Raffreddamento a liquido - Test prestazionali

Metodologia di test: TEST PRESTAZIONALI

IN AGGIORNAMENTO COSTANTE!!! Ultimo aggiornamento 21-10-2011

NOTA PRELIMINARE: qualsiasi test prestazionale su un qualsiasi componente in esame utilizzerà il simulatore di carico a causa dei grandi vantaggi che permette di ottenere. Si rimanda di conseguenza ad un articolo che vi illustra per quanto possibile di cosa si sta parlando, la cui lettura è necessaria per una maggiore comprensione della metodologia sottostante: simulatore di carico.

RADIATORI

Per testare le prestazioni di un radiatore è necessario fornire al nostro loop un preciso carico di watt, il modo più efficiente per fornire un carico costante consiste nell'utilizzare il simulatore di carico (citato poc'anzi).
Utilizzare il simulatore comporta il dover inserire un waterblock all'interno del nostro loop per non mandare il corpo del simulatore a temperature decisamente poco ortodosse che potrebbero sfiorare anche i 300° c, ma questo non costituisce affatto un problema dato che con la PD31 si riesce tranquillamente a rimanere a 1,5GPM costanti, ovvero il valore del flow rate prestabilito per testare qualsiasi altro radiatore, indipendentemente dal waterblock che si utilizza: utilizzare o meno lo stesso waterblock risulta indifferente in quanto non si è interessati alle prestazioni e quindi alle temperature sul simulatore bensì a quelle del radiatore, ovvero al delta tra la temperatura ambiente e quella dell'acqua.
Ad ogni modo verrà utilizzato sempre lo stesso waterblock per non creare confusione tra i vari test.
Il loop per il test prestazionale di un radiatore sarà quindi costituito dalla vaschetta
EK Multioption RES 400, una pompa Sanso PD31, un flussimetro digitale SMC PF2W7 in serie ad un rubinetto a globo per variare il flusso misurato, un Dimastech Nethuns sul simulatore e infine dal nostro radiatore da testare.
La logica del circuito risulta quindi molto simile a quella descritta nella metodologia relativa ai test di portata con l'unica differenza che sarà inserito un componente in più, ovvero il waterblock da montare sul simulatore; dalla vaschetta si arriva all'ingresso della PD31 che manda acqua all'ingresso del flussimetro, flusso regolato da un rubinetto a globo posto a monte, poi dall'uscita del flussimetro si arriva successivamente all'ingresso del radiatore da testare e da questo al waterblock per poi, chiudendo il ciclo, passando dall'uscita del wa
terblock si ritorna nella vaschetta.

test prestazionali loop radiatori ott 2011

test prestazionali flussimetro digitale rubinetto globo

Seguendo la scia di noti tester americani, le prestazioni di un radiatore verranno determinate attraverso il coefficiente C°/W che non è altro che la differenza tra la temperatura media dell'acqua (Water Average) del loop [(Water Out + Water In) / 2] meno la temperatura dell'aria che attraversa il radiatore (Air In) diviso il carico in watt a cui è soggetto il radiatore. In parole povere questo coefficiente mi rappresenta il delta Water Average – Air In espresso in C° nel caso in cui applicassi 1 W di carico al radiatore.
Diventa facilmente intuibile l'importanza di questo coefficiente: conoscendo i watt che sviluppano i vari componenti che vado a raffreddare nel mio impianto a liquido basta moltiplicare questo valore per il coefficiente C°/W per conoscere esattamente il preciso Delta Water Average – Air In.
Questo risulta estremamente importante per l'utente finale che potrà regolarsi in modo preciso su quale radiatore/ventole prendere se necessita di un prestabilito Delta; per completezza riporto un esempio in basso:

Es.: Un radiatore a 1.5 GPM, con determinate ventole in Pull a 800 RPM e sotto 300W di carico mi da un coefficiente C°/W di 0,04. Con il radiatore in questa configurazione, se la mia CPU in full sviluppa 180W avrò un Delta (che ricordo essere la differenza tra la temperatura media dell'acqua del loop in full meno la temperatura dell'aria in ingresso che attraversa il radiatore) di 180 x 0,04, ovvero di 7,2°. Se quindi avrò una temperatura ambiente di 20° allora avrò l'acqua in full a 27,2°. Se oltre alla CPU raffreddo anche la mia GPU che mi sviluppa 200W il mio delta risultante sarà 380 x 0,04, ovvero 15,2°. Si ricorda inoltre che anche la pompa del proprio impianto sviluppa calore, ma ne parleremo più avanti.

