INFORMAZIONI TECNICHE

Le ventole del PC 
La velocità


Velocità dell' aria in uscita dalla ventola

Nello spazio chiuso dello chassis del PC, un sufficiente flusso e ricambio d' aria è esenziale per mantenere bassa la temperatura dei componenti.
Per raffreddare un radiatore di un corpo caldo è necessario che l' aria che lo lambisce abbia una certa velocità. Questo fa si che l' effetto raffreddante sia di molte volte amplificato rispetto ad una trasmissione del calore con i soli moti convettivi naturali. Un radiatore alettato, come quello della CPU o dei chipset, senza la circolazione d' aria forzata dalla ventola, non è in grado di dissipare il calore prodotto.

L' efficienza del dissipatore dipende dalla velocità dell' aria che lo lambisce.

Questo è un diagramma tipo che rappresenta il rapporto tra la resistenza termica (Rth) di un dissipatore e la velocità dell' aria (v). 
Minore è la resistenza termica, migliore sarà l' effetto di dispersione del calore.

Si può osservare come il valore di Rth che il dissipatore offre in una situazione di sola circolazione naturale , ovvero con velocità aria uguale a zero, sia diverse volte superiore a quella che si ottiene con un flusso di aria forzata. Con un flusso a 6 m/s, il valore della resistenza termica è ben 7 volte inferiore a quello che si ha in convezione naturale.

Una relazione simile vale per qualsiasi dissipatore di calore ed è sensibile quanto più è ampia la superficie radiante.

Va osservato che il grafico qui sopra descrive bene anche un altro fatto molto importante : il suo andamento non è lineare, ma asintotico. Per una piccola variazione della velocità dell' aria, a partire da zero, c'è, inizialmente, una sensibile riduzione della resistenza termica. Poi, però, aumentando la velocità, l' effetto si attenua fino a diventare trascurabile : oltre una certa soglia, ogni aumento ulteriore diventa insignificante. Nell' esempio riportato, se l' aria passa da 0 a 3 m/s, la resistenza termica si riduce di oltre 3,5 volte, ma per un passaggio ulteriore da 3 a 6 m/s, si ha solo un dimezzamento e, accelerando ancora oltre i 6 m/s, non si osserva più alcun beneficio visibile. 
Questo vuol dire che , se da aria ferma ad aria forzata la situazione termica migliora sensibilmente, non è per nulla vero che aumentando indiscriminatamente la ventilazione si otterranno via via benefici proporzionali; anzi, raggiunto un certo limite, l' aggiunta di altre ventole non porterà altro che ad un aumento del rumore.
Quindi, in una determinata situazione di superfici che devono dissipare calore, la presenza anche di una piccola corrente di aria prodotta da una ventola può portare benefici significativi, ma non ci si deve spettare che moltiplicando le ventole si possano raggiungere miglioramenti spettacolari : un case pieno di ventole in tutti gli spazi disponibili probabilmente avrà i suoi componenti interni ad una temperatura che si sarebbe raggiunta anche con la metà delle ventole installate. Sarà allora necessario modificare le condizioni delle superfici e dei flussi di aria.

La velocità media dell' aria è calcolata come il flusso diviso per la superficie della ventola. 

Per valutare la velocità dell' aria si può usare una semplice formule che mette in rapporto le dimensioni della ventola con la sua portata :

 

velocità realtiva dell' aria = portata / diametro ^2

Ad esempio, all' uscita di una ventola da 60 mm che sposta 28CFM, si ha una velocità relativa dell' aria di 0,0072. Una ventola da 80mm con la stessa portata darà una velocità relativa di 0,0040. 

Date le dimensioni ridotte della superficie dei chip, anche i dissipatori, che ne vengono a contatto, per motivi meccanici, solitamente fanno uso di ventole di piccole dimensioni. Anche la superficie delle alette è problematica, sia per la difficoltà di realizzare ampie superfici in piccoli volumi, sia per il costo che questo comporta; se essa non è molto ampia, occorrerà che la velocità della ventola sia molto elevata per avere una sufficiente velocità di aria. Il che porta ad una rumorosità molto intensa : chi ha  avuto esperienza dei dissipatori per Xeon con ventole da 60 mm ne ha una chiara idea.
Diventa naturale, allora, pensare di sostituire la ventola rumorosa con una di maggiore diametro, che, con un numero minore di giri, avrà un minor rumore. Però, per sostituire la ventola con una di maggiore diametro, occorrerà usare un cono adattatore che riporti non solo il diametro, ma anche la velocità dell' aria al valore adeguato. L' insieme, se a volte produce benefici sensibile, non sempre è una buona soluzione.Nel disegno di un dissipatore ad alta efficienza, come quelli necessari per eliminare le molte decine di watt prodotti dalle piccole superfici dei chip, occorre considerare vari fattori complessi; ad esempio, più ci si allontana dalla ventola, meno il flusso di aria sarà concentrato, disperdendosi nell' ambiente, e diminuiranno sia velocità che pressione dell' aria. Però, al centro della ventola, si ha solitamente un' area "morta", che cessa a breve distanza, dovuta allo spazio occupato dal motore che è posto, come abbiamo visto, al centro delle pale e occupa una discreta superficie della ventola. 
Inoltre, l' aria che lambisce le alettature, idealmente, dovrebbe passare senza trovare ostacoli, ostacoli che creano opposizione al flusso dell' aria, riducendone la velocità e deviandola in flussi incrociati che sono fonte di turbolenze e di rumore. Il rapporto tra le potenzialità della ventola e la forma / superficie del radiatore dovrebbe essere oggetto di calcoli accurati. 
Ne deriva che, se il dissipatore è ben progettato, non è certo una buona idea sostituirne la ventola con un' altra molto differente; certamente se il dissipatore è mal progettato può anche darsi che la sostituzione della ventola ne migliori le prestazioni.

Se osserviamo alcuni dissipatori che usano ventole di grande diametro, vediamo che la loro struttura è progettata in maniera differente dal solito :  la superficie delle alettature è attraversata totalmente dal flusso dell' aria, senza ostacolo e senza deviazioni; questo aumenta il rendimento del trasferimento termico senza richiedere eccessiva velocità delle pale.

 


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Aggiornato il 21/03/07.