Дипломная работа: Регулировка охлаждения компьютерных систем
Реферат
Пояснительная записка к дипломному проекту: 18 рисунков, 20 таблиц, 24 источника, 3 листа чертежей формата А1.
Объект исследований: регулировка охлаждения компьютерных систем.
Предмет исследования: системы охлаждения компьютерных систем.
В первом разделе рассмотрены общие принципы охлаждения и работы различных видов и типов охлаждения компьютерных систем.
Во втором разделе уделяется особое внимание различных видов систем охлаждения с точки зрения их усовершенствования, производится оптимальный выбор системы охлаждения, по различным критериям.
В третьем разделе выполнено технико-экономическое обоснование объекта разработки, проведен технико-экономический анализ различных систем охлаждения.
В четвертом разделе проведены расчеты отопления, вентиляции, природного и искусственного освещения, полученные значения сопоставлены с нормативными.
ВЕНТИЛЯТОР, ВОДЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА, НИТРОГЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ЭЛЕМЕНТ ПЕЛЬТЬЕ
Содержание
Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов
Введение
1. Охлаждение компьютерных систем
1.1 Принципы охлаждения (типы и виды)
1.2 Охлаждение процессоров и видеокарт
1.3 Охлаждение жесткого диска
1.4 Охлаждение системного блока
2. Регулировка охлаждения компьютерных систем
2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем
2.1.1 Устройство вентилятора
2.1.2 Характеристики вентиляторов
2.1.3 Контроль и управление вентиляторами
2.2 Пассивное охлаждение
2.3 Водяное охлаждение компьютерных систем
2.4 Охлаждение экономией
2.4.1 Тепловая защита процессора
2.4.2 Минимизация потребления энергии
2.4.3 Утилита RMClock
2.4.4 Авторазгон видеокарты
2.5 Перспективы развития систем охлаждения
3. Технико-экономическое обоснование объекта исследования
3.1 Анализ различных видов охлаждения
3.2 Расчет расходов на стадии проектирования (разработки) КД нового изделия
3.3 Расчет расходов на стадии производства изделия
4. Охрана труда
4.1 Требования к производственным помещениям
4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения
4.1.2 Освещение
4.1.3 Параметры микроклимата
4.1.4 Шум и вибрация
4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения
4.2 Эргономические требования к рабочему месту
4.3 Режим труда
4.4 Расчет освещенности
4.4.1 Расчет искусственного освещения
4.4.2 Расчет естественного освещения помещений
4.5 Расчет вентиляции
4.6 Расчет уровня шума
Выводы
Перечень ссылок
Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
КМОП – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник
МНК – метод наименьших квадратов
МПС – микропроцессорная система
ЦПУ – центральное процессорное устройство
ШИМ – широтно импульсная модуляция
Введение
Тема дипломной работы – «Регулировка охлаждения компьютерных систем», которая и будет являться предметом исследования.
Цель работы – исследовать регулировку охлаждения компьютерных систем и область применения.
Задачами исследования является выяснение и выбор наиболее эффективных средств охлаждения компьютерных систем.
Работа разбита на этапы:
Исследование принципов охлаждения (типы и виды).
Исследование новых прогрессивных систем охлаждения.
Сравнение технико-экономических показателей различных видов охлаждения.
Актуальность данной темы очень велика, т.к. от работоспособности охлаждающих свойств системы зависит в целом работоспособность всей компьютерной системы – ее продуктивность и долговечность.
Высокое быстродействие современных компьютеров имеет свою цену: они потребляют огромную мощность, которая рассеивается в виде тепла. Основные части компьютера — центральный процессор, графический процессор — требуют собственных систем охлаждения; прошли те времена, когда эти микросхемы довольствовались маленьким радиатором. Новый системный блок оборудуется несколькими вентиляторами: как минимум один в блоке питания, один охлаждает процессор, серьёзная видеокарта комплектуется своим вентилятором. Несколько вентиляторов установлены в корпусе компьютера, встречаются даже материнские платы с активным охлаждением микросхем чипсета. Некоторые современные жёсткие диски также разогреваются до заметных температур.
Большинство компьютеров оборудуется охлаждением по принципу минимизации стоимости: устанавливается один, два шумных корпусных вентилятора, процессор оборудуется штатной системой охлаждения. Охлаждение получается достаточным, дешёвым, но очень шумным.
Существует другой выход — сложные технические решения: жидкостное (обычно водяное) охлаждение, фреоновое охлаждение, специальный алюминиевый корпус компьютера, который рассеивает тепло по всей своей поверхности (по сути, работает как радиатор). Для некоторых задач такие решения использовать необходимо: например, для студии звукозаписи, где компьютер должен быть полностью бесшумен. Для обычного домашнего и офисного применения такие специализированные системы чересчур дороги: их цены начинаются от сотни долларов и выше. Подобные варианты на сегодня весьма экзотичны.
1. Охлаждение компьютерных систем
1.1 Принципы охлаждения (типы и виды)
Холодный воздух тяжелый, и поэтому спускается вниз, а горячий, напротив, легкий, и поэтому стремиться вверх. Это несложная теорема играет ключевую роль при организации грамотного охлаждения. Поэтому воздуху нужно обеспечить вход как минимум в нижней передней части системного блока и выход в его верхней задней части. Причем совсем необязательно ставить вентилятор на вдув. Если система не очень горячая, вполне достаточным будет простое отверстие в месте входа воздуха.
Рассчитаем необходимую мощность корпусной системы охлаждения. Для расчетов используем такую формулу:
Q = 1,76*P/(Ti - To), (1.1)
где P - полная тепловая мощность компьютерной системы;
Ti - температура воздуха внутри системного корпуса;
Тo - температура свежего воздуха, всасывающегося в системный блок из окружающей среды;
Q - производительность (расход) корпусной системы охлаждения.
Полная тепловая мощность (P) находится путем суммирования тепловых мощностей всех компонентов. К ним относятся процессор, материнская плата, оперативная память, платы расширения, жесткие диски, приводы ROM/RW, БП. В общем, то, что установлено внутри системного блока.
За температуру в системе (Ti) нужно взять желаемую нами температуру внутри системного блока. Например – 35оС.
В качестве To возьмите максимальную температуру, какая вообще бывает в самое жаркое время года в нашем климатическом поясе. Возьмем 25оС.
Когда все нужные данные получены, подставляем их в формулу. Например, если P=300 Вт, то расчеты буду выглядеть следующим образом:
Q = 1,76*300/(35-25) = 52,8 CFM
То есть в среднем суммарное количество оборотов всех корпусных вентиляторов, включая вентилятор в БП, должно быть не ниже 53 CFM. Если пропеллеры будут крутиться медленнее, это чревато выгоранием какого-либо компонента системы и выхода ее из строя.
Также в теории охлаждения существует такое понятие, как системный импеданс. Он выражает сопротивление, оказываемое движущемуся внутри корпуса воздушному потоку. Это сопротивление может оказываться всем, что не является этим потоком: платы расширения, шлейфы и провода, крепежные элементы корпуса и прочее. Именно поэтому желательно связывать всю проводку хомутами и размещать в каком-нибудь углу воздуха, чтобы она не стала помехой на пути воздушного потока.
Теперь, когда мы определились с общей мощностью корпусной СО, подумаем, сколько именно вентиляторов нам нужно и где их разместить. Помним, что один, но установленный с умом вентилятор принесет больше пользы, чем два, но поставленные неграмотно. Если при расчете P мы получили не большее 115 Вт, то без особой необходимости нет смысле устанавливать дополнительные корпусные вентиляторы, вполне хватит одного вентилятора в БП. Если системы выделяет тепла более чем на 115 Вт, для сохранности ее жизни на долгие годы придется добавить вентиляторов в корпус. Как минимум, нужно поставить один вентилятор «на выдув» на задней стенке системного блока помимо вентилятора в блоке питания.
Вентиляторам, как известно, свойственно шуметь. Если шум особенно досаждает, можно прибегнуть к такому способу решения проблемы: вместо одного быстрого и шумного поставить два более медленных и тихоходных. Разделить нагрузку, так сказать. Например, вместо одного 80-миллиметрового с 3000 об./мин. прикрутить два таких же (или даже 120-миллиметровых) по 1500 оборотов каждый. Менять один меньшего диаметра на два большего диаметра предпочтительно тем, что крупная крыльчатка будет прогонять за минуту больше кубов воздуха, чем мелкие лопасти. В некоторых случаях можно даже ограничиться просто заменой одного меньшего вентилятора на один больший.
Охлаждение бывает пассивным и активным.
Пассивное представляет собой просто радиатор, прислоненный на поверхность кристалла и прикрепленный к «сокету» или «слоту». Уже давно не применяется для охлаждения большинства CPU, иногда ставится на GPU и активно используется для охлаждения модулей RAM, видеопамяти и чипсетов. Такое охлаждение основывается на естественной конвекции воздуха. Радиатор должен быть желательно медным (лучше отводит тепло, чем алюминиевый) и игольчатым (без заострений на конце иголок). Главное – общая площадь его поверхности. Чем она больше, тем эффективнее теплоотвод. Подошва радиатора должна быть гладкой, иначе контакт с чипом (а, следовательно, и теплопередача) будет нарушен. Всем радиаторам присуща такая характеристика, как температурное сопротивление. Оно показывает, насколько изменится температура процессора при увеличении потребляемой им мощности на 1 Ватт. Чем это сопротивление меньше, тем лучше. Радиаторы монтируются к чипу либо специальным креплением (к разъему процессора), либо приклеиваются термоклеем (на чипы памяти, чипсет). В первом случае на поверхность процессора нужно сначала тонким слоем нанести термопасту (создать термоинтерфейс). Самые распростряненные термопасты – КПТ-8 и АлСил.
Активное охлаждение. Может быть воздушным, водяным, криогенным и нитрогенным.
Рисунок 1.1 - Воздушное охлаждение
Воздушное. Его еще называют аэрогенным. Это пассивное охлаждение + кулер, то есть радиатор с установленным сверху вентилятором. Кулер – это, как известно, вентилятор, устанавливаемый на какой-либо чип, например, на процессор или на графическое ядро. Абсолютно всем вентиляторам присуща масса характеристик, по котором можно оценить их профпригодность:
- Размеры вентилятора. Выражается как высота х ширина х высота. Например, 80х80х20. Все значения выражаются в мм (миллиметрах). Тут есть разница между размером корпуса вентилятора (размер кулера, записывается как длина х ширина) и размером собственно квадрата, в который вписана окружность крыльчатки (размер вентилятора, длина х ширина). Размер кулера по всем параметрам на пару миллиметров выше, чем размер вентилятора. Обычно про размеры кулера говорят не 80х80х20, а просто 80х80 (восемьдесят на восемьдесят). Кулеры бывают размером 40х40, 50х50, 60х60, 70х70, 80х80 и 120х120. Самые распространенные - 40х40, 80х80 и 120х120.
