Chiunque abbia avuto a che fare con un PC in tempi più o meno recenti ha di conseguenza dovuto confrontarsi con il suo sistema di dissipazione, o meglio con tutto l'insieme degli elementi che favoriscono quei processi miranti ad abbattere le temperature di esercizio della macchina, siano essi ventole, radiatori, convogliatori, o qualunque altro genere più o meno estremo.
Proprio per questo abbiamo deciso di scendere nel dettaglio del sistema di dissipazione ad aria di un computer desktop e, nello specifico, nello studio dei flussi d'aria generati dalle ventole che possono essere sistemate all'interno del case in diverse posizioni, e da qui vedere come variano le prestazioni dei radiatori, in che modo possono essere favorite ed in che modo peggiorate.
Per farlo non attueremo solamente una serie di prove empiriche, ma tenteremo di utilizzare anche un approccio scientifico, se non del tutto ingegneristico; tenteremo cioè di utilizzare una parte delle nozioni di termodinamica e di fluidodinamica che, seppur presentate con nomi altisonanti, vi assicuriamo che faremo del nostro meglio per descrivere i fenomeni che ci appresteremo a discutere in maniera chiara. Questo ci permetterà di svolgere, o quantomeno tentare di farlo, un'analisi motivata da qualche cosa di più di un semplice: "Ho guadagnato x °C, dunque così è meglio di prima", e qualora accada qualche cosa che non ci aspettiamo di tentare nuovamente di spiegare il motivo attraverso l'analisi scientifica del fenomeno.
Come avrete sicuramente notato, non si è mai parlato di dare una spiegazione esatta del fenomeno, ma di provare a giustificarlo. E' corretto fare questa precisazione, perché assolutamente non abbiamo le capacità di ergerci a maestri della fluidodinamica e, come se non bastasse, perché il nostro modello teorico (vedremo meglio cos'è e che caratteristiche gli attribuiamo), si discosterà parecchio dal nostro sistema reale di prova, a causa delle irregolarità delle superfici, dell'incostanza di un flusso di massa in moto permanente, del fatto che l'equazione di continuità non è un modello appartenente al mondo reale e di altre situazioni che non sono facilmente riportabili. Diamo dunque qualche cenno teorico su quanto stiamo per affrontare.
Convezione Naturale
Se si pensa ad un case con dissipazione passiva non è possibile ipotizzare che l'aria sia stagnante. Essa sarà messa in movimento da quella che viene definita convezione naturale: l'aria presente nell'ambiente si riscalderà a causa di una fonte di calore (dissipatore della CPU, della GPU, mosfet) e si dilaterà. Dilatandosi subirà una diminuzione di densità specifica, e per la spinta di Archimede (la stessa del corpo immerso in un fluido, visto che l'aria può essere considerata, in quanto a comportamento, alla stregua di un fluido) riceverà una spinta dal basso, e quindi "galleggerà" più facilmente di prima andando verso l'alto.
Temperatura e Calore
Magari si tratta di concetti elementari, ma spesso non sono chiarissimi e vengono confusi l'un l'altro, probabilmente perché entrambi sono inerenti al moto di agitazione termica degli atomi della materia. Mentre la temperatura rappresenta la misura del grado di agitazione delle particelle che compongono un determinato corpo (solido, liquido o gassoso), il calore è l'energia che si trasferisce da un corpo a temperatura maggiore verso uno a temperatura minore. E' questo dunque il vero problema da gestire con i sistemi di dissipazione per evitare che un aumento dell'energia interna degli elettroni in moto nel chip elettronico possa provocare danni. Se gli elettroni superano un certo valore di energia essi andranno "fuori controllo" rispetto al comportamento che ci si aspetta, ed il chip stesso inizierà a rispondere in maniera imprevedibile agli stimoli imposti generando errori nei calcoli o completi blocchi.
