Вентиляторы NZXT
Модельный ряд вентиляторов NZXT
Неблагодарное это занятие — делать обзор вентиляторов. Действительно, по внешнему виду все они одинаковые, а технических характеристик не так уж много, чтобы было о чем писать. А самое обидное, что нет возможности проверить большинство из заявляемых производителем характеристик. Точнее, для измерения таких характеристик, как создаваемый воздушный поток и статическое давление (не говоря уже о характеристической кривой), требуется очень громоздкое и дорогостоящее оборудование. Аналогичная ситуация и с измерением уровня шума — в данном случае вообще нужна специализированная лаборатория.
В Интернете и различных компьютерных журналах можно найти результаты тестирования вентиляторов или кулеров с проведением измерения уровня шума и даже таких характеристик, как создаваемый воздушный поток и статическое давление. Однако нужно иметь в виду следующее важное обстоятельство. Для таких тестирований разрабатывается своя методика измерений и собирается требуемое оборудование. Важно, что эти методики измерения отличаются от тех общепринятых методик (они имеют статус стандарта), которыми пользуются производители вентиляторов. Соответственно получаемые в ходе таких измерений значения различных характеристик вентилятора не имеют ничего общего с теми значениями, которые приводит производитель. Тем не менее для сравнительного тестирования такие методики измерения вполне подходят, поскольку позволяют сравнивать вентиляторы по уровню шума и по другим характеристикам. Однако проводить измерения по этим методикам для подтверждения или опровержения заявляемых производителем данных — бессмысленно.
Пожалуй, единственное, что можно измерить точно, — это скорость вращения вентилятора. Однако сама по себе она не отражает его производительности.
Что ж, остается уповать на совесть производителя и надеяться, что приводимые им характеристики соответствуют действительности.
Собственно, на этой печальной ноте можно было бы и закончить, а в заключение обзора привести скупые технические характеристики вентиляторов NZXT, однако не будем столь пессимистичными и поступим иначе. При выборе вентилятора нужно четко представлять, что означают те характеристики, которые заявляет производитель. А потому мы решили совместить нашу статью о вентиляторах компании NZXT с ликбезом по вентиляторам вообще.
Характеристики вентиляторов
Итак, начнем. Самая главная характеристика вентилятора — это его размер. Выбор вентилятора обычно начинается с его размера, поскольку все корпуса допускают установку вентиляторов только определенного размера.
По типоразмеру наиболее распространены вентиляторы 80x80, 92x92 и 120x120 мм. Однако встречаются и другие размеры: 140x140, 200x200 мм и даже больше.
Понятно, что чем больше размер вентилятора, тем выше его производительность. То есть если сравнить, к примеру, 120- и 80-миллиметровый вентиляторы, то при равной скорости вращения производительность 120-миллиметрового вентилятора будет выше.
Впрочем, не будем забегать вперед и сначала попробуем разобраться, что такое производительность вентилятора.
Под производительностью вентилятора понимают создаваемый им воздушный поток (Air Flow), то есть объем воздуха, прокачиваемый вентилятором в единицу времени. Производительность вентилятора принято выражать в кубических футах в минуту (Cubic Feet per minute, CFM). Это одна из важнейших характеристик вентилятора, которая всегда указывается производителем. Именно воздушный поток, создаваемый вентилятором, определяет, какое количество рассеиваемого тепла можно будет отводить из корпуса в единицу времени.
Действительно, предположим, что суммарная рассеиваемая всеми устройствами внутри корпуса компьютера тепловая мощность составляет W, а разность температур внутри и снаружи корпуса — ?T = Tin – Tout.
Пусть воздух массой m, поступающий в системный блок, нагревается на ?T за время t. Тогда за это время ему передается количество теплоты, равное Wt = mcp ?T, где сp — теплоемкость воздуха при неизменном давлении.
Выразив массу воздуха через его плотность и объем, получим:
W = ? (V/t) cp?T.
Учитывая, что объем воздуха, прокачиваемый через корпус в единицу времени, равен:
Q = V/t ,
требуемый для отвода тепловой мощности W воздушный поток составит:
Подставляя в данную формулу плотность и удельную теплоемкость воздуха, а также преобразовав воздушный поток в CFM, получим:
Q(CFM) = 1,76(W/?T) .
Как видно, для того чтобы обеспечить определенную разницу температур внутри и снаружи корпуса, необходимо создать воздушный поток, прямо пропорциональный рассеиваемой тепловой мощности. Например, если все устройства внутри корпуса рассеивают максимальную тепловую мощность 300 Вт, температура снаружи корпуса 25 °С, а внутри корпуса должна составлять 45 °С, то необходимый для этого воздушный поток должен быть равен 26,4 СFM. Казалось бы, воздушный поток в 26,4 CFM — это не слишком много, такой воздушный поток способен обеспечить даже тихий, маломощный вентилятор. Однако нужно иметь в виду, что воздушный поток, создаваемый вентилятором, и воздушный поток, прокачиваемый через корпус системного блока, — это не одно и то же. То есть если вентилятор устанавливается в корпус системного блока, то его производительность уже будет отличаться от заявленной в технической документации.