- Тип подшипника. Крыльчатка вентилятора крутится либо подшипником скольжения (sleeve), либо подшипником качения (ball). У обоих свои преимущества и недостатки.
Подшипник скольжения. Его устройство следующее: во втулку, смазанную смазкой, вставляется ротор. Вентилятор с таким подшипником просто весь оброс недостатками, к коим относятся: невысокий срок службы по сравнению с подшипником качения, который еще и сокращается при нахождении вентилятора с таким подшипником вблизи температуры выше 50оС; разбалансировка крыльчатки – при трении ротора со втулкой последняя изнашивается не равномерно (то есть не по всех окружности), а только по двум сторонам, в результате чего в поперечном сечении со временем становится не кругом, овалом. Из-за этого появляется биение ротора и, как следствие, шум. К тому же, со временем смазка начинает вытекать из зазора между втулкой и ротором, что явно не способствует прекращению биения. Достоинств у кулеров с подшипником скольжения только два – они очень дешевы по сравнению со своими ball-собратьями и тише работают, пока не износится втулка или не закончится смазка. Последнее решается разбором мотора и заменой смазки.
Подшипник качения. Устройство несколько другое: между втулкой и ротором вместо смазки помещаются шарики, по которым и вращается ротор. Втулка с двух сторон закрывается специальными кольцами, что препятствует высыпанию шариков. Недостатки таких кулеров обратны достоинствам sleeve-кулеров – ball дороже и шумнее, чем sleeve. В плюсах – стойкость к высокой температуре, передаваемой радиатором, и большая долговечность.
Существует также комбинированное решение:
Вентилятор, который вращают и sleeve- и ball-подшипник. В данном случае второй увеличивает долговечность и снижает уровень шума. Также бывают вентиляторы с подшипником скольжения, но на их роторе нарезана резьба, которая при вращении не дает смазке стекать в низ, благодаря чему она непрерывно циркулирует внутри втулки.
- Количество оборотов в минуту. Скорость вращения крыльчатки вентилятора. Измеряется данный параметр в RPM (Rotations Per Minute) и чем больше это значение, тем лучше. Как правило, составляет от 1500 до… трудно сказать сколько, так как значение rpm постоянно повышается производителями. Чем быстрее крутится вентилятор, тем громче он шумит. Тут уж приходится выбирать: или скорость, холод и шум, или тишина и высокие температуры. Работу любого вентилятора можно замедлить, снизив подаваемое на мотор напряжение. Это можно сделать подключением к каналу 7 или даже 5 V вместо 12 V, либо впайкой резистора 10-70 Ом в разрыв провода питания вентилятора. Но при подаче слишком низкого напряжения (ниже 6 V) вентилятору может просто не хватить силы, и он не начнет вертеться, не обеспечит должного охлаждения.
- Объем прогоняемого воздуха за одну минуту. Также называют эффективностью. Измеряется в CFM (Cubic Feet per Minute). Чем выше CFM, тем громче шум, издаваемый вентилятором.
- Уровень шума. Измеряется в дБ. Зависит от величины двух предыдущих параметров. Шум может быть механическим и аэродинамическим. На механические шумы влияют величины RPM и CFM. Аэродинамический зависит от угла загиба крыльчатки. Чем он выше, тем сильнее бьется воздух о лопасти и тем громче гул.
- Способ подключения питания. PC Plug (напрямую к БП) либо Molex (к материнской плате).
Следующий вид охлаждения - водяное охлаждение. Состоит из ватерблока, радиатора, резервуара с водой или хладагентом, помпы и соединительных шлангов. Ватерблок с двумя разъемами (штуцерами) для входного и выходного шланга устанавливается на процессоре. К радиатору по входному шлангу из помпы закачивается охлажденная вода (хладагент), проходит через него и по выходному шлангу, будучи нагретой теплом процессора, движется ко второму радиатору (на который устанавливается вентилятор), чтобы отдать тепло, взятое у CPU.
Рисунок 1.2 - Водяное охлаждение
После этого вода попадает обратно в помпу, и цикл перекачки повторяется. У водяной СО только два параметра: объем резервуара и мощность помпы. Первый измеряют в л (литрах), а мощность – в л/час. Чем выше мощность, тем выше издаваемый помпой шум. Водяное охлаждение имеет преимущество перед воздушным, так как используемое охлаждающее вещество имеет намного большую теплоемкость, чем воздух, и поэтому эффективнее отводит тепло от греющихся элементов. Но, не смотря ни на что, водяное охлаждение не очень распространено в силу своей дороговизны относительно воздушного охлаждения и опасности короткого замыкания в случае разгерметизации и протечки.
Криогенное охлаждение. СО, которая охлаждает чип при помощи специального газа – фреона. Состоит она из компрессора, конденсатора, фильтра, капилляра, испарителя и втягивающей трубки. Работает следующим образом: газообразный фреон поступает в компрессор и там нагнетается. Далее газ по давлением попадает в конденсатор, где превращается в жидкость и выделяет энергию в тепловом виде. Эта энергия рассеивается конденсатором в окружающую среду. Далее фреон, уже будучи жидкостью, перетекает в фильтр, где очищается от случайного мусора, который может попасть в капилляр и, закупорив его, вывести систему охлаждения из строя. По капилляру жидкий фреон попадает в испаритель, где под действием передаваемого от испарителя тепла начинает кипеть, активно поглощая получаемую от процессора тепловую энергию, и по всасывающей трубке попадает обратно в компрессор и цикл повторяется.
Рисунок 1.3 - Криогенное охлаждение
Не распространена в силу своей дороговизны и необходимости пополнения фреона, так как он со временем улетучивается и его приходится добавлять с систему охлаждения. Также эффективна при разгоне, так как способна создавать минусовые температуры.
Нитрогенное охлаждение. Вся система охлаждения состоит из средних размеров емкости с залитым туда жидким азотом. Ничего и никуда не надо не подводить, не отводить. При нагревании процессором жидкий азот испаряется, и, достигая «потолка» емкости, становится жидким и вновь попадает на дно и снова испаряется. Нитрогенное охлаждение, также как и фреонное, способно обеспечить минусовую температуру (приблизительно -196оС). Неудобство в том, что жидкий азот, также, как и фреон, имеет способность выкипать, и приходится добавлять его в немалых количествах. Кроме того, азотное охлаждение весьма дорого.
Рисунок 1.4 - Нитрогенное охлаждение
Принцип действие элемента Пельтье основан на работе полупроводников p- и n-типа.
Еще одно устройство охлаждения, состоящее из двух полупроводниковых пластин. При пропускании через них электрического тока одна пластина начинает морозить, а другая, наоборот, излучать тепло. Причем температурный промежуток между температурами двух пластин всегда одинаков. Используется элемент Пельтье следующим образом: "морозящая" сторона крепиться на процессор.
Рисунок 1.5 - Элемент Пельтье
Опасность его использования связана с тем, что при неправильной установке элемента есть вероятность образования конденсата, что повлечет за собой выход оборудования из строя. Так что при использовании элемента Пельтье следует быть чрезвычайно аккуратным.
1.2 Охлаждение процессоров и видеокарт
Центральный процессор и графический процессор — самые мощные источники тепла внутри современного компьютера. Разработано множество различных конструкций систем охлаждения для этих компонент, разнообразие конструкторских решений поражает воображение.
Как правило, существенным ограничивающим фактором при выборе кулера для процессора и видеокарты, является стоимость: высокоэффективные и тихие системы охлаждения весьма недёшевы. Из сказанного в разделе о принципах охлаждения (раздел 1.1) следует, что лучше использовать системы охлаждения с максимально большими радиаторами, желательно медными. В силу дороговизны меди, часто применяют комбинированную схему: медный сердечник, впрессованный в алюминиевый радиатор; медь помогает более эффективно распределять тепло. Лучше использовать низкоскоростные вентиляторы системы охлаждения: они работают тише. Чтобы сохранить приемлемую производительность, применяют вентиляторы большого типоразмера (вплоть до х120 мм). Так, например, выглядит процессорный кулер Zalman CNPS7700-AlCu.
Часто для построения большого радиатора используют тепловые трубки — герметично запаянные и специальным образом устроенные металлические трубки (обычно медные). Они очень эффективно переносят тепло от одного своего конца к другому: таким образом, даже самые дальние рёбра большого радиатора эффективно работают в охлаждении. Так, например, устроен популярный кулер Scythe Ninja
Для охлаждения современных производительных графических процессоров применяют те же методы: большие радиаторы, медные сердечники систем охлаждения или полностью медные радиаторы, тепловые трубки для переноса тепла к дополнительным радиаторам.
Рекомендации по выбору здесь такие же: использовать медленные и крупноразмерные вентиляторы, максимально большие радиаторы. Так, например, выглядят популярные системы охлаждения видеокарт Zalman VF700 и Zalman VF900.
Обычно вентиляторы систем охлаждения видеокарт лишь перемешивали воздух внутри системного блока, что не очень эффективно, с точки зрения охлаждения всего компьютера.
Лишь совсем недавно для охлаждения видеокарт стали применять системы охлаждения, которые выносят горячий воздух за пределы корпуса: первыми стали Arctic Cooling Silencer и, схожая конструкция, IceQ от бренда HIS.
Подобные системы охлаждения устанавливаются на самые мощные современные видеокарты (nVidia GeForce 8800, ATI x1800XT и старше). Такая конструкция зачастую более оправдана, с точки зрения правильной организации воздушных потоков внутри корпуса компьютера, чем традиционные схемы.
1.3 Охлаждение жесткого диска
Как и любая другая составляющая компьютера, жесткий диск имеет свойство нагреваться во время работы. И хотя вопрос охлаждения данного компонента не является особо острым, однако при сильном перегреве срок службы накопителя значительно сокращается. Кроме того, многие пользователи сталкиваются с проблемой шума и вибрации HDD. И если для организации охлаждения процессора и видеокарты с минимальным уровнем шума на рынке присутствует огромный выбор соответствующих кулеров, то список систем охлаждения подобного класса для жестких дисков отсутствует.
Типичный кулер для охлаждения HDD - это пластина с вентилятором (или двумя), которая прикручивается снизу диска. Такие кулера самые дешевые и самые эффективные. Конечно, шум от дополнительных вентиляторов в системном блоке увеличивается.
Для борьбы с вышеназванной проблемой, а также для дополнительного охлаждения винчестеров компания Scythe выпускает две модели СО - Himuro и Quite Drive. По праву можно сказать, что данные устройства выделяются на фоне подобных систем. Конструкция их схожа - корпус-радиатор, внутрь которого устанавливается накопитель. Корпус гасит вибрацию и шум, и по сочетанию этих характеристик данные модели являются, возможно, самыми удачными на рынке. И если Quite Drive уже успел завоевать признание потребителей, то Himuro относительно новая модель.
