[مقاله] فن

[رسول]

فن

فن؛ آشناي غريبه (قسمت اول)

اشاره :
در اين مقاله سعي داريم شما را با انواع فن‌ و تکنولوژي‌هاي متداول آن آشنا سازيم و در نهايت نحوه چيدمان فن‌ها در کيس و تأثير آنها بر خنک سازي قطعات را بررسي نماييم.در قسمت اول به آشنايي با تعاريف و اصطلاحات اين مبحث مي‌پردازيم.



راندمان فن
يکي از پارامتر‌هايي که براي يک مجموعه و يا سيستم تعريف مي‌شود، "مقاومت سيستم" يا همان System Resistance است.
فرض کنيد درون کيس شما از انواع مختلف قطعات کامپيوتري مانند مادربورد، کارت گرافيک،‌ هاردديسک، پاور، سيم‌هاي اتصالي بين آنها و... پر شده است به همين دليل اين قطعات جلوي جريان هوا را مي‌گيرند و هر چه فضاي بيشتري درون کيس اشغال شده باشد هوا براي عبور با مقاومت بيشتري روبرو خواهد شد و سرعت جريان هوا کاهش خواهد يافت. با توجه به اين توضيح
به اين ترتيب براي فن، "مقاومت سيستم" در حقيقت همان جلوگيري از جريان و حرکت هوا است.

با کاهش سرعت جريان ( به دليل مقاومت سيستم )، گراديان فشار در پشت مانع، افزايش مي‌يابد و درنتيجه افت فشار استاتيک رخ مي‌دهد. اين افت فشار، نشان دهنده مقاومت سيستم است که در تقابل با جريان هواي سيستم قرارمي‌گيرد. مقاومت قطعات مختلفي که در يک سيستم نصب‌اند، در افت فشار استاتيکي کل سيستم تاثير دارند و بوسيله منحني مقاومت سيستم
(SRC (System Resistance Curve نمايش داده مي‌شوند(شکل1).
ميزان مقاومت سيستم مشخص مي‌کند که هوا چگونه مي‌تواند در سيستم جريان داشته باشد؛ به بيان ساده‌تر مقاومت سيستم با وجود قطعاتي که در مسير جريان هواي کيس مانع ايجاد مي‌کنند بالا مي‌رود و هر چه داخل کيس شلوغ‌تر و فاصله قطعات از هم کمتر باشد، ميزان مقاومت افزايش خواهد يافت.

شکل1 : منحني مقاومت سيستم(SRC) و مسير کاهش و افزايش آن

منحني مقاومت سيستم، مقدار افت فشار استاتيکي را که جريان هوا جهت رسيدن به ميزان هوادهي مطلوب، مي‌بايست بر آن غلبه کند را مشخص مي‌سازد. اين منحني به صورت تجربي و به وسيله اندازه‌گيري افت فشار استاتيک سيستم از طريق تونل باد براي هر سيستم بدست مي‌آيد. براي انجام اين آزمايش مي‌توان مقاومت جريان هوا را با استفاده از تنظيم سايز دريچه ورودي هوا تغيير داد.

منحني ديگري به نام منحني فن يا منحني راندمان فن
(FPC (Fan Performance Curveنيز وجود دارد.
اين منحني به مشخصات ذاتي فن باز مي‌گردد و توسط آزمايشات در محفظه هوا و تونل باد بدست مي‌آيد. اين منحني و نتايج مربوطه توسط سازنده فن منتشر مي‌گردد.

اين دو منحني در نموداري برحسب فشار استاتيک (Static Pressure) و جريان هوا
(Air Flow) ترسيم مي‌شوند (شکل2). تقاطع دو منحني FPC و SRC نقطه کار ناميده مي‌شود(OP). پس بايد براي هر سيستم، يک منحني مقاومت بهينه يافت تا بهترين راندمان کولينگ به دست آيد. به اين ترتيب که وقتي فن مورد نظر خود را انتخاب کرديم، با چيدمان بهينه قطعات داخلي سيستم، اطمينان حاصل کنيم که حداکثر جريان هوا براي انتقال گرما به دست آمده است.