Il nostro obbiettivo non sarà perciò quello di abbassare le temperature, bensì quello di rimuovere il calore: CPU e chip grafici soffrono per livelli energetici elevati, non per temperature di funzionamento elevate. Questo non significa che le due grandezze non siano legate: in ambienti ad elevati calori specifici, temperature elevate indicano proprio un elevato calore, ma tutto ciò diventa solo un discorso di conseguenze, non di primaria importanza. Detto con un esempio semplice ma significativo, quando mangiamo un cibo cucinato la nostra lingua si brucia perché questo ha tanto calore, non perché ha una temperatura elevata. Ed è proprio il rapido trasferimento di calore a farci scottare!
Per spostare energia a livello termodinamico, e quindi calore, abbiamo bisogno di differenze di temperatura elevate. Maggiore è la differenza tra la fonte calda e quella fredda, maggiore sarà il flusso termico che si ottiene.
Conduzione e Convezione, fenomeni di Trasmissione del calore
Il calore, che abbiamo detto essere una forma di energia, non può essere distrutto, ma può essere dissipato. La dissipazione del calore altro non è che uno spostamento dello stesso da un'altra parte, dove non crea problemi (ad esempio nell'aria circostante il nostro sistema). Il calore si trasferisce attraverso due processi termodinamici, la conduzione e la convezione (esiste anche l'irraggiamento, ma è inutile trattarlo nel nostro caso).
La conduzione avviene all'interno di un corpo solido a causa dell'agitazione delle particelle cariche di energia, che vibrando mettono in agitazione quelle vicine, fino a quando la quantità di energia sotto forma di calore che era concentrata in un punto non si disperde in maniera uniforme su tutto il corpo. E' un fenomeno che rileviamo direttamente sul chip e sulla base del dissipatore.
La convezione invece è un fenomeno che avviene tra un corpo solido ed uno fluido. Il fluido tocca il corpo solido e genera un parziale trasferimento di calore per conduzione, il resto avviene per il moto delle particelle del fluido, che non essendo unite tra di loro si muovono in maniera incontrollata; questa può essere descritta solo in alcuni casi (casi di moto laminare), cioè quando il fluido si muove a basse velocità. E' il caso dell'aria in moto contro il dissipatore, o meglio contro le sue alette, e del fluido che scorre dentro le heatpipe.
In entrambe le situazioni il flusso di calore spostato è direttamente proporzionale all'area della superficie radiante (guarda caso le alette di raffreddamento hanno una superficie molto ampia), inversamente proporzionale allo spessore (e anche qui le alette di raffreddamento sono un tipico esempio essendo molto sottili) ed alla differenza di temperatura tra la fonte calda e quella fredda. Infine è direttamente proporzionale alla costante di scambio termico conduttivo (nel caso di conduzione) o convettivo (nel caso di convezione), che è un valore che dipende in maniera intrinseca dai materiali di cui è composto il dissipatore (rame, alluminio, oro) e dal fluido che usiamo per raffreddare (aria, acqua, azoto, anidride carbonica).
Volume di aria
La quantità di calore che può essere assorbita da un certo volume di aria è una grandezza precisa, e dipende dal calore specifico della stessa. Per aumentare la quantità di calore che possiamo spostare non ci resta che aumentare la quantità di aria che utilizziamo per la dissipazione tramite, ad esempio, una ventola più performante.
Purtroppo, però, non dobbiamo credere che montare tante ventole contro un dissipatore sia la soluzione adeguata. Pur essendo gassosa, l'aria è un mezzo materiale, e se ne mettiamo troppa essa stessa farà da "tappo" diventando controproducente per i nostri scopi. In aggiunta dobbiamo tener conto che tutta l'aria che non viene assorbita dalla scheda, rimane "nei paraggi" e si riscalda ugualmente e, quando sarà assorbita dalla scheda, sarà già "calda" (ricordate che necessitiamo di una elevata differenza di temperatura?) rispetto a quella che arriva fresca fuori dal di fuori.
Flusso d'aria e punti di ristagno
Abbiamo chiarito che per spostare tanto calore ci serve tanta aria in movimento ed è utile che essa non venga ostacolata. Purtroppo non è così semplice generare un flusso di aria che non abbia dei punti di ristagno. L'aria tende a ristagnare anche quando è in moto all'interno di un tubo liscio: non lo fa solo se si raggiungono determinate velocità ed in condizioni di idealità. Immaginate invece all'interno di un case quanti ostacoli ed imperfezioni l'aria in movimento possa incontrare, e quanto contrasto essi possano offrire al suo avanzamento. E' perciò molto importante non creare intralci frutto di posizionamenti errati di ventole, convogliatori, matasse di cavi e via discorrendo.