Ovviamente esistono molti radiatori in commercio caratterizzati da diversi materiali, da una diversa struttura interna, da un diverso spessore e da una diversa struttura lamellare: aspetti questi che incidono in modo particolare sulle prestazioni finali. Inoltre, ventole che sviluppano una differente portata e dotate di una diversa pressione statica produrranno risultati diversi sullo stesso radiatore. Si riporta quindi dettagliatamente la metodologia utilizzata per effettuare i test, gli strumenti utilizzati e le ventole scelte come standard per coprire gli utilizzi più comuni dell'utente finale.

Per quanto concerne la strumentazione e la componentistica si fa riferimento all'elenco sottostante:

- Per rilevare le temperature d'interesse verranno utilizzati due termometri
Voltcraft K204. Parliamo di termometri quadrisonda ad alta precisione (0,1°C) con ingressi per sonde K. Per migliorare l'accuratezza e la leggibilità delle misure i due termometri verranno collegati ad un PC tramite l'interfaccia seriale di cui dispongono grazie ad un software proprietario.

test prestazionali termometri quadrisonda

test prestazionali softw term ott 2011

- Le sonde utilizzate per misurare le diverse temperature di interesse sono tutte sonde K calibrate tra di loro, in particolare verranno utilizzate un numero variabile di sonde che escono di serie dai due termometri (2 per ogni termometro) per misurare le temperature relative all'aria e 2 sonde a penetrazione innestate in due T ed isolate all'esterno per misurare correttamente le temperature relative all'acqua.

- Le grandezze misurate relative alle temperature saranno le seguenti:

  • le sonde per l'aria saranno una per ogni ventola, posizionate alla stessa altezza e fissate sul supporto in legno del radiatore in esame per maggiore stabilità delle stesse, tutte dedicate a rilevare la misura dell'Air In. Il radiatore è posizionato in orizzontale su di un supporto in legno appositamente realizzato. Si utilizza quindi un numero diverso di sonde a seconda della grandezza del radiatore (monoventola, biventola, triventola e cosi vià) per permettere nei casi in cui si testi da un biventola in su di fare una media della temperatura dell'aria che attraversa il radiatore.
  • le 2 sonde per l'acqua verranno posizionate appena dopo i raccordi del radiatore, una per rilevare la temperatura dell'acqua in ingresso (Water In) e l'altra per rilevare quella in uscita al radiatore (Water Out). Con queste misure si calcolerà il Water Average sommando le due temperature e dividendo per due: Water Average = (Water In + Water Out) / 2
test prestazionali sonde acqua ott 2011
test prestazionali sonde aria supporto ott 2011

- Le ventole utilizzate come standard per testare un qualsiasi radiatore, a seconda della tipologia e della misura delle ventole, sono esclusivamente due:

  1. Scythe Ultra Kaze DFS123812H-3000 - 120mm x 120mm x 38mm - 133,60CFM - 3000RPM - 45,90dB utilizzata per coprire tutte le possibili condizioni (dai bassi agli alti RPM), con costruzione della curva caratteristica derivante dalle seguenti misure:
    - 600 RPM
    - 700 RPM
    - 800 RPM
    - 1000 RPM
    - 1200 RPM
    - 1600 RPM
    - 2000 RPM
    - 2700 RPM
  2. Yate Loon D14SH-12 - 140mm x 140mm x 25mm - 140CFM - 2800RPM - 48,5dB utilizzata per coprire tutte le possibili condizioni (dai bassi agli alti RPM), con costruzione della curva caratteristica derivante dalle seguenti misure:
    - 600 RPM
    - 700 RPM
    - 800 RPM
    - 900 RPM
    - 1000 RPM
    - 1200 RPM
    - 1600 RPM
    - 2000 RPM