شکل2 : از تقاطع دو منحني FPC و SRC نقطه کار (OP) مشخص مي‌شود

نقطه Pa در شکل نشان دهنده وضعيتي است که مقاومت کانال و در نتيجه فشار استاتيک آنچنان بالا مي‌باشد که فن نمي‌تواند هيچ جريان هوايي ايجاد نمايد و نقطه Qa نشان دهنده حالتي است که در فشار استاتيک صفر، فن به حداکثر توان خود براي ايجاد جريان هوا رسيده است.
فشار استاتيک، در حقيقت يک فشار ميکروسکوپي است که در سيال به جهات مختلف وارد مي‌شود و برآيند کل آن برابر با صفر مي‌باشد و در کل مي‌توان ماهيت آن را شبيه به انرژي پتانسيل بيان نمود.
هنگامي‌ که فن کار مي‌کند يک اختلاف فشار استاتيک، بيرون و درون کيس ايجاد مي‌کند که اين فشار مي‌تواند توسط يک مانومتر اندازه‌گيري شود.

حالت‌هاي متفاوت هوا
هوا داراي دو حالت متفاوت به نام‌هاي Standard-State Air و Base-State Air است.
• حالت استاندارد هوا (Standard-State Air):
هواي استاندارد، هوايي است با درجه حرارت 20 درجه سانتيگراد، فشار اتمسفر 760 ميليمتر جيوه و رطوبت 65 درصد. وزن واحد حجم اين هوا که از آن به وزن مخصوص نام برده مي‌شود 1.2 کيلوگرم بر متر مکعب مي‌باشد.
• حالت پايه هوا (Base-State Air):
هواي پايه، هوايي است با دماي صفر درجه سانتيگراد، فشار اتمسفر 760 ميليمتر جيوه و رطوبت صفر درصد. وزن واحد حجم اين هوا (وزن مخصوص) 1.293 کيلوگرم بر متر مکعب مي‌باشد.

جريان هوا (Air Flow)
مقدار حجم هوايي است که فن در زمان مشخص مي‌تواند آن را جابجا نمايد و با واحد Cubic Feet per Minute)CFM)اندازه‌گيري مي‌شود. يعني مقدار حجم هوايي که در يک دقيقه و در فشار استاتيک صفر، جابجا مي‌شود.
ورودي جريان هوا، حجم جريان هوايي مي‌باشد که توسط فن در واحد زمان وارد مي‌شود. حجم هوا با فشار و دما تغيير مي‌يابد. بنابراين زماني که قصد بيان جريان هواي ورودي را داريم، بايد دما و فشار محيط را نيز درنظر داشته باشيم.
منحني FPC بر حسب مشخصه‌هاي ذاتي براي هر فن ترسيم مي‌شود و کارخانه سازنده اين اطلاعات را در ديتا شيت هر فن قرار مي‌دهد. با استفاده از FPC مي‌توان بهترين فن براي يک سيستم را انتخاب نمود.
در شکل3 ، دو فن a و b را با استفاده از منحني راندمانشان، با هم مقايسه کرده‌ايم.
همانطور که مشاهده مي‌شود، منحني راندمان فن a، منحني بهينه R1 را در نقطه بالاتري نسبت به منحني فن b قطع کرده بنابراين راندمان در نقطه Opa از نقطه Opb بهتر است. همچنين در نمودار شکل 3 مشاهده مي‌شود که ظرفيت فشار استاتيک و جريان هوا در فن b بالاتر است، ولي با اين وجود فن a نقطه بهينه را در اختيار دارد.
طراحي مقاومت سيستم يکي از عوامل مهم در انتخاب فن مي‌باشد. در اينجا R1 بهترين، R2 بالاترين و R3 پايين‌ترين مقاومت سيستم را دارا مي‌باشند.

شکل3 : مقايسه نقطه کار دو فن a و b (R1,R2,R3 منحني‌هاي مقاومت سيستم در حالات مختلف)

فن‌هاي موازي و سري
در حالتي که فن‌ها به صورت موازي بسته شده باشند، در فشار استاتيک يکسان، جريان هوا دو برابر خواهد شد و بلعکس زماني که فن‌ها به صورت سري بسته شده باشند، درجريان هواي يکسان، فشار استاتيک را دو برابر خواهيم نمود. به اين ترتيب منحني برآيند دو فن بدست مي‌آيد.