Dopo questa premessa teorica, i nostri esperimenti vogliono tentare di giustificare il posizionamento delle componenti di dissipazione all'interno del case.
Sistema di prova
Per effettuare le nostre prove ci siamo serviti di un sistema così configurato:
- CPU: AMD Phenom II X4 965
- Dissipatore CPU Alpehfohn Panorama
- Memorie: 2x 4GB DDR3 1800 Sector 7
- VGA: integrata / GeForce GTX 295 dual GPU
- Alimentatore: Cooler Master Silent Pro 850W
- Case Cooler Master HAF X
- Ventole:
- Anteriore: Cooler Master 20030-07CB-3MF-C1
- Inferiore: Noctua NF-F12
- Laterale: Cooler Master A23030-10CB-3DL-L1
- Posteriore: Cooler Master A14025-10CB-3BN-F1
- Superiore: Cooler Master A14025-10CB-3BN-F1
Sono stati presi in considerazione 11 casi possibili nei quali sono state utilizzate tutte o parte delle ventole installate nel sistema; è stata valutata anche la possibilità di utilizzare la stessa ventola nella stessa posizione in estrazione oppure in immissione. Vi mostriamo i casi presi in considerazione attraverso alcune comode illustrazioni.
Caso 1: ventole superiore e posteriore in estrazione, ventole laterale e frontale in immissione. Totale 4 ventole.
Caso 2: ventole superiore, posteriore ed inferiore in estrazione, ventole laterale e frontale in immissione. Totale 5 ventole.
Caso 3: ventole superiore e posteriore in estrazione, ventole inferiore, laterale e frontale in immissione. Totale 5 ventole.
Caso 4: ventola posteriore in estrazione, ventola frontale in immissione. Totale 2 ventole.
Caso 5: ventola superiore in estrazione, ventola frontale in immissione. Totale 2 ventole.
Caso 6: ventole posteriore e laterale in estrazione, ventola frontale in immissione. Totale 3 ventole.
Caso 7: ventole posteriore, inferiore e laterale in estrazione, ventola frontale in immissione. Totale 4 ventole.
Caso 8: ventole superiore e laterale in estrazione, ventole frontale in immissione. Totale 3 ventole.
Caso 9: ventole superiore, inferiore e laterale in estrazione, ventola frontale in immissione. Totale 4 ventole.
Caso 10: ventola superiore in estrazione, ventola inferiore in immissione. Totale 2 ventole.
Caso 11: l'ultimo caso, preso a riferimento, è quello senza alcuna ventola installata.
Riassumiamo di seguito:
| Tabella dei casi considerati | |||||||||||
| Caso 1 | Caso 2 | Caso 3 | Caso 4 | Caso 5 | Caso 6 | Caso 7 | Caso 8 | Caso 9 | Caso 10 | Caso 11 | |
| Ventola superiore |  |
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| Ventola posteriore | |
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| Ventola inferiore | |
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| Ventola laterale | |
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| Ventola frontale | |
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Posizionamento sensori
Abbiamo posizionato alcuni sensori di temperatura in zone strategiche all'interno ed all'esterno del case, come riportato nella seguente immagine. I valori raggiunti sono stati monitorati attraverso un sistema di acquisizione digitale con frequenza di campionamento di 1Hz ma in questo caso abbiamo registrato solo i valori all'inizio della prova e quelli al termine.
Il sensore S1 ci permette di valutare la temperatura nella zona alta del case, in prossimità della ventola di estrazione ma non direttamente sul flusso d'aria da essa creato. In tale zona potrebbe generarsi un ristagno dell'aria. Il sensore S2, invece, è posizionato nei pressi del cestello dei dischi ed è investito dal flusso di aria fresca spinto all'interno del case dalla ventola anteriore. Il sensore S3 è stato posizionato nei pressi dell'alimentatore, non direttamente coinvolto dal flusso d'aria della ventola inferiore e permette di misurare le temperature nella zona bassa del case.