Если провести замер нагрева при напряженной работе, то у современного HDD температура может достигнуть 50-60 градусов Цельсия. Для электрической части это, конечно, не очень страшно, хотя срок ее службы тоже уменьшается – современные микросхемы имеют четкий температурный режим. Да и изготовителю приходится во время проектирования думать об отводе тепла от элементов (особенно от драйвера двигателя). Но вот пластины, находящиеся в гермоблоке, к повышенной температуре очень чувствительны. Выражается это в прямой зависимости количества часов наработки на отказ от режима эксплуатации. Если режимы эти не соответствуют номинальным, то срок службы может уменьшиться в несколько раз. Мы рискуем потерять не только устройство, но и данные, хранящиеся на нем. Причем повышенная температура приводит к появлению "плохих" секторов на пластинах, и восстановление информации в таких случаях может стать невозможным.
Самое главное - оптимальная температура работы жесткого диска. Посмотрев на таблицу 1.1, сразу станет все понятно.
Таблица 1.1 – Работа жесткого диска в зависимости от температуры
| Температура, °С | Коэффициент учащения отказов | Температурный коэффициент снижения времени наработки на отказ |
Скорректи-рованное время наработки на отказ |
| 25 | 1,0000 | 1,00 | 232 140 |
| 26 | 1,0507 | 0,95 | 220 533 |
| 30 | 1,2763 | 0,78 | 181 069 |
| 34 | 1,5425 | 0,65 | 150 891 |
| 38 | 1,8552 | 0,54 | 125 356 |
| 42 | 2,2208 | 0,45 | 104 463 |
| 46 | 2,6465 | 0,38 | 88 123 |
| 50 | 3,1401 | 0,32 | 74 284 |
| 54 | 3,7103 | 0,27 | 62 678 |
| 58 | 4,3664 | 0,23 | 53 392 |
| 62 | 5,1186 | 0,20 | 46 428 |
| 66 | 5,9779 | 0,17 | 39 464 |
| 70 | 6,9562 | 0,14 | 32 500 |
1.4 Охлаждение системного блока
Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочего регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку) (Рисунок 1.11).
Рисунок 1.11 – Направление воздушных потоков в корпусе компьютера
Как минимум один вентилятор установлен в блоке питания компьютера (многие современные модели имеют два вентилятора, что позволяет существенно снизить скорость вращения каждого из них, а, значит, и шум при работе). В любом месте внутри корпуса компьютера можно устанавливать дополнительные вентиляторы для усиления потоков воздуха. Обязательно нужно следовать правилу: на передней и левой боковой стенке воздух нагнетается внутрь корпуса, на задней стенке горячий воздух выбрасывается наружу. Также нужно проконтролировать, чтобы поток горячего воздуха от задней стенки компьютера не попадал напрямик в воздухозабор на левой стенке компьютера (такое случается при определённых положениях системного блока относительно стен комнаты и мебели). Какие вентиляторы устанавливать, зависит в первую очередь от наличия соответствующих креплений в стенках корпуса. Шум вентилятора главным образом определяется скоростью его вращения, поэтому рекомендуется использовать медленные (тихие) модели вентиляторов. При равных установочных размерах и скорости вращения, вентиляторы на задней стенке корпуса субъективно шумят несколько меньше передних: во-первых, они находятся дальше от пользователя, во-вторых, сзади корпуса расположены почти прозрачные решётки, в то время как спереди — различные декоративные элементы. Часто шум создаётся вследствие огибания элементов передней панели воздушным потоком: если переносимый объём воздушного потока превышает некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум (он напоминает шипение пылесоса, но гораздо тише).
2. Регулировка охлаждения компьютерных систем
2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем
Для переноса воздуха в системах охлаждения используют вентиляторы.
2.1.1 Устройство вентилятора
Вентилятор состоит из корпуса (обычно в виде рамки), электродвигателя и крыльчатки, закреплённой при помощи подшипников на одной оси с двигателем (Рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Вентилятор (в разобранном виде)
От типа установленных подшипников зависит надёжность вентилятора. Производители заявляют такое типичное время наработки на отказ (количество лет получено из расчёта круглосуточной работы) (Таблица 2.1).
С учётом морального старения компьютерной техники (для домашнего и офисного применения это 2-3 года), вентиляторы с шарикоподшипниками можно считать «вечными»: срок их работы не меньше типового срока работы компьютера. Для более серьёзных применений, где компьютер должен работать круглосуточно много лет, стоит подобрать более надёжные вентиляторы.
Таблица 2.1 – Зависимость работы вентилятора от марки подшипника
| Тип подшипника | Время наработки на отказ |
Подшипник скольжения |
|
| часов | лет | ||
| (sleeve bearing) | 10 000 | 1 | Один подшипник скольжения, один подшипник качения |
| (ball bearing) | 20 000 | 2 | Два подшипника качения |
| (2 ball bearing) | 30 000 | 3 | Гидродинамический подшипник |
Многие сталкивались со старыми вентиляторами, в которых подшипники скольжения выработали свой ресурс: вал крыльчатки дребезжит и вибрирует при работе, издавая характерный рычащий звук. В принципе, такой подшипник можно отремонтировать, смазав его твёрдой смазкой, — но многие ли согласятся ремонтировать вентилятор, цена которому всего пара долларов?
2.1.2 Характеристики вентиляторов
Вентиляторы различаются по своему размеру и толщине: обычно в компьютерах встречаются типоразмеры 40Ч40Ч10 мм, для охлаждения видеокарт и карманов для жёстких дисков, а также 80Ч80Ч25, 92Ч92Ч25, 120Ч120Ч25 мм для охлаждения корпуса. Также вентиляторы различаются типом и конструкцией устанавливаемых электродвигателей: они потребляют различный ток и обеспечивают разную скорость вращения крыльчатки. От размеров вентилятора и скорости вращения лопастей крыльчатки зависит производительность: создаваемое статическое давление и максимальный объём переносимого воздуха.
Объём переносимого вентилятором воздуха (расход) измеряется в кубометрах в минуту или кубических футах в минуту. Производительность вентилятора, указанная в характеристиках, измеряется при нулевом давлении: вентилятор работает в открытом пространстве. Внутри корпуса компьютера вентилятор дует в системный блок определенного размера, потому он создаёт в обслуживаемом объёме избыточное давление. Естественно, что объёмная производительность будет приблизительно обратно пропорциональна создаваемому давлению. Конкретный вид расходной характеристики зависит от формы использованной крыльчатки и других параметров конкретной модели. Например, соответствующий график для вентилятора GlacialTech SilentBlade GT80252BDL (Рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Производительность вентилятора SilentBlade GT80252BDL
Общий вид вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1приведен на рисунке 2.3, а его характеристики ниже.
Рисунок 2.3 - Общий вид вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1
Характеристики вентилятора SilentBlade II GT80252-BDLA1
Вентилятор для охлаждения корпуса ПК
Низкий уровень шума
Напряжение питания 12 В
Подшипник 2 х Качения
Скорость вращения 1700 (± 10 %) об./мин.
Поток воздуха 26.3 CFM
Шум 18 дБ
Размеры 80 х 80 х 25 мм
Вес 72.5 г
Разъем питания Коннектор 3-pin + 4 -pin
Цвет Черный
Из этого следует простой вывод: чем интенсивнее работают вентиляторы в задней части корпуса компьютера, тем больше воздуха можно будет прокачать через всю систему, и тем эффективнее будет охлаждение.
Уровень шума, создаваемый вентилятором при работе, зависит от различных его характеристик. Несложно установить зависимость между производительностью и шумом вентилятора. На сайте крупного производителя популярных систем охлаждения Titan, в разделе корпусных вентиляторов мы видим: многие вентиляторы одного и того же размера комплектуются разными электродвигателями, которые рассчитаны на различную скорость вращения. Поскольку крыльчатка используется одна и та же, получаем интересующие нас данные: характеристики одного и того же вентилятора при разных скоростях вращения. Составляем таблицу для трёх самых распространённых типоразмеров: толщина 25 мм, 80Ч80Ч25 мм, 92Ч92Ч25 мм и 120Ч120Ч25 мм (Таблицы 2.2).
Таблица 2.2 – Уровень шума различных вентиляторов Titan
Жирным шрифтом выделены самые популярные типы вентиляторов.
Наклонным шрифтом выделены расчётные данные.
Посчитав коэффициент пропорциональности потока воздуха и уровня шума к оборотам, видим почти полное совпадение. Для очистки совести считаем отклонения от среднего: меньше 5%. Таким образом, мы получили три линейные зависимости, по 5 точек каждая. Гипотезу считаем подтверждённой.
Объёмная производительность вентилятора пропорциональна количеству оборотов крыльчатки, то же самое справедливо и для уровня шума.
Используя полученную гипотезу, мы можем экстраполировать полученные результаты методом наименьших квадратов (МНК): в таблице эти значения выделены наклонным шрифтом. Нужно, однако, помнить: область применения этой модели ограничена. Исследованная зависимость линейна в некотором диапазоне скоростей вращения; логично предположить, что линейный характер зависимости сохранится и в некоторой окрестности этого диапазона; но при очень больших и очень малых оборотах картина может существенно измениться.
Теперь рассмотрим линейку вентиляторов другого производителя: GlacialTech SilentBlade 80Ч80Ч25 мм, 92Ч92Ч25 мм и 120Ч120Ч25 мм. Составим аналогичную таблицу 2.3.
Таблица 2.3 - Уровень шума различных вентиляторов GlacialTech
Наклонным шрифтом выделены расчётные данные.
Общий вид вентиляторов этой серии изображен на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Общий вид вентиляторов GlacialTech
Как было сказано выше, при значениях скорости вращения вентилятора, существенно отличающихся от исследованных, линейная модель может быть неверна. Полученные экстраполяцией значения следует понимать как приблизительную оценку.
Обратим внимание на два обстоятельства. Во-первых, вентиляторы GlacialTech работают медленнее, во-вторых, - эффективнее. Очевидно, это результат использования крыльчатки с более сложной формой лопастей: даже при одинаковых оборотах, вентилятор GlacialTech переносит больше воздуха, чем Titan (см. графу прирост). А уровень шума при одинаковых оборотах примерно равен: пропорция соблюдается даже для вентиляторов разных производителей с различной формой крыльчатки.