Дело в том, что указываемая в документации производительность вентилятора рассчитывается в идеальных условиях отсутствия сопротивления создаваемому им воздушному потоку. В реальных условиях на пути воздушного потока, формируемого вентилятором, всегда существуют препятствия, которые приводят к уменьшению объема воздуха, прокачиваемого через вентилятор в единицу времени, и увеличению разницы между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором, и давлением в окружающей среде (атмосферным давлением).
Рассмотрим простой пример. Пусть вентилятор установлен на входе в герметичную камеру и нагнетает туда воздух. Понятно, что через некоторое время воздушный поток, создаваемый вентилятором, станет равен нулю, а давление в самой камере увеличится. То есть через некоторое время вентилятор перестанет нагнетать в камеру воздух и будет лишь поддерживать разницу давлений внутри и снаружи.
То есть если, например, вентилятор расположить в трубе вплотную к стене, то стена будет препятствием для прохождения формируемого воздушного потока (воздушный поток вообще не будет проходить через стену). В то же время воздушное давление между стеной и вентилятором будет выше, чем окружающее атмосферное давление.
Для того чтобы учесть разницу между воздушным потоком, создаваемым кулером в идеальных и реальных условиях, вводят понятие характеристической кривой или расходной характеристики вентилятора, а также статическое давление, создаваемое вентилятором.
Под статическим давлением ?p понимается разница между давлением воздушного потока, формируемого вентилятором, и атмосферным давлением. Статическое давление вентилятора принято измерять в миллиметрах водяного столба (мм H2O). Максимальное статическое давление вентилятора также является очень важной характеристикой и указывается вместе с воздушным потоком.
Понятно, что между воздушным потоком, создаваемым вентилятором, и статическим давлением существует взаимосвязь. В частности, максимальное статическое давление формируется вентилятором в герметичной камере (как в рассмотренном выше примере), то есть когда воздушный поток равен нулю, а максимальный воздушный поток (то есть поток, создаваемый вентилятором в идеальных условиях отсутствия препятствий) достигается только при нулевом статическом давлении. Это, что называется, два крайних случая. В общем же случае можно сказать, что статическое давление является функцией производительности вентилятора: ?p = f(Q). Эта функция носит название характеристической кривой или расходной характеристики вентилятора. Характеристические кривые получаются в результате лабораторных исследований вентиляторов в специальных камерах (flow bench) в соответствии со строго определенной методикой Air Movement and Control Association (AMCA) Standard 210-99.
Пример характеристической кривой вентилятора показан на рис. 1.
Рис. 1. Пример характеристической кривой вентилятора
Характеристические кривые вентиляторов могут приводиться в их паспортных данных, однако стоит отметить, что это скорее исключение из правил, нежели общепринятая практика.
Кроме таких параметров, как воздушный поток и статическое давление, вентиляторы принято характеризовать скоростью вращения и уровнем создаваемого шума.
Скорость вращения вентилятора измеряется в оборотах в минуту (Rotations Per Minute, RPM). Естественно, производитель всегда указывает максимальную скорость вращения, а статическое давление и воздушный поток приводятся именно для максимальной скорости вращения. Дело в том, что скорость вращения вентилятора может изменяться. Существует два основных способа управления скоростью вращения вентиляторов: путем изменения напряжения питания и посредством широтноимпульсной модуляции (PWM) напряжения питания.
С изменением напряжения питания всё очевидно: чем выше напряжение, тем больше скорость вращения. Отметим лишь, что максимальное напряжение питания вентиляторов составляет 12 В, а минимальное зависит от конкретной модели вентилятора. То есть существуют вентиляторы, которые начинают вращаться уже при напряжении питания 3 В, а некоторым моделям требуется минимальное напряжение в 5 В.
Отметим, что данный способ изменения скорости вращения поддерживают все вентиляторы. В то же время есть модели, которые наряду с указанным способом поддерживают и управление скоростью вращения посредством широтноимпульсной модуляции напряжения питания (Pulse Wide Modulation, PWM).
Идея этого способа довольно проста: вместо того чтобы изменять амплитуду напряжения питания, напряжение подают на вентилятор импульсами определенной длительности. Амплитуда импульсов напряжения и частота их следования неизменны, меняется только их длительность. Фактически вентилятор периодически включают и выключают. Подобрав частоту следования импульсов и их длительность, можно управлять скоростью вращения вентилятора.