Gli altri tre sensori sono esterni al case e ci danno un'idea (S4) della temperatura dell'aria in uscita dal "camino", ovvero dalla parte alta del case, e della temperatura dell'aria circostante il case (principalmente nei pressi della parete laterale - il sensore S5 - e della parete anteriore - il sensore S6). Questi ultimi sensori ci hanno permesso anche di apportare delle lievi correzioni, nei casi in cui è risultato necessario, per rispecchiare le variazioni di temperatura occorse durante il periodo di prova nei locali ove queste sono state effettuate. Occorre comunque precisare che le temperature sono state mantenute pressoché costanti attraverso la climatizzazione della stanza tanto che le massime variazioni apprezzabili non hanno mai superato gli 1,5°C (temperature ambiente comprese fra 19,5°C e 21°C).
Risultati con VGA integrata
L'utilizzo della VGA integrata ci ha permesso di avere un percorso abbastanza libero per l'aria che fluisce dal basso verso l'alto del case.
Escludendo il caso 11 (nessuna ventola in azione) che usiamo solo come riferimento, è abbastanza facile notare come i risultati peggiori siano quelli espressi dai casi 10 (ventola superiore in estrazione e ventola inferiore in immissione) e 5 (ventola superiore in estrazione e ventola frontale in immissione), tra l'altro configurati in modo molto simile. Invece, il caso 4 offre i migliori risultati in assoluto (ventola posteriore in estrazione e ventola frontale in immissione). La spiegazione di un simile risultato è da ricercare, a nostro avviso, nel fatto che un flusso d'aria orizzontale riesce a strappare via il calore nella maniera più immediata dalla zona della CPU incontrando il minor numero di ostacoli sulla sua strada. Quel che non deve stupire è il fatto che utilizzando più ventole (si vedano i casi 1, 2 e 3) non si riesca comunque a migliorare la situazione, anzi la si peggiora (cosa che ben si sposa con la parte teorica).
Una semplice considerazione sul perché i casi 5 e 10 siano risultati i peggiori in assoluto può arrivare dall'osservazione delle temperature registrate dai sensori sparsi all'interno del case (sensori S1, S2 ed S3). Come vedete, i casi appena citati sono quelli che fanno sì che si creino i maggiori ristagni d'aria nel case i quali generano differenze di temperatura (Δt) elevate fra una zona e l'altra (un po' questa cosa accade anche nel caso 3). Anche qui, scartando il caso 11 che non prevede ventole e dunque risulta essere il peggiore in assoluto, in tutti gli altri casi le linee del radar sono quasi sovrapposte.
Risultati con VGA discreta installata
L'installazione di una scheda grafica discreta influisce non solo sulla produzione di calore, in quanto la stessa rappresenta un ulteriore punto caldo, ma anche sul flusso d'aria perché funge da tappo nel passaggio dell'aria dal basso verso l'alto. Abbiamo di proposito scelto una scheda grafica di grosse dimensioni.
Rispetto a quanto esaminato in precedenza notiamo una maggiore vicinanza di risultati ma i due casi peggiori restano sempre gli stessi, quelli identificati come caso 5 (ventola superiore in estrazione e ventola frontale in immissione) e caso 10 (ventola superiore in estrazione e ventola inferiore in immissione). Questa volta, però, la palma dei migliori va ai casi 2 (ventole inferiore, posteriore e superiore in estrazione, frontale e laterale in immissione), 6 (ventole posteriore e laterale in estrazione, frontale in immissione) e 7 (ventole posteriore, inferiore e laterale in estrazione, frontale in immissione) i quali prevedono tutti una ventola sul pannello laterale che smaltisce velocemente il calore prodotto dalla VGA.