شکل4 : تاثير نحوه همبندي دو فن در عملکرد آنها

سيستم مکانيکي فن‌
فن‌ها را مي‌توان از نظر فني به 4 بخش مختلف تقسيم کرد:
1ـ تکنولوژي ساخت موتور فن‌
2ـ نوع هسته فن‌
3ـ اندازه فن‌
4ـ نوع فن‌ بر اساس سيستم کنترلي

يکي از مهمترين بخش‌هاي يک فن، تکنولوژي ساخت موتور آن است که در عملکرد آن تاثير بسزايي دارد.

تکنولوژي ساخت موتور فن‌
براي ساخت موتور فن از روش‌هاي متفاوتي استفاده مي‌شود که ما در ادامه به توضيح روش Brushless مي‌پردازيم.

فن‌هاي Brushless
مطمئنا کلمه Brushless را روي فن‌ها زياد ديده‌ايد. در حال حاضر در ساخت موتور فن‌هاي کامپيوتر اکثرا از اين تکنولوژي استفاده مي‌شود.
براي آشنايي با فن‌هاي Brushless بايد ابتدا کمي ‌با فن‌هاي قديمي‌تر يعني Brush (جاروبک) آشنا شويم(شکل5).
موتور‌هاي Brush از دو قطعه مغناطيسي به نام‌هاي استاتور (ثابت) و روتور (متحرک) تشکيل شده‌اند. استاتور توسط يک جفت آهنربا ميدان مغناطيسي مورد نياز را ايجاد مي‌کند. روتور نيز داراي يک جفت سيم پيچ مي‌باشد که با عبور جريان در جهات مختلف از آنها، ميدان مغناطيسي با قطب‌هاي مختلف در هسته اين سيم پيچ‌ها ايجاد خواهد شد. همچنين روتور در انتهاي خود داراي يک رينگ فنري از جنس مس به نام کموتاتور است که اين رينگ توسط چند عدد جاروبک به منبع DC متصل مي‌باشند.

شکل5 : طرحي از موتور Brush ـ استاتور ثابت و سيم‌پيچ روتور، چرخان است

بنابراين با ايجاد جريان درون سيم پيچ، ميدان مغناطيسي‌ موافق با ميدان استاتور ايجاد خواهد شد و باعث دفع روتور و چرخش 180 درجه‌اي آن مي‌شود. با گردش روتور، جاروبک‌ها جهت جريان سيم پيچ‌ها را عوض مي‌کنند و ميداني خلاف جهت قبل توليد مي‌کند که اين بار نيز موافق ميدان استاتور بوده و باز باعث گردش روتور مي‌شود. ادامه اين سيکل، منجر به چرخش روتور خواهد شد.
مشکل عمده اين سيستم‌ها وجود جاروبک‌هاي متصل به کموتاتور مي‌باشد. اين قطعات در اثر چرخش روتور و اصطکاک بعد از مدتي از بين مي‌روند. همچنين تغيير جهت جريان باعث ايجاد جرقه شده که ضمن آسيب رساندن به قطعات ديگر موتور باعث ايجاد نويز الکتريکي و صدا خواهد شد. سرعت اين فن‌ها محدود مي‌باشد و به علت تعداد کم جاروبک‌ها از دقت پاييني برخور دارند. همچنين خنک کردن سيم پيچ روتور به دليل اينکه درون يک محفظه قرار گرفته است مشکل است.
تمامي ‌اين مشکلات به سادگي با عوض کردن نقش روتور و استاتور قابل حل مي‌باشند(شکل6).

شکل6 : طرحي از موتور Brushless ـ روتور(سيم‌پيچ) ثابت و استاتور(آهنربا) چرخان است

همانطور که مي‌دانيد مفهوم روتور به معني چرخنده و استاتور به قسمت ثابت گفته مي‌شود ولي ما در اينجا براي راحتي کار بخش داراي سيم پيچ را روتور و قسمت داراي آهنربا را استاتور در نظر مي گيريم در اين حالت روتور ثابت مانده و استاتور چرخش را به عهده مي‌گيرد و ديگر خبري از جاروبک‌ها نيست. در اين تکنولوژي، تغيير جهت جريان، يک فرآيند مکانيکي (که سابقا جاروبک‌ها عهده دار آن بودند) نيست، بلکه تغيير جهت جريان توسط ترانزيستور‌هاي قدرت متصل به روتور ثابت انجام مي‌شود. در اين تکنيک، درون روتور از سنسور Hall Effect استفاده شده است که در هر لحظه مکان دقيق استاتور و روتور نسبت به هم را به دست آورده و فن را کنترل مي‌نمايد. به اين تکنولوژي Brushless مي‌گويند که مزاياي زيادي از قبيل کم شدن نويز الکتريکي، صدا، طول عمر و... را دارد.(شکل7)