Отношение промежутка времени Ton, в течение которого напряжение имеет высокое значение, к периоду следования импульсов напряжения (Ton + Toff), измеряемому в процентах, называется скважностью PWM-импульсов. Если, к примеру, скважность равна 30%, то время, в течение которого на вентилятор подается напряжение, составляет 30% от периода импульса.
Отметим, что вентиляторы, поддерживающие PWM-управление, должны быть четырехконтактными. Вообще, вентиляторы могут быть двух-, трех- и четырехконтактными. Если вентиляторы двухконтактные, то они подключаются к MOLEX-разъему блока питания и не поддерживают возможности изменения скорости вращения. Собственно, два контакта в данном случае — это контакт 12 В и «земля».
Если вентилятор трехконтактный, то третьим контактом является сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения. Дело в том, что вентиляторы с сигналом тахометра за каждый оборот крыльчатки формируют два прямоугольных импульса (собственно, эти импульсы и представляют собой сигнал тахометра). Зная частоту следования импульсов сигнала тахометра, можно рассчитать скорость вращения вентилятора. Так, если частота импульсов составляет F(Гц), то скорость вращения вентилятора рассчитывается по формуле V (RPM) = 30xF(Гц).
В четырехконтактных вентиляторах, кроме трех описанных выше контактов, добавляется еще один — для передачи управляющих PWM-импульсов. Эти управляющие импульсы используются для периодического отключения двигателя вентилятора от линии питания 12 В.
Ну и еще одной важной характеристикой вентилятора является уровень создаваемого им шума.
Уровень шума вентиляторов выражается в децибелах по фильтру A (дБА) (фильтр A учитывает особенность восприятия звука человеческим ухом на разных частотах). Отметим, что для человека уровень шума в 30 дБА воспринимается как полная тишина, именно поэтому у многих шумомеров шкала измерения начинается с 30 дБА.
Как правило, если в технических характеристиках вентилятора указывается диапазон изменения скорости, то заявляемый уровень шума соответствует минимальной скорости вращения.
Очевидно, что статическое давление, создаваемое вентилятором, формируемый им воздушный поток и уровень шума вентилятора зависят от таких характеристик, как скорость вращения и диаметр вентилятора. Законы, связывающие эти величины друг с другом, называются законами вентилятора.
При увеличении скорости вращения вентилятора от значения N1 до N2 формируемый им воздушный поток увеличивается от значения Q1 до Q2, статическое давление возрастает от p1 до p2, а уровень шума (Noise Level, NL) — от значения NL1 до NL2 , причем:
Предположим, требуется увеличить воздушный поток на 10%. Для этого нужно просто повысить скорость вращения вентилятора на 10%. При этом статическое давление, создаваемое вентилятором, увеличится на 21%. Кроме того, на 2 дБ вырастет и уровень шума, создаваемого вентилятором.
Если же рассмотреть вентиляторы разного диаметра, но на базе одного и того же электродвигателя и при одинаковой форме крыльчатки, то при равной скорости вращения увеличение диаметра крыльчатки от значения D1 до D2 приведет к изменению воздушного потока и статического давления в соответствии со следующим законом:
То есть при замене 92-миллиметрового вентилятора на аналогичный по форме 120-миллиметровый вентилятор воздушный поток увеличится в 2,2 раза, а статическое давление — в 1,7 раза.
Ну и последняя техническая характеристика, которая почти всегда указывается, — это тип используемого подшипника. Классическими вариантами подшипников являются подшипники скольжения (Sleeve Bearings) и качения (Ball Bearings). Подшипники скольжения — это самые дешевые и простые подшипники. В случае с вентиляторами такой подшипник представляют собой смазанные цилиндры с большой толщиной стенок, в которые вставляется вращающаяся ось (вал ротора). Подшипники скольжения имеют не очень большую продолжительность жизни, и со временем их характеристики ухудшаются. Связано это с тем, что при работе постепенно изменяются свойства смазывающего вещества (смазка начинает густеть и высыхать).
Подшипник качения (Ball Bearings) устроен более сложно, а следовательно, он более дорогой. Он состоит из внешнего корпуса и внутренней втулки, которые соединены между собой небольшими металлическими шариками. Подшипник качения, применяемый в вентиляторах, представляет собой неразборную деталь, и смазочный материал, используемый внутри него, не загрязняется, а свойства ухудшаются гораздо медленнее, чем у подшипников скольжения. Это заметно увеличивает срок службы вентилятора. Кроме того, такие подшипники малошумные.
Кроме классических вариантов подшипников скольжения и качения существуют другие различные их варианты.
Так, используются гидродинамические (Fluid Dynamic Bearings), магнитные (Magnetic Bearings), керамические подшипники (Ceramic Bearings) и подшипники скольжения с винтовой нарезкой (Rifle Bearings).