Rispetto a prima si è quindi abbandonato l'utilizzo di diverse ventole per simulare tutte le possibili configurazioni di utilizzo (dai bassi agli alti RPM), non solo perchè la misura di 2 dati soltanto non porta da una valida costruzione della relativa curva matematica, ma anche perchè risulta inutile testare con diverse ventole quando con una si riesce a coprire l'intero range di interesse.
La regolazione delle ventole avviene attraverso un alimentatore da banco: per garantire un'assoluta precisione degli RPM le ventole sono state precedentemente testate nel laboratorio dedicato all'Air Cooling.
Ad ogni modo per garantire assoluta precisione sugli RPM delle singole ventole si adopererà un misuratore laser dedicato a tale scopo: si misurerà di conseguenza la velocità delle singole ventole e se ne farà una media:

test prestazionali misuratore rpm ott 2011

Test, come eseguirli.
A seconda della tipologia del radiatore, in particolare delle ventole che questo può montare, verrà eseguito un singolo test a wattaggio fisso pari a 100, 200 o 300W.
Dall'analisi dei test a wattaggi variabili (100,200 e 300W) si è rilevata un'ottima precisione e corrispondenza dei C°/W ai vari wattaggi, tale da permettere il test con un singolo wattaggio. Qualora il radiatore non riesca sotto carico a mantenere la temperatura dell'acqua sotto i 50°C (limite massimo consentito per la PD31), allora si provvederà ad abbassare il carico in watt a seconda delle esigenze (in un range variabile da 100 a 250W).
I valori di carico, in realtà, sono l'approssimazione di altri valori che corrispondono a determinati voltaggi: per garantire una maggiore precisione dei watt somministrati al simulatore di carico viene utilizzato un wattmetro digitale PCE-PA 6000 che permette non solo di leggere realtime il wattaggio sprigionato dalle resistenze (oltre ad altri dati di interesse), ma anche di fornire attraverso collegamento c PC e software proprietario una media dei watt erogati durante l'arco temporale del test.

test prestazionali wattmetro ott 2011

test prestazionali soft wattmetro ott 2011

Il test vero e proprio consisterà nell'applicare il carico in esame per una durata complessiva di 40 minuti.
Nei primi 30 minuti non si rileveranno le misure di interesse che verranno invece rilevate nei restanti 10 minuti, durante l'esecuzione di ogni singolo test l'ambiente rimarrà isolato con finestre chiuse per evitare eccessivi sbalzi della temperatura ambiente.
E' infatti assolutamente necessario fare in modo che la temperatura ambiente rimanga costante il più possibile durante tutto il test, data la tendenza dell'aria a creare zone di stratificazione a temperature differenti alle varie altezze (ci possono essere anche 2° di differenza tra la temperatura presa a 20cm da terra e quella presa sul tavolo di lavoro); proprio per questo motivo si lavorerà con il radiatore rigorosamente in posizione orizzontale sul tavolo di lavoro.
Una variazione di 2°C nella temperatura ambiente tra l'inizio e la fine della sessione de test da 60 minuti comporta l'annullamento del test stesso e il rifacimento della prova e durante l'esecuzione della misura bisogna evitare nel modo più assoluto assembramenti di personale attorno al tavolo di prova in quanto si provocano facilmente delle variazioni di temperatura locali difficili da controllare e monitorare, inoltre il waterblock che servirà per raffreddare il simulatore di carico sarà sempre lo stesso, ovvero il Dimastech Nethuns.
L'acqua utilizzata nei test sarà sempre della comune acqua demineralizzata. La pasta termoconduttiva utilizzata tra simulatore di carico e waterblock sarà sempre di ottima qualità, generalmente della
coolink chillaramic o similari. Il radiatore in esame verrà testato sempre ad un flow rate costante pari a 1,5GPM con la pompa fissa a 28V e non verranno utilizzati convogliatori sulle ventole che saranno sempre montate sul radiatore in esame in estrazione (pull). Si ricorda infine che anche la pompa sprigiona un carico in watt che va ad influenzare il test: per questo motivo è stato preliminarmente effettuato un test a resistenze spente per misurare il delta aria-acqua ai vari RPM dipendente dal wattaggio della pompa e si è recentemente trovata una corrispondenza matematica con i valori riscontrati sul campo. Grazie a questo test è quindi stato possibile trovare una corrispondenza tra i watt reali scaricati in acqua dalla pompa con il delta T derivante da questo carico.