Нужно понимать, что реальные шумовые характеристики вентилятора зависят от его технической конструкции, создаваемого давления, объёма прокачиваемого воздуха, от типа и формы преград на пути воздушных потоков; то есть, от типа корпуса компьютера. Поскольку корпуса используются самые разные, невозможно напрямую применять измеренные в идеальных условиях количественные характеристики вентиляторов — их можно только сравнивать между собой для разных моделей вентиляторов.
2.1.3 Контроль и управление вентиляторами
Большинство современных материнских плат позволяет контролировать скорость вращения вентиляторов, подключённых к некоторым трёх- или четырёхконтактным разъёмам. Более того, некоторые из разъёмов поддерживают программное управление скоростью вращения подключённого вентилятора. Не все размещённые на плате разъёмы предоставляют такие возможности: например, на популярной плате Asus A8N-E есть пять разъёмов для питания вентиляторов, контроль над скоростью вращения поддерживают только три из них (CPU, CHIP, CHA1), а управление скоростью вентилятора — только один (CPU); материнская плата Asus P5B имеет четыре разъёма, все четыре поддерживают контроль за скоростью вращения, управление скоростью вращения имеет два канала: CPU, CASE1/2 (скорость двух корпусных вентиляторов изменяется синхронно). Количество разъёмов с возможностями контроля или управления скоростью вращения зависит не от используемого чипсета или южного моста, а от конкретной модели материнской платы: модели разных производителей могут различаться в этом отношении. Часто разработчики плат намеренно лишают более дешёвые модели возможностей управления скоростью вентиляторов. Например, материнская плата для процессоров Intel Pentiun 4 Asus P4P800 SE способна регулировать обороты кулера процессора, а её удешевлённый вариант Asus P4P800-X — нет. В таком случае можно использовать специальные устройства, которые способны управлять скоростью нескольких вентиляторов (и, обычно, предусматривают подключение целого ряда температурных датчиков) — их появляется всё больше на современном рынке.
Контролировать значения скорости вращения вентиляторов можно при помощи BIOS Setup. Как правило, если материнская плата поддерживает изменение скорости вращения вентиляторов, здесь же в BIOS Setup можно настроить параметры алгоритма регулирования скорости. Набор параметров различен для разных материнских плат; обычно алгоритм использует показания термодатчиков, встроенных в процессор и материнскую плату. Существует ряд программ для различных ОС, которые позволяют контролировать и регулировать скорость вентиляторов, а также следить за температурой различных компонентов внутри компьютера. Производители некоторых материнских плат комплектуют свои изделия фирменными программами для Windows: Asus PC Probe, MSI CoreCenter, Abit µGuru, Gigabyte EasyTune, Foxconn SuperStep и т.д. Распространено несколько универсальных программ, среди них: Hmonitor (shareware, $20-30), MotherBoard Monitor (распространяется бесплатно, не обновляется с 2004 года). Самая популярная программа этого класса — SpeedFan (Рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 - Программа SpeedFan
2.2 Пассивное охлаждение
Пассивными системами охлаждения принято называть такие, которые не содержат вентиляторов. Пассивным охлаждением могут довольствоваться отдельные компоненты компьютера, при условии, что их радиаторы помещены в достаточный поток воздуха, создаваемый «чужими» вентиляторами: например, микросхема чипсета часто охлаждается большим радиатором, расположенным вблизи места установки процессорного кулера. Популярны также пассивные системы охлаждения видеокарт, например, Zalman ZM80D-HP (Рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 – Пассивное охлаждение видеокарт
Очевидно, чем больше радиаторов приходится продувать одному вентилятору, тем большее сопротивление потоку ему нужно преодолеть; таким образом, при увеличении количества радиаторов часто приходится увеличивать скорость вращения крыльчатки. Эффективнее использовать много тихоходных вентиляторов большого диаметра, а пассивные системы охлаждения предпочтительнее избегать. Несмотря на то, что выпускаются пассивные радиаторы для процессоров, видеокарты с пассивным охлаждением, даже блоки питания без вентиляторов (FSP Zen), попытка собрать компьютер совсем без вентиляторов из всех этих компонент наверняка приведёт к постоянным перегревам. Потому, что современный высокопроизводительный компьютер рассеивает слишком много тепла, чтобы охлаждаться только лишь пассивными системами. Из-за низкой теплопроводности воздуха, сложно организовать эффективное пассивное охлаждение для всего компьютера, разве что превратить в радиатор весь корпус компьютера, как это сделано в Zalman TNN 500A (Рисунок 2.7).
Возможно, полностью пассивного охлаждения будет достаточно для маломощных специализированных компьютеров (для доступа в интернет, для прослушивания музыки и просмотра видео, и т.п.)
Рисунок 2.7 – Корпус-радиатор компьютера Zalman TNN 500A
2.3 Водяное охлаждение компьютерных систем
Наиболее распространен такой подход охлаждения компьютерных систем - собирается система, нередко насчитывающая десяток вентиляторов, все с оптимизированной крыльчаткой и гидродинамическими подшипниками. Текстолит печатных плат с трудом выдерживает килограммы меди высокоэффективных радиаторов, пронизанных тепловыми трубками. Результат от всех этих модных усовершенствований падает прямо пропорционально мощности системы, так как температура внутри корпуса стремительно растет с повышением мощности, и в топовых конфигурациях прокачка воздуха через корпус все равно вызывает значительный шум. Возникает тупиковая ситуация, когда каждый компонент системы достаточно бесшумен, скажем 18-20 Дб, но собранные вместе они дают 30-35 Дб еще более неприятного, за счет различного спектра и возникающих интерференций, шума. Стоит отметить и повышенную сложность очистки от пыли подобной конструкции. Если штатную систему легко чистить раз в полгода обычным пылесосом, то все эти тонко-реберные конструкции современных кулеров очистить весьма сложно. Проблеме пыли в корпусах, производителями почему-то не уделяется достаточное внимание, лишь некоторые корпуса снабжены весьма неэффективными пылевыми фильтрами. Между тем, измельченная вентиляторами пыль не только вредит охлаждению, осаждаясь на поверхности радиаторов, но и весьма вредна для здоровья человека, так как не задерживается бронхами и очень долго выводится из легких. Некоторые источники, считают что вред от мелкой пыли сопоставим с вредом от пассивного курения. Сильно страдают от пыли накопители CD/DVD и FDD, встречался даже кардридер забитый пылью до полной невозможности работы.
Системы водяного охлаждения пользуются заслуженной популярностью. Принцип их действия основан на циркуляции теплоносителя. Нуждающиеся в охлаждении компоненты компьютера нагревают воду, а вода в свою очередь, охлаждается в радиаторе. При этом радиатор может находиться снаружи корпуса, и даже быть пассивным (Рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 - Одна из наиболее совершенных систем водяного охлаждения
Недостатком водяного охлаждения является:
шум - чем выше мощность, тем выше издаваемый помпой шум.
не смотря ни на что, водяное охлаждение не очень распространено в силу своей дороговизны относительно воздушного охлаждения и опасности короткого замыкания в случае разгерметизации и протечки.
2.4 Охлаждение экономией
Типичный домашний или офисный компьютер в отсутствие ресурсоёмких задач загружен, как правило, всего на 10% — любой может удостовериться в том, запустив Диспетчер задач Windows и понаблюдав за Хронологией загрузки ЦП (Центрального Процессора). Таким образом, при старом подходе около 90% процессорного времени улетало на ветер: ЦП занимался выполнением никому не нужных команд. Более новые ОС (Windows 2000 и далее) в аналогичной ситуации поступают разумнее: при помощи команды HLT (Halt, останов) процессор полностью останавливается на короткое время — это, очевидно, позволяет снизить потребление энергии и температуру процессора при отсутствии ресурсоёмких задач.
Компьютерщики со стажем могут припомнить целый ряд программ для «программного охлаждения процессора»: будучи запущенными под управлением Windows 95/98/ME они останавливали процессор с помощью HLT, вместо повторения бессмысленных NOP, чем снижали температуру процессора в отсутствие вычислительных задач. Соответственно, использование таких программ под управлением Windows 2000 и более новых ОС лишено всякого смысла.
Современные процессоры потребляют настолько много энергии (а это значит: рассеивают её в виде тепла, то есть греются), что разработчики создали дополнительные технические по борьбе с возможным перегревом, а также средства, повышающие эффективность механизмов экономии при простое компьютера.
2.4.1 Тепловая защита процессора
Для защиты процессора от перегрева и выхода из строя, применяется так называемый thermal throttling (обычно не переводят: троттлинг). Суть этого механизма проста: если температура процессора превышает допустимую, процессор принудительно останавливается командой HLT, чтобы кристалл имел возможность остыть. В ранних реализациях этого механизма через BIOS Setup можно было настраивать, какую долю времени процессор будет простаивать (параметр CPU Throttling Duty Cycle: xx%); новые реализации «тормозят» процессор автоматически до тех пор, пока температура кристалла не опустится до допустимого уровня. Безусловно, пользователь заинтересован в том, чтобы процессор не прохлаждался (буквально!), а выполнял полезную работу — для этого нужно использовать достаточно эффективную систему охлаждения. Проверить, не включается ли механизм тепловой защиты процессора (троттлинга) можно при помощи специальных утилит, например ThrottleWatch (Рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Утилит ThrottleWatch
В данном случае процессор охлаждается неудовлетворительно: как только загрузка процессора возрастает, срабатывает механизм троттлинга.
2.4.2 Минимизация потребления энергии
Практически все современные процессоры поддерживают специальные технологии для снижения потребления энергии (и, соответственно, нагрева). Разные производители называют такие технологии по-разному, например: Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST), AMD Cool’n’Quiet (CnQ, C&Q) — но работают они, по сути, одинаково. Когда компьютер простаивает, и процессор не загружен вычислительными задачами, уменьшается тактовая частота и напряжение питания процессора. И то, и другое уменьшает потребление процессором электроэнергии, что, в свою очередь, сокращает тепловыделение. Как только загрузка процессора увеличивается, автоматически восстанавливается полная скорость процессора: работа такой схемы энергосбережения полностью прозрачна для пользователя и запускаемых программ. Для включения такой системы нужно:
- включить использование поддерживаемой технологии в BIOS Setup;
- установить в используемой ОС соответствующие драйверы (обычно это драйвер процессора);
- в Панели управления Windows (Control Panel), в разделе Электропитание (Power Management), на закладке Схемы управления питанием (Power Schemes) выбрать в списке схему Диспетчер энергосбережения (Minimal Power Management).
Проверить, что частота процессора изменяется, можно при помощи любой программы, отображающей тактовую частоту процессора: от специализированных типа CPU-Z, вплоть до Панели управления Windows (Control Panel), раздел Система (System) (Рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 - Панели управления Windows
AMD Cool'n'Quiet в действии: текущая частота процессора (994 МГц) меньше номинальной (1,8 ГГц).