Гидродинамические подшипники (Fluid Dynamic Bearings) представляют собой модифицированную версию подшипника скольжения. В таких подшипниках вал ротора не касается твердых поверхностей, а вращается внутри небольшой масляной ванны, вследствие чего повышается надежность и уменьшается шум.
Магнитные подшипники (Magnetic Bearings) — это новый тип подшипников, который пока еще редко встречается. В таких подшипниках вообще нет ни смазки, ни соприкасающихся частей. Вал вращающегося ротора удерживается магнитным полем. Такие подшипники самые тихие и долговечные.
Керамические подшипники (Ceramic Bearings) — это подшипники качения, в которых вместо металлических шариков используются керамические.
Подшипники скольжения с винтовой нарезкой (Rifle Bearings) — это модификация подшипников скольжения. Они отличаются от классических подшипников скольжения тем, что в них в цилиндре и роторе по спирали нарезаны специальные канавки, в которых постоянно находится смазка. Благодаря более равномерному распределению смазки увеличивается срок службы.
Итак, рассмотрев все основные характеристики вентиляторов и вооружившись багажом знаний, перейдем от теории к практике и рассмотрим модельный ряд вентиляторов компании NZXT.
Модельный ряд вентиляторов NZXT
Модельный ряд вентиляторов NZXT довольно скромный — всего четыре модели: 120-, 140- и два 200-мм вентилятора.
120-мм вентиляторы являются широко распространенными, а вот 140- и 200-мм— это довольно специфические модели, которые можно установить далеко не в каждый корпус.
Все вентиляторы NZXT имеют подшипники типа Rifle Bearing, то есть подшипники скольжения с винтовой нарезкой. Правда, при этом не очень понятно, почему для модели FS 200RB заявлен срок службы 25 тыс. часов, а для модели FN 200RB, конструктивно точно такой же и отличающейся лишь более высокой скоростью, — 40 тыс. часов.
Все вентиляторы NZXT могут иметь либо трех-, либо четырехконтактный разъем.
Максимальная скорость вращения для моделей FN 120RB, FN 140RB и FN 200RB составляет 1300 RPM, а для «тихоходной» модели FS 200RB серии Silent — 800 RPM.
Все характеристики вентиляторов NZXT приведены в таблице. Однако довольно интересно проследить, как выполняются (или не выполняются) законы вентиляторов на примере моделей фирмы NZXT.
Сравним модели FN 120RB и FN 140RB. Конструктивно это абсолютно одинаковые вентиляторы, которые различаются лишь диаметром крыльчатки. Если взять за основу воздушный поток и статическое давление 120-мм вентилятора, то по законам вентилятора для 140-мм модели получим, что воздушный поток должен составлять 75 CFM, а статическое давление — 1,29 мм H2O. Однако для 140-мм вентилятора FN 140RB в технических характеристиках приводятся совсем другие данные. Причем самое удивительное, что заявляемое статическое давление модели у FN 140RB даже меньше, чем у модели FN 120RB.
Если сравнивать 200-мм модели FN 200RB и FS 200RB, то конструктивно они абсолютно одинаковые и различаются лишь скоростью вращения. Если взять за основу воздушный поток и статическое давление модели у FS 200RB, то по законам вентилятора для модели FN 200RB воздушный поток должен составить 145,4 CFM, а статическое давление — 2,59 мм H2O. Тем не менее для модели FN 200RB указываются совсем другие значения.
Вариантов этого объяснения три. Либо модели FN 200RB и FS 200RB различаются не только скоростью вращения, а модели FN 120RB и FN 140RB — не только диаметром крыльчатки (тогда непонятно, в чем их различие), либо в технические характеристики вкрались ошибки, либо есть какието китайские поправки к законам вентиляторов, о которых мы не знаем (компания NZXT считается американской, однако всё ее производство сосредоточено на Тайване и в Китае).
В заключение приведем результаты измерения скорости вращения для трех моделей вентиляторов: FN 140RB, FN 200RB и FS 200RB.
Для измерения скорости вращения мы использовали цифровой осциллограф, с помощью которого контролировался сигнал тахометра. Кроме максимальной скорости вращения, мы измерили диапазон изменения скорости, для чего вентиляторы подключались к панели управления NZXT Sentry LXE, позволяющей изменять напряжение питания вентилятора. Результаты измерений представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость скорости вращения вентиляторов от напряжения питания
Как видите, для модели FN 140RB диапазон изменения скорости составляет от 519 до 1152 RPM, причем минимальная скорость вращения достигается при напряжении 3,63 В. Для модели FN 200RB скорость меняется в диапазоне от 591 до 1275 RPM, а для модели FS 200RB — от 303 до 627 RPM. Во всех трех случаях максимальная скорость вращения немного ниже, чем заявлено в технических характеристиках.
 |
|