Tabella_efficienza_PD31_radiatori_xxx
 
Esempio_tabella_dati_radiatori_xxx


WATERBLOCK CPU e ONLY-GPU

Ci sono molte similitudini che accomunano la piattaforma per testare un radiatore a quella per testare un waterblock, ma nonostante questo è bene leggere la metodologia sottostante per apprezzare meglio le differenze che le riguardano.
Il loop per il test prestazionale di un waterblock sarà praticamente identico a quello per testare un radiatore, con l'unica differenza che il radiatore sarà sempre lo stesso mentre il waterblock cambierà di volta in volta: il circuito è quindi costituito dalla vaschetta dalla vaschetta EK Multioption RES 400, una pompa Sanso PD31, un flussimetro digitale SMC PF2W7 in serie ad un rubinetto a globo per variare il flusso misurato, un radiatore Aquacomputer Airplex Revolution 420/360 e dal waterblock in test.
Dalla vaschetta si arriva all'ingresso della PD31 che manda acqua all'ingresso del flussimetro, flusso regolato da un rubinetto a globo posto a monte, poi dall'uscita del flussimetro si arriva successivamente all'ingresso dell'Airplex Revolution e da questo al waterblock da testare per poi, chiudendo il ciclo, passando dall'uscita del waterblock si ritorna nella vaschetta.

test prestazionali loop radiatori ott 2011

Per quanto concerne la strumentazione e la strumentistica utilizzata si fa riferimento all'elenco sottostante:

- Per rilevare le temperature d'interesse verranno utilizzati due termometri Voltcraft K204. Parliamo di termometri quadrisonda ad alta precisione (0,1°C) con ingressi per sonde K. Per migliorare l'accuratezza e la leggibilità delle misure i due termometri verranno collegati ad un PC tramite l'interfaccia seriale di cui dispongono grazie ad un software proprietario.

test prestazionali termometri quadrisonda

 Screen_termometro

- Le sonde utilizzate per misurare le diverse temperature di interesse sono tutte sonde K calibrate tra di loro, in particolare verranno utilizzate 3 sonde che escono di serie dai due termometri (2 per ogni termometro, quindi una inutilizzata) per misurare le temperature relative all'aria e 3 sonde a penetrazione: 2 innestate in due T ed isolate all'esterno per misurare correttamente le temperature relative all'acqua e un'altra sempre isolata all'esterno per misurare la temperatura del simulatore.

- Le grandezze misurate relative alle temperature saranno le seguenti:

  • le sonde per l'aria saranno una per ogni ventola, posizionate alla stessa altezza e fissate al supporto del radiatore per maggiore stabilità delle stesse, tutte dedicate a rilevare la misura dell'Air In. Il radiatore è posizionato in orizzontale sul piano di lavoro, appoggiato swul suo supporto dedicato. Si utilizzano quindi 3 sonde per permettere di fare una media della temperatura dell'aria (Air In Average) che attraversa il radiatore (misure rilevate solo per controllare che la temperatua ambiente non vari di 2° durante il test e per verificare che il radiatore, sotto un certo carico, lavori sempre allo stesso modo).

test prestazionali sonde aria supporto ott 2011

  • le 2 sonde per l'acqua verranno posizionate appena dopo i raccordi del radiatore, una per rilevare la temperatura dell'acqua in ingresso (Water In) e l'altra per rilevare quella in uscita al radiatore (Water Out) che corrisponde anche alla temperatura dell'acqua in ingresso al waterblock. Con queste misure si calcolerà il Water Average sommando le due temperature e dividendo per due: Water Average = (Water In + Water Out) / 2.

test prestazionali sonde acqua ott 2011

  • La sonda per misurare la temperatura del simulatore verrà posizionata nell'apposito foro di cui il simulatore è predisposto e a contatto con lo stesso. Inoltre verrà fissata con del materiale isolante per evitare che la misura sia influenzata dall'ambiente esterno.
 sonda_simulatore_di_carico

- Le ventole utilizzate come standard saranno le Scythe Ultra Kaze DFS123812H-3000. La regolazione delle ventole avviene attraveso un alimentatore da banco: per garantire un'assoluta precisione degli RPM le ventole sono state precedentemente testate nel laboratorio dedicato all'Air Cooling. Ad ogni modo per garantire assoluta precisione sugli RPM delle singole ventole si adopererà un misuratore laser dedicato a tale scopo. Si misurerà di conseguenza la velocità delle singole ventole e se ne farà una media.
Si è scelto di far andare le ventole sempre a 12V per avere un Delta il più basso possibile, con conseguente margine di errore meno elevato.