شکل 7 : مدار کنترل کننده جريان موتور با استفاده از ترانزيستورهاي قدرت ، سيم پيچ ثابت موتور Burshless

نوع چرخش فن‌ها
همانطور که در مطلب قبل عنوان شد که در ساخت فن‌ کامپيوتر از تکنولوژي Brushless استفاده مي‌شود.
در موتور‌ها براي چرخش محور درون يک محفظه ثابت، تقريبا دو روش متداول وجود دارد که عبارتند از : روش بوشي (Sleeve Bearing) و روش بلبرينگي(Ball Bearing) که در برخي موارد از ترکيب اين دو روش براي اين منظور استفاده مي‌شود
(Combine Bearing).
در ادامه به توضيح اين تکنولوژي‌ها، مزايا و معايب آنها مي‌پردازيم.

فن‌هاي بوشي (Sleeve Bearing):
در اين تکنولوژي از فلزات سختي مانند برنز، مس و برليوم که عموماً با استفاده از متالورژي پودر به صورت متخلخل شکل داده شده‌اند استفاده مي‌شود. اين فن‌ها از يک سيلندر حاوي روغن و يک شفت استيل با مقاومت بالا در داخل آن تشکيل شده‌اند که يک رينگ لاستيکي روي آنها قفل شده است و روغن از منفذ‌هاي ريز و به هم پيوسته به داخل سيلندر نفوذ مي‌کند. عملکرد اين موتور بسيار ساده است. يک ميله مقاوم با محور کاملا متقارن بر روي لايه نازکي از روغن قرار گرفته است و درون سيلندر مي‌چرخد. به واسطه اثر موئينگي، بين سيلندر و شفت از روغن پر مي‌شود و در نتيجه هيچ تماسي بين شفت و بوش وجود ندارد. اين نوع فن‌ها در اکثر مواقع کم صدا عمل مي‌کنند. (شکل8)

شکل8 : فن بوشي(Sleeve Bearing)

معايب
• همانطور که در شکل ديده مي‌شود يک شکاف روي بوش وجود دارد که با چرخش شفت، موجب ايجاد صدا مي‌شود و در صورت افزايش سرعت شفت، اين صدا بيشتر نيز خواهد شد. اين مورد باعث ايجاد اثر سايشي شده و مقطع عرضي محفظه سيلندر، به مرور زمان، بيضي شکل خواهد شد. از اين رو چرخش شفت، نامتقارن خواهد شد و در نهايت موجب افزايش صدا ، دما و مصرف انرژي آن مي‌گردد.
• با وجود درز گير‌هايي که براي پوشاندن شکاف استفاده شده، روغن مي‌تواند از اين شکاف نشت کند.
• فن‌هاي بوشي، نمي‌توانند در محيطي با دماي بالاتر از 50 تا 60 درجه کار کنند و با کار کردن در اين دما عمر فن به صورت تصاعدي کوتاه شده و نمي‌تواند از 5000 ساعت تجاوز نمايد.
• فن‌هاي بوشي معمولاً در اثر اتفاقات زير ممکن است از کار بيافتند که در اغلب موارد به ميزان روغن آنها باز مي‌گردد.
1ـ فرسايش: در اثر نامتعادل بودن بار پروانه‌ها و ناکافي بودن روغن، شفت چرخنده باعث خورده شدن بوش شده و در نتيجه فن با لرزش و صدا کار مي‌کند.
2ـ کاهش سرعت فن: زماني اتفاق مي‌افتد که روغن فن تا حدي خشک و يا بيش از حد چسبناک شده باشد. به همين دليل، مقاومت گردش، بالا رفته و از سرعت آن کاسته مي‌شود و اين نکته باعث کاهش جريان هوا و افزايش دماي فن خواهد شد.
3ـ قفل شدن فن (گريپاژ): به علت عدم وجود روغن و يا زماني که چسبندگي روغن بر نيروي گرداننده موتور غلبه کند، گريپاژ اتفاق مي‌افتد. در اين حالت فن نمي‌چرخد و باعث بالا رفتن دماي بيش از حد قطعات مي‌شود. يکي از مشکلات متداول پاورهايي که از فن‌ها Sleeve استفاده مي‌کنند، همين مورد است، زيرا گرد و خاک باعث خشک شدن روغن و از کار افتادن فن مي‌گردد.