Часто производители материнских плат дополнительно комплектуют свои изделия наглядными программами, наглядно демонстрирующими работу механизма изменения частоты и напряжения процессора, например, Asus Cool&Quiet (Рисунок 2.11).
Рисунок 2.11 – Панель Asus Cool&Quiet
Частота процессора изменяется от максимальной (при наличии вычислительной нагрузки), до некоторой минимальной (при отсутствии загрузки ЦП).
2.4.3 Утилита RMClock
Во время разработки набора программ для комплексного тестирования процессоров CPU RightMark, была создана утилита RMClock (RightMark CPU Clock/Power Utility): она предназначена для наблюдения, настройки и управления энергосберегающими возможностями современных процессоров. Утилита поддерживает все современные процессоры и самые разные системы управления потреблением энергии (частотой, напряжением…) Программа позволяет наблюдать за возникновением троттлинга, за изменением частоты и напряжения питания процессора. Используя RMClock, можно настраивать и использовать всё, что позволяют стандартные средства: BIOS Setup, управление энергопотреблением со стороны ОС при помощи драйвера процессора. Но возможности этой утилиты гораздо шире: с её помощью можно настраивать целый ряд параметров, которые не доступны для настройки стандартным образом. Особенно это важно при использовании разогнанных систем, когда процессор работает быстрее штатной частоты.
RightMark CPU Clock Utility (RMClock) - небольшая утилита, осуществляющая мониторинг тактовой частоты, троттлинга, загрузки процессора, напряжения и температуры процессорного ядра в реальном времени. Она также способна управлять уровнем производительности и потребляемой мощности процессоров, поддерживающих функции управления энергопотреблением. В режиме автоматического управления она постоянно отслеживает уровень загрузки процессора и автоматически изменяет его тактовую частоту, напряжение процессорного ядра и/или уровень троттлинга в соответствии с концепцией "производительность по требованию".
Рисунок 2.12 – Утилита RightMark CPU Clock Utility (RMClock)
2.4.4 Авторазгон видеокарты
Подобный метод используют и разработчики видеокарт: полная мощность графического процессора нужна только в 3D-режиме, а с рабочим столом в 2D-режиме современный графический чип справится и при пониженной частоте. Многие современные видеокарты настроены так, чтобы графический чип обслуживал рабочий стол (2D-режим) с пониженной частотой, энергопотреблением и тепловыделением; соответственно, вентилятор охлаждения крутится медленнее и шумит меньше. Видеокарта начинает работать на полную мощность только при запуске 3D-приложений, например, компьютерных игр. Аналогичную логику можно реализовать программно, при помощи различных утилит по тонкой настройке и разгону видеокарт. Для примера, так выглядят настройки автоматического разгона в программе ATI Tray Tools для видеокарты HIS X800GTO IceQ II (Рисунок 2.13).
Рисунок 2.13 - ATI Tray Tools для видеокарты HIS X800GTO IceQ II
Создана Ray Adams новая утилита ATI Tray Tools (Рисунок 2.14).
Рисунок 2.14 - Новая утилита ATI Tray Tools
2.5 Перспективы развития систем охлаждения
Исторически так сложилось, что блоки питания обделены бесшумными системами охлаждения. Во многом это обусловлено тем, что они рассеивают 15-25% потребляемой компьютером энергии. Вся эта мощность выделяется на разных, активных и пассивных компонентах блока питания. Греются силовые диоды и ключи инверторов, трансформаторы и дроссели... Традиционная схема компоновки блока питания требует переосмысления с переходом на внешнее охлаждение. Блоки питания с возможностью подключения к водяной системе охлаждения производит только одна компания.
Начинается производство компьютерных систем с водяным охлаждением, используются двухконтурные, трехконтурные и для экстра компьютерных сетей многоконтурные системы охлаждения.
Для проверки эффективности системы охлаждения, использовались две конфигурации программного обеспечения.
Idle — загружен рабочий стол операционной системы Windows Vista Ultimate x64 SP1.
3D — выполняется тестовый пакет Futuremark 3Dmark Vantage.
В обоих режимах использовалась штатная система водяного охлаждения Koolance, без подключения к холодной воде.
Idle Water и 3D Water — в теплообменник внешнего контура подавалась холодная вода температурой около 17 градусов, вентиляторы штатной системы охлаждения не работали.
Idle Air и 3D Air — использовалась штатная, однослотовая, система охлаждения видеокарты ATI Radeon HD 3870 и процессорный кулер Neon 775 производства GIGABYTE.
Теплоносителем в первых четырех тестах является вода внутреннего контура охлаждения, а в двух последних тестах — воздух внутри системного блока. Для получения стабильных результатов, все тесты выполнялись в течении часа, а показания о максимальной температуре снимались с помощью программы HWMonitor.
Исследования показали, что охлаждение водой значительно эффективнее, чем охлаждение воздухом. В частности, в системе охлаждаемой воздухом, во время простоя, зафиксированы параметры нагрева аналогичные нагруженной системы охлаждаемой водой! Система, охлаждаемая во время работы 3D теста воздухом, достаточно быстро прогрела воздух внутри системного блока до температуры выше 45 градусов. Неудивительно, что температура процессоров приблизилась к 80 градусам, а вентиляторы зашумели на полную мощность.
При оценке экономического эффекта выяснилось, что цена переоборудования компьютера на водяное охлаждение возросла всего лишь на 1200 грн., а эффективность возросла на 100%.
С целью экономии воды, возможно изготовление трехконтурной системы охлаждения, в которой теплообменник крепится непосредственно на трубу магистрали холодной воды, и жидкость этой, промежуточной системы, прокачивается отдельной помпой. Весьма интересна возможность расположить между первым и вторым контуром полупроводниковый холодильник на эффекте Пельтье.
Применение подобных, прогрессивных решений, позволяет достигнуть рекордной производительности при полном отсутствии шума.
3. Технико-экономическое обоснование объекта исследования
3.1 Анализ различных видов охлаждения
Исследуем технико-экономические характеристики рассмотренных выше видов охлаждения (Таблица 3.1).
Таблица 3.1 – Технико-экономические характеристики различных видов охлаждения
|
Вид охлаждения |
Уровень шума, дБ | Стоимость, грн | Безопасность |
Простота конструкции |
Дополнительные сведения |
| Пассивный | отсутствует | до 50 | полная |
крепление дополнительных радиаторов |
|
|
Воздушное: вентилятор |
15-39 | 50-200 | частичная | установка дополнительных вентиляторов | Потребление эл. энергии, повышение уровня шума, периодическая смазка подшипников |
|
Воздушное: куллер |
15-39 | 150-400 | частичная | установка дополнительных куллеров | Потребление эл. энергии, повышение уровня шума, периодическая смазка подшипников |
|
Вид охлаждения |
Уровень шума, дБ | Стоимость, грн | Безопасность |
Простота конструкции |
Дополнительные сведения |
| Водяное охлаждение | до 10 | 1500-7500 | Попадание воды на электроблоки | Сложность установки, подвод воды, установка помпы | Попадание влаги, постоянный просмотр штуцеров, вентилей |
| Криогенное охлаждение | до 50 | 1200-6000 | Образование конденсата | Сложность установки | Образование конденсата, постоянный просмотр блоков, заправка фреоном, минусовые температуры |
| Нитрогенное охлаждение | отсутствует | 300-1200 | Образование конденсата, утечка азота | Сложность установки, герметичность | Образование конденсата, постоянный просмотр блоков, заправка азотом, минусовые температуры |
| Элемент Пельтье | отсутствует | 600-900 | Образование конденс. | Сложность установки, | Дополнительный нагрев |
Проанализировав таблицу 3.1 по цене делаем вывод (Рисунок 3.1):
Рисунок 3.1 – Анализ стоимости различных видов охлаждения:
пассивное охлаждение; 2- воздушное-вентилятор; 3 – воздушное-куллер; 4 – водяное; 5- криогенное; 6- нитрогенное; 7 - элемент Пельтье.
По стоимости самым дешевым видом охлаждения является пассивное, стоимость радиатора определяется количеством меди в нем и конфигурацией, самым дорогим является водяное охлаждение и содержит множество переделок корпуса компьютера, элемент Пельтье занимает среднюю позицию по стоимости, но оно не выгодно из-за обильного потребления электрической энергии и выделении тепла на полупроводнике, которое вызовет образование конденсата; самую выгодную позицию занимает воздушное охлаждение – простота монтажа, малая стоимость, надежность конструкции, малое энергопотребление, единственный недостаток вентиляторов – относительно высокий уровень шума.
Выгодно использовать смешанную систему охлаждения, но при использовании появятся как положительные, так и отрицательные факторы. При использовании, допустим, воздушного охлаждения (увеличении количества вентиляторов), мало того что увеличивается уровень шума самих вентиляторов, появляется эффект «резонирования», т.к. вентиляторы находятся на одном шасси.
При установке дополнительного воздушного охлаждения следует предусмотреть и систему фильтров, которая будет защищать данный компьютер от попадания пыли. Можно разработать и систему автоматического выключения электровентиляторов при охлаждении блоков компьютера до заданной величины, используя программу слежения за температурой блоков или дополнительные устройства (термореле, терморегуляторы).
Рассмотрим, во сколько обойдется усовершенствование охлаждения компьютерных систем при установке одного дополнительного вентилятора.
Первичными исходными данными для определения стоимости проекта являются показатели, которые используются на предприятии ГПО «МОНОЛИТ» г. Харьков.
Эти показатели сведены в таблицу 3.2.
Таблица 3.2 - Данные предприятия ГПО «МОНОЛИТ» г. Харьков.
состоянием на 01.01.2010 г.
| Статьи расходов | Усл.обоз. |
Единицы измер. |
Величина |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Разработка (проектирование) КД | |||
| Тарифная ставка конструктора - технолога | Зсист | грн. | 1200 |
| Тарифная ставка обслуживающего персонала | Зперс | грн. | 1200 |
| Зарплата других категорий рабочих, задействованных в процессе разработки КД | Зин.роб. | грн. | 1500 |
| Тариф на электроэнергию | Се/е | грн. | 0,56 |
| Мощность компьютера, модема, принтера и др. | WМ | квт /час. | 0,3 |
| Стоимость ЭВМ, принтера, модема для базового и нового изделия (IBMPentium/32/200/ SVG) | Втз | грн. | 3200,00 |
| Амортизационные отчисления | Ааморт | % | 10 |
| Стоимость 1-го часа использования ЭВМ | Вг | грн. | 6,5 |
| Норма дополнительной зарплаты | Нд | % | 10 |
| Отчисление на социальные мероприятия | Нсоц | % | 37,2 |
| Общепроизводственные (накладные) расходы | Ннакл | % | 25 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Транспортно-заготовительные расходы | Нтрв | % | 4 |
| Время обслуживания систем ЭВМ | То | час/год | 180 |
| Норма амортизационных отчислений на ЭВМ | На | % | 10 |
| Отчисление на удерживание и ремонт ЭВМ | Нр | % | 10 |
3.2 Расчет расходов на стадии проектирования (разработки) КД нового изделия
а) Трудоемкость разработки КД нового изделия
Для определения трудоемкости выполнения проектных работ прежде всего складывается перечень всех этапов и видов работ, которые должны быть выполнены (логически, упорядочено и последовательно). Нужно определить квалификационный уровень (должности) исполнителей.