test prestazionali misuratore rpm ott 2011

Test,come eseguirli.
Ogni waterblock in esame verrà testato ad un singolo
wattaggio pari a 300W. Questa scelta è una conseguenza del fatto che, dai test preventivamente eseguiti, la temperatura rilevata all'interno del simulatore raddoppia al raddoppiare del wattaggio. Risulta quindi inutile testare a diversi wattaggi perchè la temperatura all'interno del simulatore ad un qualsiasi wattaggio è facilmente ricavabile matematicamente dal test a 300W. Si è scelto proprio il test a 300W semplicemente per meglio evidenziare le differenze prestazionali tra i vari waterblock testati. 
I valori di carico, in realtà, sono l'approssimazione di altri valori che corrispondono a determinati voltaggi: per garantire una maggiore precisione dei watt somministrati al simulatore di carico viene utilizzato un wattmetro digitale PCE-PA 6000 che permette non solo di leggere realtime il wattaggio sprigionato dalle resistenze (oltre ad altri dati di interesse), ma anche di fornire attraverso collegamento c PC e software proprietario una media dei watt erogati durante l'arco temporale del test.

test prestazionali wattmetro ott 2011

test prestazionali soft wattmetro ott 2011


Il test vero e proprio consisterà nell'applicare il carico in esame per una durata complessiva di 20 minuti.
Nei primi 10 minuti non si rileveranno le misure di interesse che verranno invece rilevate nei restanti 10 minuti.

Durante l'esecuzione di ogni singolo test l'ambiente rimarrà isolato con finestre chiuse per evitare eccessivi sbalzi della temperatura ambiente. E' infatti assolutamente necessario fare in modo che la temperatura ambiente rimanga costante il più possibile durante tutto il test, data la tendenza dell'aria a creare zone di stratificazione a temperature differenti alle varie altezze (ci possono essere anche 2° di differenza tra la temperatura presa a 20cm da terra e quella presa sul tavolo di lavoro); proprio per questo motivo si lavorerà con il radiatore rigorosamente in posizione orizzontale sul tavolo di lavoro.
Una variazione di 2°C nella temperatura ambiente tra l'inizio e la fine del test comporta l'annullamento del test stesso e il rifacimento della prova e durante l'esecuzione della misura bisogna evitare nel modo più assoluto assembramenti di personale attorno al tavolo di prova in quanto si provocano facilmente delle variazioni di temperatura locali difficili da controllare e monitorare, inoltre il radiatore utilizzato sarà sempre lo stesso, ovvero un Aquacomputer Airplex Revolution 420/360. Si ricorda che non verranno utilizzati dei convogliatori sulle ventole che saranno sempre montate in estrazione (PULL).
L'acqua utilizzata nei test sarà sempre della comune acqua demineralizzata. La pasta termoconduttiva utilizzata tra simulatore di carico e waterblock sarà sempre di ottima qualità, generalmente della
coolink chillaramic o similari. Il waterblock in esame verrà testato sempre a prestabiliti flow rate, a passi di 0,25GPM, con la pompa fissa a 28V:

  • 0,50 GPM (113,56 lt/h)
  • 0,75 GPM (170,34 lt/h)
  • 1,00 GPM (227,12 lt/h)
  • 1,25 GPM (283,87 lt/h)
  • ...
  • Max GPM

Per la stesura della pasta termica si seguirà sempre la stessa procedura da me acquisita nel corso degli anni: si applicherà al centro del waterblock una piccola quantità di pasta che verrà spalmata uniformemente attraverso la pressione del waterblock stesso sul simulatore (si ricorda infatti che grazie alla backplate installata anche nel caso in cui ci fosse un leggero esubero della pasta termica questo verrebbe espulso fuori dalla zona di contatto tra simulatore e waterblock grazie alla maggiore pressione applicabile). Nel caso in cui il waterblock in esame consenta di modificare la planarità della sua base, si procederà alla migliore taratura possibile dello stesso. Ovviamente dopo ogni montaggio/smontaggio il simulatore ed il waterblock in esame verranno accuratamente puliti con l'Artic Clean.Trascorse 2 ore con simulatore in full load per assecondare l'assestamento della pasta termoconduttiva, ogni waterblock verrà interamente testato ai differenti e possibili flow rate per 3 diversi montaggi: il risultato meno in linea rispetto agli altri due verrà scartato e si farà la media dei restanti risultati ottenuti, questo per meglio evidenziare le prestazioni medie che può offrire il waterblock. Si ricorda infine che anche la pompa sprigiona un carico in watt che va ad influenzare il test: per questo motivo è stato preliminarmente effettuato un test a resistenze spente per misurare il delta aria-acqua ai vari flow rate dipendente dal wattaggio della pompa. Grazie a questo test è stato possibile sottrarre tale delta ad un qualsiasi test su un waterblock, eliminando di conseguenza anche tale variabile.

Delta_Sanso_PD31

Efficienza_Sanso_PD31