Testovací metodika ventilátorů

Okolní atmosféra je téměř vždy tím posledním "odkladištěm" tepelné energie. Technologie jako vodní chlazení nebo heatpipe jsou pouze prostředkem k tomu, aby se tato energie co nejrychleji a nejefektivněji mohla dostat od svého zdroje (počítač) a zmizet ve zdánlivě bezedném chřtánu tepelné kapacity okoloproudící masy vzduchu.

Slovy čísel, pokud za 1 minutu proteče kolem chladiče 1 kubická stopa (CFM*) vzduchu, kterou chladič obohatí o 0,596 W tepelné energie, pak se tento vzduch ohřeje o 1 °C (mluvíme o standardní hustotě vzduchu asi 1,2 kg/m³). Je tedy jasné, že pro uchlazení dnešních výkonných součástek je třeba vytvořit dostatečně intenzívní proudění vzduchu, aby se po převzetí tepelné energie nebezpečně neoteploval a současně co nejrychleji opustil místo kontaktu se zdrojem tepla, čímž se na jeho místo dostane nový, chladnější.

* Budeme se bavit o - v našich končinách jinak nepříliš zabydlených - kubických stopách, protože těmito jednotkami popisuje specifikace ventilátorů většina výrobců. Pokud chceme přepočítat CFM na m³/h, musíme je vynásobit číslem 1,696. Ventilátor s výkonem 100 CFM bude moci být označen i jako 169,6 m³/h.

Zde se dostáváme k výkonu axiálních ventilátorů (a tedy i našemu hlavnímu tématu). Jejich úkolem je přečerpávat vzduch z jedné strany na druhou - a to ideálně s co nejnižším hlukem, za co nejvyššího přečerpaného objemu vzduchu a za dostatečného tlaku, aby dokázal překonat odpor daný pasivem na straně výpustě vzduchu (nebo - v případě skříňového ventilátoru - odporem samotné skříně), což klade nároky na dostatečné sání.

Výrobci zkoušejí různé tvary a sklony lopatek, aby při zvolených otáčkách dosáhli požadovaného průtoku vzduchu a schopnosti překonávat statický tlak, tvořený překážkami v cestě proudícímu vzduchu. Ve výsledku tedy vždy platí, že abychom dosáhli co největšího průtoku, musíme minimalizovat vliv překážek na něj působících. To však není vždy možné, protože některé překážky (jako chladiče) samozřejmě je nutné do cesty položit.

Experimenty dle společnosti NMB Technologies ukázaly, že prázdná počítačová skříň s dostatečně dimenzovanými otvory sama o sobě redukuje průtok vzduchu o 5-20 % (oproti volnému prostoru), skříň plná komponent dokáže redukovat průtok dokonce až o 60 % - nebo i více. Je tedy nutné, aby tento handicap ventilátor dokázal co nejlépe kompenzovat.

Bylo by sice zajímavé vyzkoušet, zda výrobci uvádějí přesné údaje o průtoku vzduchu, ale k tomu bychom potřebovali odpovídající laboratorní vybavení. Proto jsme se rozhodli jít méně náročnou cestou: výkony ventilátorů neměřit absolutně, nýbrž vzájemným porovnáním. To ale neznamená, že výsledky nebudou použitelné - naopak: místo suchých čísel budeme ventilátory testovat v podmínkách co nejbližších běžnému použití.

Použijeme k tomu zařízení s názvem anemometr, jež měří rychlost proudění vzduchu. Jestliže s jeho pomocí můžeme zjistit rychlost proudění vzduchu v FPM nebo MPS, stačí naměřenou hodnotu dát do souvislosti s plochou otvoru, skrz který vzduch proudí - a dostaneme kýžený výsledek.

Pokud bude vzduch proudit rychlostí 50 FPM skrz kruhový nebo čtyřhranný otvor o povrchu 2 ft², stačí tyto hodnoty mezi sebou vynásobit a dostaneme objem vzduchu 100 CFM, neboli 169,6 m³/h. Pak musíme vyřešit otázku, jak přesně anemometr (a u jak velké výpustě) využít.