Расходы на разработку КД представляет собой оплату труда разработчиков схемы электрической принципиальной, конструкторов и технологов.
Расчет расходов на КД выводится методом калькуляции расходов, в основу которого положенная трудоемкость и заработная плата разработчиков.
а) Трудоемкость разработки КД изделия (Т) рассчитывается по формуле:
, (3.1)
где Татз – расходы труда на анализ технического задания (ТЗ), чел./час;
Трес – расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;
Трк – расходы труда на разработку конструкции, чел./час;
Трт – расходы труда на разработку технологии, чел./час;
Токд – расходы труда на оформление КД, чел./час;
Твидз – расходы труда на изготовление и испытание опытного образца, чел./час.
Таблица 3.3 - Расчет заработной платы на разработку КД изделия
Виды работ |
Условные обозначения |
Почасовая тарифная ставка - Сст, грн. |
Фактические расходы времени чел./час; |
Сдельная зарплата, грн. |
| 1. Анализ ТЗ | Татз | 4,28 | 2 | 8,56 |
| 2. Разработка электрических схем | Трес | 4,28 | 4 | 17,12 |
| 3. Разработка конструкции | Трк | 4,28 | 4 | 17,12 |
| 4. Разработка технологии | Трт | 4,28 | 3 | 12,84 |
| 5. Оформление КД | Токд | 4,28 | 8 | 34,24 |
| 6. Изготовление и испытание опытного образца | Твидз | 4,28 | 4 | 17,12 |
| ВСЕГО: | е | 4,28 | 25 | 107,00 |
Заработная плата на разработку КД изделия С определяется за формулой:
, (3.2)
где
- почасовая
тарифная ставка
разработчика,
грн
- трудоемкость
разработки
КД изделия
(определяется
в гривнях с
двумя десятинными
знаками (00,00грн.)
б) Расчет материальных расходов на разработку КД
Материальные расходы Мв, которые необходимы для разработки (создании) КД, приведенные в таблице 3.4.
Таблица 3.4 - Расчет материальных расходов на разработку КД
| Материал |
Условные обознач. |
Факт. количество | Цена за ед., грн. | Сумма, грн. |
| 1. CD DVD | диск | 2 | 2,00 | 4,00 |
| 2. Бумага | лист | 200 | 0,07 | 14,00 |
| 3. Другие материалы | е Ми | - | - | - |
| ВСЕГО | е | 18,00 | ||
| ТЗР (4%) | 0,72 | |||
| ИТОГО | Мв | 18,72 |
в) Расходы на использование ЭВМ при разработке КД (если они есть).
Расходы, на использование ЭВМ при разработке КД, рассчитываются исходя из расходов работы одного часа ЭВМ по формуле. грн.:
, (3.3)
где Вг – стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.
Трес – расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;
Трк – расходы труда на разработку конструкции, чел./час;
Трт – расходы труда на разработку технологии, чел./час;
Токд – расходы труда на оформление КД, чел./час;
При этом, стоимость работы одного часа ЭВМ (других технических средств - ТЗ) Вг определяется по формуле, грн.:
, (3.4)
где Те/е – расходы на электроэнергию, грн.;
Ваморт – величина 1-го часа амортизации ЭВМ, грн.;
Зперс – почасовая зарплата обслуживающего персонала, грн.;
Трем – расходы на ремонт, покупку деталей, грн.;
Стоимость одного часа амортизации Ваморт определяется по формуле, грн.:
при 40 часовой рабочей неделе:
, (3.5)
где Втз - стоимость технических средств, грн.
На - норма годовой амортизации (%).
Кт - количество недель в год (52 недели/год).
Гт - количество рабочих часов в неделю (40 часов/неделю)
Почасовая оплата обслуживающего персонала Зперс рассчитывается по формуле, грн.:
, (3.6)
где Окл - месячный оклад обслуживающего персонала, грн.
Крг - количество рабочих часов в месяц (160 часов/месяц);
Нрем - расходы на оплату труда ремонта ЭВМ (6 % Окл).
Расходы на ремонт, покупку деталей для ЭВМ Трем определяются по формуле, грн.:
, (3.7)
где Втз - стоимость технических средств, грн.
Нрем - процент расходов на ремонт, покупку деталей (%);
Кт - количество недель на год (52 недели/год).
Гт - количество рабочих часов на неделю (36 ё 168 час./неделя)
Расходы на использование электроэнергии ЭВМ и техническими средствами Те/е определяются по формуле, грн.:
, (3.8)
где Ве/е – стоимость одного кВт/час электроэнергии, грн.;
Wпот – мощность компьютера, принтера и сканера (за 1 час), (кВт/час.).
Таким образом, стоимость одного часа работы ЭВМ при разработке КД будет составлять (см. формулу 3.4), грн.:
.
Расходы на использование ЭВМ при разработке, грн. (см. формулу 3.3):
г) Расчет технологической себестоимости создания КД
Расчет технологической себестоимости создания КД изделия проводится методом калькуляции расходов (таблица 3.5).
Таблица 3.5 - Калькуляция технологических расходов на создание КД изделия
|
№ п/п |
Наименование статей |
Условны обозначения |
Расходы (грн.) |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. | Материальные расходы | Мв | 18,72 |
| 2. | Основная зарплата | Зо | 107,00 |
| 3. | Дополнительная зарплата | Зд | 10,70 |
| 4. | Отчисление на социальные мероприятия | 37,2%(Зо+Зд) | 43,78 |
| 5. | Накладные расходы предприятия | Ннакл | 16,05 |
| 6. | Расходы на использование ЭВМ | ВМ | 18,06 |
| 7. | Себестоимость КД изделия | Скд = е (1ё6) | 203,61 |
Себестоимость разработанной конструкторской документации Скд рассчитывается как сумма пунктов 1–6.
3.3 Расчет расходов на стадии производства изделия
Себестоимость изделия что разрабатывается рассчитывается на основе норм материальных и трудовых расходов. Среди исходных данных, которые используются для расчета себестоимости изделия, выделяют нормы расходов сырья и основных материалов на одно изделие (таблица 3.6).
Таблица 3.6 - Расчет расходов на сырье и основные материалы на одно изделие
| Материалы |
Норма расходов (единиц) |
Оптовая цена грн./ед. |
Фактические расходы (единиц) |
Сумма грн. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Припой ПОС - 61 (ГОСТ 21930 - 76), кг | 0,2 | 25,00 | 0,2 | 5,00 |
| Лак ЭП-9114 (ГОСТ 2785-76), кг | 0,1 | 10,00 | 0,1 | 1,00 |
| Другие | - | -- | - | - |
| ВСЕГО: | 6,00 | |||
| Транспортно-заготовительные расходы (4%) | 0,24 | |||
| ИТОГО: | 6,24 |
В ходе расчета себестоимости изделия, как исходные данные, используют спецификации материалов, покупных комплектующих изделии и полуфабрикатов, что используются при изготовления одного изделия (таблица 3.7).
Таблица 3.7 – Ведомость комплектующих элементов на усовершенствование охлаждения ПК
| Наименование | Тип, марка | Цена за единицу, грн. | Количество | Сумма, грн | Поставщик |
| Вентилятор | 20x120mm, Titan TFD-12025H12B | 34,72 | 1 | 34,72 |
www.partya.ru/ catalog/34 |
| ВСЕГО: | 34,72 | ||||
| Трансп.-загот. расходы (4%) | 1,39 |
||||
| ИТОГО: | 36,11 |
Расчет зарплаты основных производственных рабочих проводим на основе норм трудоемкости по видам работ и почасовыми ставками рабочих Калькуляция себестоимости и определения цены выполняется в таблице 3.9.
Таблица 3.9 - Калькуляция себестоимости и определения цены изделии по новой КД
| Наименование статей расходов | Сумма, грн. |
| Сырье и материалы | 8,32 |
| Покупные комплектующие изделия | 36,11 |
| Основная зарплата рабочих | 53,91 |
| Дополнительная зарплата (15%) | 8,09 |
| Отчисление на социальные мероприятия (37,2%) | 23,06 |
| Накладные расходы (25% по данным предприятия) | 13,48 |
| Производственная себестоимость | 203,61 |
| Общая стоимость блока, который проектируется | 346,58 |
Общая стоимость на подготовку конструкторской документации и модернизацию охлаждения составляет 346,58 грн..
4. Охрана труда
Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.
В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областях деятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: электромагнитных полей (диапазон радиочастот: ВЧ, УВЧ и СВЧ), инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др..
Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы человека-оператора.
В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.
4.1 Требования к производственным помещениям
4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения
Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения.
Источники света, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхности экрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехи физиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении, особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичных источников света, должно быть сведено к минимуму.
Для защиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны.
В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола:
окна ориентированы на юг: - стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета; пол - зеленый;
окна ориентированы на север: - стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета; пол - красновато-оранжевый;
окна ориентированы на восток: - стены желто-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый;
окна ориентированы на запад: - стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый.
В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения: для потолка: 60-70%, для стен: 40-50%, для пола: около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели: 30-40%.
4.1.2 Освещение
Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.
Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах.
Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.
Существует три вида освещения - естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе).
Естественное освещение - освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений.
Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.
Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день).
Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.
Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее - освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное - освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.
Согласно СНиП II-4-79 в помещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.
При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно.
Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная - 750лк; аналогичные требования при выполнении работ средней точности - 200 и 300лк соответственно.
Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно – это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.
4.1.3 Параметры микроклимата
Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата – создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.
Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения (см. табл. 4.1)
Таблица 4.1- Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры
| Период года | Параметр микроклимата | Величина |
| Холодный | Температура воздуха в помещении | 22…24°С |
| Относительная влажность | 40…60% | |
| Скорость движения воздуха | до 0,1м/с | |
| Теплый | Температура воздуха в помещении | 23…25°С |
| Относительная влажность | 40…60% | |
| Скорость движения воздуха | 0,1…0,2м/с |
Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5м3/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2 - Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры
| Характеристика помещения | Объемный расход подаваемого в помещение свежего воздуха, м3 /на одного человека в час |
| Объем до 20м3 на человека | Не менее 30 |
| 20…40м3 на человека | Не менее 20 |
| Более 40м3 на человека | Естественная вентиляция |
Для обеспечения комфортных условий используются как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).
