завжди вказується, - це тип використовуваного підшипника. Класичними варіантами підшипників є підшипники ковзання (Sleeve Bearings) і кочення (Ball Bearings). Підшипники ковзання - це найдешевші і прості підшипники. У випадку з вентиляторами такої підшипник є змащені циліндри з великою товщиною стінок, в які вставляється обертається вісь (вал ротора). Підшипники ковзання мають не дуже велику тривалість життя, і з часом їх характеристики погіршуються. Пов'язано це з тим, що при роботі поступово змінюються властивості змащуючого речовини (мастило починає густіти і висихати).
Підшипник кочення (Ball Bearings) влаштований складніше, а отже, він дорожчий. Він складається із зовнішнього корпусу і внутрішньої втулки, які з'єднані між собою невеликими металевими кульками. Підшипник кочення, застосовуваний в вентиляторах, являє собою нерозбірну деталь, і мастильний матеріал, який використовується всередині нього, не забруднюється, а властивості погіршуються набагато повільніше, ніж у підшипників ковзання. Це помітно збільшує термін служби вентилятора. Крім того, такі підшипники малошумні.
Крім класичних варіантів підшипників ковзання і кочення існують інші різні їх варіанти.
Так, використовуються гідродинамічні (Fluid Dynamic Bearings), магнітні (Magnetic Bearings), керамічні підшипники (Ceramic Bearings) і підшипники ковзання з гвинтовою нарізкою (Rifle Bearings).
Гідродинамічні підшипники (Fluid Dynamic Bearings) представляють собою модифіковану версію підшипника ковзання. У таких підшипниках вал ротора не стосується твердих поверхонь, а обертається усередині невеликої масляної ванни, внаслідок чого підвищується надійність і зменшується шум.
Магнітні підшипники (Magnetic Bearings) - це новий тип підшипників, який поки ще рідко зустрічається. У таких підшипниках взагалі немає ні мастила, ні дотичних частин. Вал ротора утримується магнітним полем. Такі підшипники самі тихі і довговічні.
Керамічні підшипники (Ceramic Bearings) - це підшипники кочення, в яких замість металевих кульок використовуються керамічні.
Підшипники ковзання з гвинтовою нарізкою (Rifle Bearings) - це модифікація підшипників ковзання. Вони відрізняються від класичних підшипників ковзання тим, що в них в циліндрі і роторі по спіралі нарізані спеціальні канавки, в яких постійно знаходиться мастило. Завдяки більш рівномірному розподілу мастила збільшується термін служби.
Отже, розглянувши всі основні характеристики вентиляторів і озброївшись багажем знань, перейдемо від теорії до практики і розглянемо модельний ряд вентиляторів компанії NZXT.
Модельний ряд вентиляторів NZXT
Модельний ряд вентиляторів NZXT досить скромний - всього чотири моделі: 120-, 140- і два 200-мм вентилятора.
120-мм вентилятори є широко поширеними, а ось 140 і 200-мм-це досить специфічні моделі, які можна встановити далеко не в кожен корпус.
Всі вентилятори NZXT мають підшипники типу Rifle Bearing, тобто підшипники ковзання з гвинтовою нарізкою. Правда, при цьому не дуже зрозуміло, чому для моделі FS 200RB заявлений термін служби 25 тис. Годин, а для моделі FN 200RB, конструктивно точно такий же і відрізняється лише більш високою швидкістю, - 40 тис. Годин.
Всі вентилятори NZXT можуть мати або трьох-, або чотирьохконтактний роз'єм.
Максимальна швидкість обертання для моделей FN 120RB, FN 140RB і FN 200RB становить 1300 RPM, а для «тихохідної» моделі FS 200RB серії Silent - 800 RPM.
Всі характеристики вентиляторів NZXT наведені в таблиці . Однак досить цікаво простежити, як виконуються (або не виконуються) закони вентиляторів на прикладі моделей фірми NZXT.
Порівняємо моделі FN 120RB и FN 140RB. Конструктивно це абсолютно однакові вентилятори, Які розрізняються лишь діаметром крільчаткі. Якщо взяти за основу повітряний потік і статичний тиск 120-мм вентилятора, то за законами вентилятора для 140-мм моделі отримаємо, що повітряний потік повинен становити 75 CFM, а статичний тиск - 1,29 мм H2O. Однак для 140-мм вентилятора FN 140RB в технічних характеристиках наводяться зовсім інші дані. Причому найдивніше, що заявляється статичний тиск моделі у FN 140RB навіть менше, ніж у моделі FN 120RB.
Якщо порівнювати 200-мм моделі FN 200RB і FS 200RB, то конструктивно вони абсолютно однакові і розрізняються лише швидкістю обертання. Якщо взяти за основу повітряний потік і статичний тиск моделі у FS 200RB, то за законами вентилятора для моделі FN 200RB повітряний потік повинен скласти 145,4 CFM, а статичний тиск - 2,59 мм H2O. Проте для моделі FN 200RB вказуються зовсім інші значення.
Варіантів цього пояснення три. Або моделі FN 200RB і FS 200RB розрізняються не тільки швидкістю обертання, а моделі FN 120RB і FN 140RB - не тільки діаметром крильчатки (тоді незрозуміло, в чому їх відмінність), або в технічні характеристики вкрали помилки, або є якісь китайські поправки до законів вентиляторів , про які ми не знаємо (компанія NZXT вважається американської, проте все її виробництво зосереджено на Тайвані і в Китаї).
На закінчення наведемо результати вимірювання швидкості обертання для трьох моделей вентиляторів: FN 140RB, FN 200RB і FS 200RB.
Для вимірювання швидкості обертання ми використовували цифровий осцилограф, за допомогою якого контролювався сигнал тахометра. Крім максимальної швидкості обертання, ми виміряли діапазон зміни швидкості, для чого вентилятори підключалися до панелі управління NZXT Sentry LXE, що дозволяє змінювати напругу живлення вентилятора. Результати вимірювань представлені на рис. 2.
Мал. 2. Залежність швидкості обертання вентиляторів від напруги живлення
Як бачите, для моделі FN 140RB діапазон зміни швидкості складає від 519 до 1152 RPM, причому мінімальна швидкість обертання досягається при напрузі 3,63 В. Для моделі FN 200RB швидкість змінюється в діапазоні від 591 до 1 275 RPM, а для моделі FS 200RB - від 303 до 627 RPM. У всіх трьох випадках максимальна швидкість обертання трохи нижче, ніж заявлено в технічних характеристиках.
КомпьютерПресс 01'2011