فن‌هاي بلبرينگي (Ball Bearing):
بلبرينگ از دو حلقه فلزي سخت تشکيل شده که يکي درون ديگري قرار گرفته است. اين دو حلقه توسط ساچمه‌هاي فلزي کاملا کروي و استيل از هم جدا شده‌اند. اين ساچمه‌ها داخل يک شيار مقعر، روي هر کدام از حلقه‌ها قرار دارند و بين حلقه‌ها حرکت مي‌کنند(شکل9). ساچمه‌ها براي کاهش اصطکاک و جلوگيري از افزايش دما و خوردگي آنها و طول عمر بيشترشان، معمولا نياز به غوطه‌ور شدن در گريس دارند که اين کار عموماً در کارخانه سازنده انجام مي‌پذيرد و در صورتي که شرايط استفاده از فن مناسب باشد، معمولا ديگر نيازي به گريس کاري نخواهند داشت و به همين جهت مشکل نشت روغن در اين فن‌ها، از بين رفته است.
مزيت اصلي اين فن‌ها قابليت اطمينان و دوام بالا مي‌باشد.

شکل9 : نمايي از چند بلبرينگ

فن‌هاي بلبرينگي به دو صورت تک بلبرينگي و دو بلبرينگي عرضه مي‌شوند. در فن‌هاي دو بلبرينگي، اين قطعات به صورت مکمل يکديگر کار مي‌کنند که باعث شروع راحت براي موتور، چرخش يکنواخت پروانه‌ها و کاهش انرژي مصرفي خواهند شد. فن‌هاي دو بلبرينگي حرکت نرم‌تر، عمر بالاتر و قابليت اطمينان بيشتري نسبت به تک بلبرينگ دارند ولي در کل، هم فن‌هاي تک و هم فن‌هاي دو بلبرينگه، نسبت به فن‌هاي بوشي کارايي بهتري دارند(شکل10).

شکل10 : تصويري از فن دو بلبرينگي (Ball Bearing )

برخي از اين فن‌ها نيز از يک فنر مارپيچ روي شفت بين پروانه‌ها و ياتاقان بهره مي‌برند که موجب کاهش عدم تعادل و بهبود بالانس پروانه‌ها خواهد شد. باقي ضربات شفت نيز توسط بلبرينگ‌ها دفع مي‌شود. بنابراين فن در اغلب حالات مي‌تواند نسبت به بردار ثقل، يکنواخت عمل کند.
همچنين اين فن‌ها در دماي بالاي 70 تا 90 درجه هم مي‌توانند به راحتي کار کنند.
تنها نکته منفي اين فن‌ها قيمت بالاي آن است که در مقابل کيفيت بالا و طراحي مينياتوري آنها ارزش دارد.
معمولا فن‌هاي بلبرينگي به دو دليل خراب مي‌شوند:
1ـ در صورتي که از فن‌ها در شرايط نامناسبي مثل محيط با حرارت خيلي بالا و در مدت زمان طولاني استفاده شود که اين امر در نهايت موجب خرابي گريس موجود در بلبرينگ شده و فن با اشکال مواجه مي‌شود.
2ـ دلايل مکانيکي: ورود اشياء خارجي به درون حلقه‌ها، کج شدن شيار ساچمه‌ها و... باعث ايجاد خرابي مکانيکي مي‌شوند. در اين حالات، فن با سرعت کمتر به کار خود ادامه مي‌دهد وصداي آن افزايش مي‌يابد ولي متوقف نمي‌گردد.