4.1.4 Шум и вибрация
Шум ухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [выше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере.
В табл. 4.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности.
Таблица 4.3 - Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах
| Категория напряженности труда | Категория тяжести труда | |||
| Легкая | Средняя | Тяжелая | Очень тяжелая | |
| I. Мало напряженный | 80 | 80 | 75 | 75 |
| II. Умеренно напряженный | 70 | 70 | 65 | 65 |
| III. Напряженный | 60 | 60 | - | - |
| IV. Очень напряженный | 50 | 50 | - | - |
Уровень шума на рабочем месте математиков-программистов и операторов видеоматериалов не должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительных машинах - 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.
4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения
Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются.
Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в табл. 4.4.
Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10-100мВт/м2.
Таблица 4.4 - Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)
| Наименование параметра | Допустимые значения |
| Напряженность электрической составляющей электромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора | 10В/м |
|
Напряженность магнитной составляющей электромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора |
0,3А/м |
|
Напряженность электростатического поля не должна превышать: для взрослых пользователей для детей дошкольных учреждений и учащихся средних специальных и высших учебных заведений |
20кВ/м 15кВ/м |
Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.
4.2 Эргономические требования к рабочему месту
Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.
Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены следующие основные условия: оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения.
Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются: высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементов рабочего места.
Главными элементами рабочего места программиста являются стол и кресло.
Основным рабочим положением является положение сидя.
Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление программиста.
Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.
Моторное поле - пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.
Максимальная зона досягаемости рук - это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.
Оптимальная зона - часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.
На рис. 4.1 показан пример размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столе программиста.
Для комфортной работы стол должен удовлетворять следующим условиям:
- высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники;
- нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы программист мог удобно сидеть, не был вынужден поджимать ноги;
- поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появление бликов в поле зрения программиста;
- конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящиков (не менее 3 для хранения документации, листингов, канцелярских принадлежностей);
- высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760мм;
- высота поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна быть около 650мм.
Большое значение придается характеристикам рабочего кресла. Так, рекомендуемая высота сиденья над уровнем пола находится в пределах 420-
550мм. Поверхность сиденья мягкая, передний край закругленный, а угол наклона спинки - регулируемый.
Рисунок 4.1- Размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столе программиста:
1 – сканер, 2 – монитор, 3 – принтер, 4 – поверхность рабочего стола, 5 – клавиатура, 6 – манипулятор типа «мышь».
Необходимо предусматривать при проектировании возможность различного размещения документов: сбоку от видеотерминала, между монитором и клавиатурой и т.п. Кроме того, в случаях, когда видеотерминал имеет низкое качество изображения, например заметны мелькания, расстояние от глаз до экрана делают больше (около 700мм), чем расстояние от глаза до документа (300-450мм). Вообще при высоком качестве изображения на видеотерминале расстояние от глаз пользователя до экрана, документа и клавиатуры может быть равным.
Положение экрана определяется:
- расстоянием считывания (0,6 - 0,7м);
- углом считывания, направлением взгляда на 20˚ ниже горизонтали к центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.
Должна также предусматриваться возможность регулирования экрана:
- по высоте +3 см;
- по наклону от -10˚ до +20˚ относительно вертикали;
- в левом и правом направлениях.
Большое значение также придается правильной рабочей позе пользователя.
При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях. Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие:
- голова не должна быть наклонена более чем на 20˚,
- плечи должны быть расслаблены,
- локти - под углом 80˚-100˚,
- предплечья и кисти рук - в горизонтальном положении.
Причина неправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами: нет хорошей подставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы - низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространство для ног.
В целях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации: лучше передвижная клавиатура; должны быть предусмотрены специальные приспособления для регулирования высоты стола, клавиатуры и экрана, а также подставка для рук.
Существенное значение для производительной и качественной работы на компьютере имеют размеры знаков, плотность их размещения, контраст и соотношение яркостей символов и фона экрана. Если расстояние от глаз оператора до экрана дисплея составляет 60-80 см, то высота знака должна быть не менее 3мм, оптимальное соотношение ширины и высоты знака составляет 3:4, а расстояние между знаками – 15-20% их высоты. Соотношение яркости фона экрана и символов - от 1:2 до 1:15.
Во время пользования компьютером медики советуют устанавливать монитор на расстоянии 50-60 см от глаз. Специалисты также считают, что верхняя часть видеодисплея должна быть на уровне глаз или чуть ниже. Когда человек смотрит прямо перед собой, его глаза открываются шире, чем когда он смотрит вниз. За счет этого площадь обзора значительно увеличивается, вызывая обезвоживание глаз. К тому же если экран установлен высоко, а глаза широко открыты, нарушается функция моргания. Это значит, что глаза не закрываются полностью, не омываются слезной жидкостью, не получают достаточного увлажнения, что приводит к их быстрой утомляемости.
Создание благоприятных условий труда и правильное эстетическое оформление рабочих мест на производстве имеет большое значение, как для облегчения труда, так и для повышения его привлекательности, положительно влияющей на производительность труда.
4.3 Режим труда
Как уже было неоднократно отмечено, при работе с персональным компьютером очень важную роль играет соблюдение правильного режима труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.
В табл. 4.5 представлены сведения о регламентированных перерывах, которые необходимо делать при работе на компьютере, в зависимости от продолжительности рабочей смены, видов и категорий трудовой деятельности с ВДТ (видеодисплейный терминал) и ПЭВМ (в соответствии с САнНиП 2.2.2 542-96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работ»).
Таблица 4.5 - Время регламентированных перерывов при работе на компьютере
| Категория работы с ВДТ или ПЭВМ |
Уровень нагрузки за рабочую смену при видах работы с ВДТ, количество знаков |
Суммарное время регламентированных перерывов, мин |
|
|
При 8-часовой смене |
При 12-часовой смене |
||
| Группа А | до 20000 | 30 | 70 |
| Группа Б | до 40000 | 50 | 90 |
| Группа В | до 60000 | 70 | 120 |
Примечание. Время перерывов дано при соблюдении указанных Санитарных правил и норм. При несоответствии фактических условий труда требованиям Санитарных правил и норм время регламентированных перерывов следует увеличить на 30%.
В соответствии со САнНиП 2.2.2 546-96 все виды трудовой деятельности, связанные с использованием компьютера, разделяются на три группы: группа А: работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с предварительным запросом; группа Б: работа по вводу информации; группа В: творческая работа в режиме диалога с ЭВМ.
Эффективность перерывов повышается при сочетании с производственной гимнастикой или организации специального помещения для отдыха персонала с удобной мягкой мебелью, аквариумом, зеленой зоной и т.п.
4.4 Расчет освещенности
Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения. Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.
4.4.1 Расчет искусственного освещения
Обычно искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют ряд существенных преимуществ:
- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному свету;
- обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);
- обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);
- более длительный срок службы.
Расчет освещения производится для комнаты площадью 15м2, ширина которой - 5м, высота - 3 м. Воспользуемся методом светового потока.
Для определения количества светильников определим световой поток, падающий на поверхность по формуле:
F = E∙S∙Z∙К / n, (4.1)
где F - рассчитываемый световой поток, Лм;
Е - нормированная минимальная освещенность, Лк (определяется по таблице). Работу программиста, в соответствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точных работ, следовательно, минимальная освещенность будет Е = 300Лк;
S - площадь освещаемого помещения (в нашем случае S = 15м2);
Z - отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1,1-1,15, пусть Z = 1,1);
К - коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение зависит от типа помещения и характера проводимых в нем работ и в нашем случае К = 1,5);
n - коэффициент использования, (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единицы; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стен и потолка, характеризуемых коэффициентами отражения от стен (РС) и потолка (РП)), значение коэффициентов РС и РП были указаны выше: РС=40%, РП=60%. Значение n определим по таблице коэффициентов использования различных светильников.
Для этого вычислим индекс помещения по формуле:
I = A∙B / h (A+B), (4.2)
где h - расчетная высота подвеса, h = 2,92 м;
A - ширина помещения, А = 3 м;
В - длина помещения, В = 5 м.
Подставив значения получим:
I= 0,642.
Зная индекс помещения I, по таблице 7 [23] находим n = 0,22.
Подставим все значения в формулу (4.1) для определения светового потока F, получаем F = 33750 Лм.
Для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток которых Fл = 4320 Лм.
Рассчитаем необходимое количество ламп по формуле:
N = F / Fл, (4.3)
где N - определяемое число ламп;
F - световой поток, F = 33750 Лм;
Fл- световой поток лампы, Fл = 4320 Лм.
N = 8 ламп.
При выборе осветительных приборов используем светильники типа ОД. Каждый светильник комплектуется двумя лампами.
Значит требуется для помещения площадью S = 15 м2 четыре светильника типа ОД.
4.4.2 Расчет естественного освещения помещений
Организация правильного освещения рабочих мест, зон обработки и производственных помещений имеет большое санитарно-гигиеническое значение, способствует повышению продуктивности работы, снижения травматизма, улучшения качества продукции. И наоборот, недостаточное освещение усложняет исполнения технологического процесса и может быть причиной несчастного случая и заболевания органов зрения.
Освещение должно удовлетворять такие основные требования:
- быть равномерным и довольно сильным;
- не создавать различных теней на местах работы, контрастов между освещенным рабочем местом и окружающей обстановкой;
- не создавать ненужной яркости и блеска в поле взора работников;
- давать правильное направление светового потока;
Все производственные помещения необходимо иметь светлопрорезы, которые дают достаточное природное освещение. Без природного освещения могут быть конференц-залы заседаний, выставочные залы, раздевалки, санитарно-бытовые помещения, помещения ожидания медицинских учреждений, помещений личной гигиены, коридоры и проходы.
Коэфициент естественного освещения в соответствии с ДНБ В 25.28.2006, для нашого III пояса светового климата составляет 1,5.
Исходя из этого произведем расчет необходимой площади оконных проемов.