V dřívější metodice jsme se museli potýkat se dvěma problémy a jednak tím, že sonda byla příliš malá, takže nemohla pokrýt celou plochu výpustní část, což už ve stávající metodice naštěstí neplatí. Veškerý vzduch tak bude proudit skrz sondu. Druhý problém se samotnou realizací testovací komory byl již dříve uspokojivě vyřešen tak, že byla vytvořena testovací komora, která má na jedné straně velkou plochu s pozicí pro ventilátor (tu můžeme případně vyměnit za jinou pro větší či menší ventilátory). Na druhé svažující se straně je připojena sonda anemometru a uvnitř je dostatek prostoru pro rozvinutí proudu vzduchu.

Tento princip tak bude využit v nadcházejících testech průtoku ventilátorů, které budou umístěny na ploché straně boxu a druhá strana bude svedena do kuželu, v jehož vrcholu bude umístěna sonda. Skrz tu bude proudit vzduch ať už tím, či oním směrem.

V testech se budeme zaměřovat především na kvalitní ventilátory, jež lze u nás zakoupit. Výsledkem bude vzájemné srovnání výkonu, tlaku (nebo tahu, důležitého pro "vyfukující" ventilátory ve skříni) a efektivity ventilátorů při různých otáčkách (provozních režimech).

Nic nebrání tomu, aby se metodika na základě diskuze dále vylepšila, avšak popsaný způsob jsem po důkladném zvažování a s pomocí pracovníků Noctuy shledal jako nejvíce vypovídající. (I hereby thank Noctua for providing us with vital information about the testing methods we are going to use).

Začátkem dubna 2013 jsme se rozhodli posunout testování výkonu ventilátoru o něco dále, pro což využíváme dva nové přístroje.

Jednak je to vhodnější anemometr UNI-T UT362, který má větší sondu s vnitřním průměrem 6 cm, díky čemuž má snadnější použití a očekávají se tak od něj i přesnější výsledky. Pro tyto účely byla sestavena i nová testovací komora, čili dřevěná krabice, která se postupně svažuje až k výstupu v podobě trubky s vnitřním průměrem odpovídajícím rozměrům sondy. Vnitřek komory je pochopitelně utěsněn, aby vzduch mohl proudit pouze skrz otvor s ventilátorem na jedné straně a sondu na straně druhé. Jinak má ale způsob testování průtoku vzduchu stejný princip jako dříve.

Ventilátory jsou přišroubovány na protilehlé straně od trubky se sondou anemometru a je možné je jako dříve umístit dvěma způsoby. To abychom mohli změřit, jaký bude průtok vzduchu při jeho tlačení lopatkami a pak při jeho nasávání, při němž mají axiální ventilátory obvykle výrazně nižší výkon. Jenomže to automaticky neznamená, že v testech zaznamenáme při nasávání vzduchu nižší hodnoty. Záleží na tom, jak k celé věci přispěje testovací komora, kde se bude vzduch tlačený dovnitř ventilátorem chtě nechtě mlít, zatímco při vysávání by měl skrz komoru proudit snadněji.

Druhým využitým přístrojem je mlhovač, který v našem případě nebude zaplňovat místnost plnou kroutících se těl, ale velkou krabici, na jejímž vrcholu bude sedět ventilátor a vysávat z ní vzduch s kouřem. Díky tomu by mělo být jasně patrné, jakým způsobem bude vzduch opouštět lopatky ventilátoru, respektive jaký bude mít rozptyl. Tento průběh se pokusíme zachytit na video s využitím kontrastního pozadí, aby byl výsledek jasně vidět. Zde už také příliš nezáleží na provedení testovací komory, neboť ta poslouží v podstatě jen jako jímka či zásobárna pro kouř.

Zdroje: Nidec, Noctua, NMB Technologies