يکي ديگر از نکات فن‌هاي بلبرينگي صداي آن است. با بررسي‌هاي به عمل آمده مي‌توان گفت صداي اين نوع فن‌ها، به واسطه وجود ساچمه‌ها، از صداي فن‌هاي بوشي بيشتر است ولي عموما صداي توليدي توسط پروانه‌هاي فن بر صداي بلبرينگ غلبه مي‌کند، چرا که 95 درصد صداي توليد شده توسط فن‌، به دليل حرکت هوا توسط پروانه‌هاي فن مي‌باشد.

روش ترکيبي (Combined Bearing):
همانطور که در شکل11 مشاهده مي‌شود مدل ترکيبي، تلفيقي از بوش و بلبرينگ است. مدل ترکيبي نمي‌تواند همه معايب فن‌هاي بوشي را حل نمايد ولي بهتر از آنها است. در اين تکنولوژي بوش فقط نقش کمکي را بازي مي‌کند و بلبرينگ بار اصلي را بر دوش مي‌کشد.
در اين روش به دليل اينکه اصطکاک غلطشي از اصطکاک لغزشي کمتر است، موتور به راحتي شروع به کار مي‌نمايد.

شکل11 : فن ترکيبي

اين روش حساسيت کمتري نسبت به پروانه‌هاي نامتعادل دارد و ضربات شفت تا حد زيادي توسط بلبرينگ دفع مي‌شود، بنابراين احتمال بيضي شدن بوش و آسيب آن کمتر خواهد شد و فن مي‌تواند در شرايط سخت‌تري کار نمايد. اگر چه در اين مدل، هنوز مشکل نشت روغن حل نشده است.

استفاده از کدام تکنولوژي، در چه حالتي مناسب تر است؟
در برخي از کاربرد‌ها، فن‌هاي بوشي برتر از فن‌هاي بلبرينگي عمل مي‌کنند ولي کاربرد فن‌هاي بوشي براي کامپيوتر و دستگاه‌هاي جانبي راندمان بالايي ندارد. زماني که يک فن بلبرينگي خراب مي‌شود (البته پس از سال‌ها استفاده در بدترين شرايط) حداقل با سرعت پايين‌تر به کار خود ادامه مي‌دهد و فقط صداي آن افزايش مي‌يابد ولي هنگامي ‌که يک فن بوشي خراب مي‌شود (بعد از استفاده در شرايط ايده آل) خرابي آن با صداي زياد همراه است و در اغلب موارد کاملاً از کار مي‌افتد و به سرعت راندمان را پايين مي‌آورد.
بنابراين مي‌توان گفت فن‌هاي بلبرينگي نسبت به فن‌هاي بوشي از قابليت اطمينان بيشتري برخور دارند و احتمال اينکه اين فن‌ها به طور ناگهاني متوقف شوند، بسيار کمتر از فن‌هاي بوشي است. البته با استفاده در شرايط مناسب و روغن کاري خوب، فن‌هاي بوشي نيز مي‌توانند رقيب خوبي براي فن‌هاي بلبرينگي باشند ولي در مواقعي که ممکن است زمان زيادي از سيستم استفاده نشود و يا فن در دماي بالا کار کند، استفاده از فن‌هاي بلبرينگي پيشنهاد مي‌شود.
در حال حاضر برخي از کمپاني‌هاي سازنده فن، فن‌هاي بوشي خود را طوري طراحي کرده‌اند که گرد و غبار نفوذ کمي‌ به آنها داشته باشند و کمتر باعث فساد روغن شود. اين کار با استفاد از واشرهاي مخصوص و طراحي ساختمان داخلي به صورت هزارتو صورت گرفته است. ولي باز هم نسبت به فن‌هاي بلبرينگي از اعتماد کمتري برخوردارند و معمولا سعي مي‌شود در قسمت‌هاي حساس از فن‌هاي بلبرينگي استفاده شود. بنابراين پيشنهاد مي‌شود براي فن پردازنده و پاور از فن‌هاي بلبرينگي استفاده شود. از فن‌هاي بوشي نيز مي‌توان براي کيس کامپيوترهاي خانگي استفاده نمود ولي براي سرورها و اورکلاکر‌ها، استفاده از فن‌هاي بلبرينگي ضروري است.

ادامه دارد ...

منبع

----------------------------------
بهشت خانه سخاوتمندان است