Расчет площади окон при боковом освещении определяется, по формуле:
Sо = (Ln*Кз.*N0*Sn*Кзд.)/(100 *T0*r1) (4.4)
где: Ln – нормированное значение КЕО
Кз – коэффициент запаса (равен 1,2)
N0 – световая характеристика окон
Sn – площадь достаточного естественного освещения
Кзд. – коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями
r1 – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении
T0 – общий коэффициент светопропускания, который рассчитывается по формуле:
T0 = T1 * T2 * T3 * T4 * T5, (4.5)
где T1 – коэффициент светопропускания материала;
T2 – коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светопроема;
T3 – коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях;
T4 – коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитный устройствах;
T5 – коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями, принимается равным 1;
Теперь следует рассчитать боковое освещение для зоны, примыкающей к наружной стене. По разряду зрительной работы нужно определить значение КЕО. КЕО = 1,5 нормированное значение КЕО с учетом светового климата необходимо вычислить по формуле:
Ln=l*m*c, (4.6)
где l – значение КЕО (l=1.5);
m – коэффициент светового климата (m=1);
c – коэффициент солнечности климата (c=1)
Ln=1,5
Теперь следует определить отношение длины помещения Ln к глубине помещения B:
Ln/B=3/5 =0,6;
Отношение глубины помещения В к высоте от уровня условной рабочей поверхности до верха окна h1 (в данном случае h1=1,8):
B/h1=5/1,8 = 2,77.
Световая характеристика световых проемов N0=9.
Кзд=1
Значение T0=0,8*0,7*1*1*1=0,56.
Ln для 4 разряда зрительных работ равен 1,5 при мытье окон два раза в год.
Определяем r1, r1=1,5.
Кз.=1,2.
Теперь следует определить значение Sп:
Sп=Ln*В=3*10=30 м2.
Кзд.=1.
На данном этапе следует рассчитать необходимую площадь оконных проемов: (Ln* Кз.*N0*Sn*Кзд.) / (100*T0*r1)
Sо = (1,5*1,2*9*30*1)/(100*0,56*1,5)=486/84= 5,78 м2;
Принимаем количество окон 1 штука:
S1=5,78 м2 площадь одного окна
Высота одного окна составляет – 2,4 м, ширина 2,4 м.
4.5 Расчет вентиляции
В зависимости от способа перемещения воздуха вентиляция бывает естественная и принудительная.
Параметры воздуха, поступающего в приемные отверстия и проемы местных отсосов технологических и других устройств, которые расположены в рабочей зоне, следует принимать в соответствии с ГОСТ 12.1.005-76. При размерах помещения 3 на 5 метров и высоте 3 метра, его объем 45 куб.м. Следовательно, вентиляция должна обеспечивать расход воздуха в 90 куб.м/час. В летнее время следует предусмотреть установку кондиционера с целью избежания превышения температуры в помещении для устойчивой работы оборудования. Необходимо уделить должное внимание количеству пыли в воздухе, так как это непосредственно влияет на надежность и ресурс эксплуатации ЭВМ.
Мощность (точнее мощность охлаждения) кондиционера является главной его характеристикой, от неё зависит на какой объем помещения он рассчитан. Для ориентировочных расчетов берется 1 кВт на 10 м2 при высоте потолков 2,8 – 3 м (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 "Отопление, вентиляция и кондиционирование").
Для расчета теплопритоков данного помещения использована упрощенная методика:
Q=S·h·q (4.8)
где: Q – Теплопритоки
S – Площадь помещения
h – Высота помещения
q – Коэффициент равный 30-40 вт/м3 (в данном случае 35 вт/м3)
Для помещения 15 м2 и высотой 3 м теплопритоки будут составлять:
Q=15·3·35=1575 вт
Кроме этого следует учитывать тепловыделение от оргтехники и людей, считается (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 "Отопление, вентиляция и кондиционирование") что в спокойном состоянии человек выделяет 0,1 кВт тепла, компьютер или копировальный аппарат 0,3 кВт, прибавив эти значения к общим теплопритокам можно получить необходимую мощность охлаждения.
Qдоп=(H·Sопер)+(С·Sкомп)+(P·Sпринт) (4.9)
где: Qдоп – Сумма дополнительных теплопритоков
C – Тепловыделение компьютера
H – Тепловыделение оператора
D – Тепловыделение принтера
Sкомп – Количество рабочих станций
Sпринт – Количество принтеров
Sопер – Количество операторов
Дополнительные теплопритоки помещения составят:
Qдоп1=(0,1·2)+(0,3·2)+(0,3·1)=1,1(кВт)
Итого сумма теплопритоков равна:
Qобщ1=1575+1100=2675 (Вт)
В соответствии с данными расчетами необходимо выбрать целесообразную мощность и количество кондиционеров.
Для помещения, для которого ведется расчет, следует использовать кондиционеры с номинальной мощностью 3,0 кВт.
4.6 Расчет уровня шума
Одним из неблагоприятных факторов производственной среды в ИВЦ является высокий уровень шума, создаваемый печатными устройствами, оборудованием для кондиционирования воздуха, вентиляторами систем охлаждения в самих ЭВМ.
Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте оператора.
Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников:
∑L = 10·lg (Li∙n), (4.10)
где Li – уровень звукового давления i-го источника шума;
n – количество источников шума.
Полученные результаты расчета сравнивается с допустимым значением уровня шума для данного рабочего места. Если результаты расчета выше допустимого значения уровня шума, то необходимы специальные меры по снижению шума. К ним относятся: облицовка стен и потолка зала звукопоглощающими материалами, снижение шума в источнике, правильная планировка оборудования и рациональная организация рабочего места оператора.
Уровни звукового давления источников шума, действующих на оператора на его рабочем месте представлены в табл. 4.6.
Таблица 4.6 - Уровни звукового давления различных источников
| Источник шума | Уровень шума, дБ |
| Жесткий диск | 40 |
| Вентилятор | 45 |
| Монитор | 17 |
| Клавиатура | 10 |
| Принтер | 45 |
| Сканер | 42 |
Обычно рабочее место оператора оснащено следующим оборудованием: винчестер в системном блоке, вентилятор(ы) систем охлаждения ПК, монитор, клавиатура, принтер и сканер.
Подставив значения уровня звукового давления для каждого вида оборудования в формулу (4.4), получим:
∑L=10·lg(104+104,5+101,7+101+104,5+104,2)=49,5 дБ
Полученное значение не превышает допустимый уровень шума для рабочего места оператора, равный 65 дБ (ГОСТ 12.1.003-83). И если учесть, что вряд ли такие периферийные устройства как сканер и принтер будут использоваться одновременно, то эта цифра будет еще ниже. Кроме того при работе принтера непосредственное присутствие оператора необязательно, т.к. принтер снабжен механизмом автоподачи листов.
Выводы
В работе рассмотрена актуальная тема - регулировка охлаждения компьютерных систем.
В процессе выполнения работы были рассмотрены теоретические вопросы охлаждения компьютерных систем, движение воздушных потоков при различных системах охлаждения, сравнительная характеристика использования активной и пассивной систем охлаждения.
Производительность компьютерных систем повышается, значит повышается и нагрев элементов схем компьютерных систем, а следствием и увеличивается температура внутри компьютера. При увеличении температуры начинаются и отказы некоторых элементов.
В работе рассматриваются различные виды охлаждения компьютерных систем, начиная от самого простейшего – пассивного и заканчивая самым дорогим видом охлаждения, используя элементы Пельтье.
Воздушное охлаждение компьютера, на современном этапе, является наиболее приемлимым для рядового пользователя. Но воздушное охлаждение обладает рядом недостатков. В первую очередь это уровень шума. Чем больше мы добавляем вентиляторов в систему, тем выше уровень шума. Второй недостаток – приток внешней пыли.
На современном этапе используются водяное, криогенное и нитрогенное охлаждение. Но каждый вид охлаждения обладает рядом достоинств и недостатков. Проведя технико-экономический анализ различных видов охлаждения, мы решили в компьютерную систему добавить вентилятор и рассчитали затраты на установку дополнительного вентилятора и термореле, которое выключает вентилятор при снижении температуры внутри компьютера.
Общая стоимость на разработку КД и установку вентилятора составила 346,58 грн.
В последнем разделе работы рассмотрены вопросы охраны труда.
Перечень ссылок
1. Соломенчук В., Соломенчук П. Железо ПК 2010- Петербург, 2010, 448 с.
2. Айден, Фибельман, Крамер. Аппаратные средства РС. Энциклопедия аппаратных ресурсов персональных компьютеров. "BHV-СПБ", Санкт-Петербург,2006.
3. Мушкетов Р. Обзор возможных неисправностей ПК (2010) – К., 2010, 248с.
4. Стивен Симрин. Библия DOS,"Impuls Software".
5. Михаил Гук. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. "Питер",сП-Б - М.,Харьков, Минск, 2000.
6. Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт персональных компьютеров. "БИНОМ", М., 2010.- 414с.
7.Пономарев В.. НЕТБУК: выбор, эксплуатация, модернизация- БХВ-Петербург, 2009 – 432с.
8. Косцов А., Косцов В.Железо ПК. Настольная книга пользователя – М, Мартин, 2010, 475с.
9. А. Пилгрим. Персональный компьютер. Книга 2. Модернизация и ремонт. BHV, Дюссельдорф,Киев,М., сПБ,1999.
10. Персональный компьютер. Книга 3. "Питер пресс", Дюссельдорф, Киев, М., СПб, 1999.
11. В. П. Леонтьев. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. "ОЛМА-ПРЕСС, М., 2003.
12. Ю.М. Платонов, Ю. Г. Уткин. Диагностика, ремонт и профилактика персональных компьютеров. М.,”Горячая линия-Телеком”, 2009.
13. Л. Н. Кечиев, Е. Д. Пожидаев "Защита электронных средств от воздействия статического электричества" – М.: ИД "Технологии", 2005.
14. Жидецкий В.Ц., Джигирей В.С., Мельников А.В. Основы охраны труда: Учебник – Львов, Афиша, 2008 – 351с.
15. Денисенко Г.Ф. Охрана труда: Учебн.пособие – М., Высшая школа, 1989 – 319с.
16. Самгин Э.Б. Освещение рабочих мест. – М.: МИРЭА, 1989. – 186с.
17. Справочная книга для проектирования электрического освещения. / Под ред. Г.Б. Кнорринга. – Л.: Энергия, 1976.
18. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов;
Под общ. ред. Е.Я. Юдина – М.: Машиностроение, 1985. – 400с., ил.
19. Зинченко В.П. Основы эргономики. – М.: МГУ, 1979. – 179с.
20.Методичні вказівки до виконання дипломної роботи для учнів спеціальності «Оператор комп’ютерного набору; оператор комп’ютерної верстки»/ Упоряд.: Д.О. Дяченко, К.О. Ізмалкова, О.Г. Меркулова. – Сєверодонецьк: СВПУ, 2007. – 40 с.
21.Сергей Симонович, Георгий Евсеев Компьютер и уход за ним - К., Узгода, 2008 – 452с.
22. Орлов В.С. Материнская плата – М., НАУКА, 2008 – 352с.
23. Как разогнать процессор (Видеокурс)- 2010, 37,52 Мб [Видео]
24. Скотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК. 16-е изд., - М., Вильямс, 2010 – 669с.