Una rapida occhiata alle temperature massime raggiunte dalla GPU della scheda grafica, conferma l'analisi finora mostrata. Dobbiamo però osservare che nel caso 3, ove la temperatura della CPU resta su valori di poco più elevati rispetto al caso 2, la temperatura della scheda grafica si riduce notevolmente, evidentemente complice il flusso d'aria creato dalla ventola posizionata in basso in immissione. Ma vogliamo fare anche un confronto diretto fra il caso 6 ed il caso 7 che prevedono le stesse ventole nelle stesse modalità tranne quella inferiore (spenta nel caso 6, accesa nel caso 7). Né sulla CPU, né sulla GPU rileviamo variazioni di temperatura: in pratica è come se avessimo messo quella ventola solo per creare rumorosità! Il caso 4 che aveva dato ottimi risultati in precedenza, continua a fornire una buona risposta, specie se teniamo in considerazione anche le temperature della VGA e se pensiamo al fatto che esso prevede l'utilizzo di due sole ventole.
Anche stavolta vi invitiamo a dare uno sguardo al grafico radar delle temperature rilevate dai sensori interni. Le situazioni migliori sono quelle nelle quali i valori di temperatura si mantengono costanti in tutte le zone del case e dunque presentano linee sovrapposte. Viceversa, quando i punti sono molto distanti, si creano all'interno del case sacche di ristagno che danno luogo ad inefficienze nel sistema di ventilazione.
Conclusioni
Dopo questa lunga analisi e le numerose prove abbiamo capito che esiste una verità che non è troppo lontana dalle ipotesi fatte all'inizio. Cospargere il case di ventole non significa quasi mai ottenere benefici tangibili. Al contrario, il sistema di ventilazione di un case va ben progettato, partendo da considerazioni di carattere scientifico per giungere sino alla realizzazione di un set di prove empiriche. Lo studio della fluidodinamica non permette, a causa della sua enorme complessità, di creare l'optimus su carta se non in casi ideali o vicini all'idealità. Un case con i suoi componenti interni, con sezioni più o meno suddivise, con i cavi necessari al trasporto delle linee di alimentazione non può essere in alcun modo assimilato ad un caso di studio ideale (a parità di case e di tutte le altre condizioni al contorno, se cambiate configurazione o aggiungete / togliete componenti dovreste rivedere anche il sistema di ventilazione).
Come se non bastasse, sull'efficienza del sistema di raffreddamento influiscono anche altri parametri, alcuni dei quali facilmente misurabili, altri meno. Per questi motivi è sempre bene partire da modelli teorici e poi su questi fare alcuni esperimenti.
Nel nostro caso, dunque con il case, i componenti e le specifiche ventole riportate nell'articolo, abbiamo rilevato che possono esserci differenze molto importanti nelle temperature raggiunte dalla CPU e dal chip grafico dovute all'inversione del flusso d'aria generato da una determinata ventola oppure al posizionamento delle stesse.
Quando non installiamo una scheda grafica discreta che crea una suddivisione fra la zona inferiore e quella superiore del case, le temperature più basse per la CPU sono state ottenute utilizzando due sole ventole, posteriore in estrazione e frontale in immissione (caso 4). Aumentando il numero di ventole, da due a tre, quattro e addirittura cinque, si ottiene un peggioramento della situazione, in taluni casi anche molto vistoso. Ma la cosa peggiore che si possa pensare di fare è quella di creare un flusso verticale oppure perpendicolare che, evidentemente per come sono posizionati i componenti nel nostro sistema, non investono il radiatore della CPU.
Le stesse considerazioni, con le dovute modifiche, valgono anche nel caso in cui si installa una VGA discreta nel sistema. Stavolta l'utilizzo di un maggior numero di ventole ben posizionate sortisce un effetto positivo, specie nel momento in cui attiviamo la ventola laterale posizionata proprio nei pressi della VGA. Il caso 4 resta comunque fra i migliori per efficienza: due sole ventole ben posizionate riescono ancora a fare molto bene producendo una rumorosità decisamente contenuta.
Alla stesura di questo articolo hanno collaborato:
- Teoria della fluidodinamica: Salvatore Sinopoli aka Zaza88
- Illustrazioni: Pentotark
- Misure di laboratorio: Dino Fratelli aka dino
Si ringraziano, inoltre, tutti gli utenti della community che, con le loro idee hanno offerto un contribuito attivo.