|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Охлаждение процессоров. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры Охлаждающие устройства узлов современных компьютеров - сложные конструкции, имеющие в своем составе теплообменную систему, нагнетатель теплоносителя, устройство контроля и управления и узел крепления к охлаждаемому объекту. Технические характеристики этих систем, как правило, отсутствуют, и пользователь вынужден опираться на свой опыт. Разобраться в тонкостях устройства и применения охлаждающих устройств поможет предлагаемая вниманию читателей статья. Как известно, компания Intel ограничивает рабочую температуру своих процессоров на уровне +66...78 °С, AMD - на уровне +85...90 °С. При +23 °С в помещении температура воздуха внутри системного блока компьютера на 10... 15 °С выше, а процессора - еще на 20...35 °С выше. В итоге температура процессора может достигать +75 °С, а в жаркое время (+35...40 °С) - +92 °С. Из этого следует, что современные процессоры при полной загрузке требуют эффективного охлаждения, и не всякий кулер (cooler - охладитель) сможет его обеспечить. Не говоря уже о любителях выжать все, что можно из своего компьютера. Для них эффективный кулер - насущная необходимость. Поэтому часто встает вопрос, какой кулер выбрать? В настоящее время в мире выпускается множество видов охлаждающих устройств. Это и охладители, в которых теплоносителем является воздух, и появившиеся в последнее время водяные и термоэлектрические охлаждающие устройства, и охладители на тепловых трубках, и даже такие экзотические, как парокомпрессионные холодильные установки. А любители экспериментируют даже со сжиженными газами и сухим льдом. При современном уровне отводимых тепловых мощностей кулеры, в которых в качестве теплоносителя используется воздух, нашли широкое распространение и успешно справляются с задачей охлаждения узлов компьютера. По виду теплообмена они делятся на устройства с естественной конвекцией и принудительной вентиляцией. Первые применяют в системах с тепловыделением до 10... 15 Вт, вторые - при уровнях тепловыделения до 100 Вт. В кулерах второй группы отводимая тепловая мощность пропорциональна площади поверхности радиатора (здесь и далее используется именно этот термин, как устоявшийся в литературе по компьютерам), разности температур его и охлаждающего воздуха и скорости воздушного потока. Наиболее распространены ребристые радиаторы, реже используют более сложные в изготовлении штыревые и турбинного типа. Кулеры турбинного типа от давно известного GoldenOrb до современных моделей хорошо зарекомендовали себя благодаря высокой эффективности. Используемый автором уже три года GoldenOrb, несмотря на довольно небольшую площадь оребрения, показал себя только с положительной стороны. Он был выбран из-за свойства такой конструкции создавать растекающийся от процессора по системной плате воздушный поток, который обеспечивает дополнительное охлаждение расположенных на ней компонентов. Чем обусловлена его эффективность? В результате проведенного анализа оказалось, что у радиаторов турбинного типа с ребрами постоянного сечения воздушный канал имеет увеличивающееся сечение по ходу воздушного потока, что обеспечивает постоянную и высокую скорость протекания нагревающегося воздуха в нем при малой мощности вентилятора. Кроме того, правильное направление закрутки ребер по воздушному потоку снижает его газодинамическое сопротивление, скорость охлаждающего воздуха оказывается выше (до 5 м/с), чем в ребристых радиаторах (до 2 м/с). В результате его тепловое сопротивление оказывается соизмеримым с тепловым сопротивлением ребристого радиатора примерно в 2,5 раза большей площади. Применение медного кулера этой модели может быть рекомендовано при тепловыделении до 50 Вт. Другие кулеры этого типа, например, с каналом постоянного сечения (ребра - трапециевидной формы), имеют меньшую эффективность. Кулеры с игольчатыми радиаторами показали высокую эффективность благодаря большей, чем у ребристых радиаторов одинаковых габаритов, площади поверхности. Наиболее широкое применение нашли кулеры с ребристыми радиаторами. Они просты в расчетах и дешевы в производстве. Рассмотрим основные зависимости, описывающие характеристики таких устройств. Прежде всего, это уравнение теплового баланса:
где Р - тепловая мощность, снимаемая радиатором; с - удельная теплоемкость воздуха; р - плотность воздуха; V - скорость воздуха в канале; Sкан - площадь сечения канала; ΔТ = Тр - Тс - температура нагрева воздуха в канале; Тр - температура радиатора; Тс - температура среды (воздуха); а - коэффициент теплоотдачи радиатора; S - площадь поверхности. Тепловое сопротивление Rp (оно численно равно температуре перегрева радиатора на 1 Вт подводимой мощности, °С/Вт) характеризует перепад температуры в последовательной цепи любых элементов в тепловом потоке, а в данном случае - тепловое сопротивление процессор-радиатор:
где Рр - мощность, подводимая к радиатору и рассеиваемая им, Вт; ΔТ- перепад температур на контактной поверхности. Зная тепловое сопротивление для каждого звена тепловой цепи, можно оценить распределение температуры по ней от радиатора до кристалла процессора:
где Тр - температура радиатора; Тк - температура кристалла; Рпроц - мощность, рассеиваемая процессором; RK_K - тепловое сопротивление кристалл-корпус процессора; RK - тепловое сопротивление корпус процессора-радиатор; Rp - тепловое сопротивление радиатор-среда. Тепловое сопротивление контактной поверхности при применении тепло-проводящей пасты между двумя элементами на пути теплового потока можно оценить по эмпирической формуле:
где Sn - площадь контактной поверхности. Площадь контактной поверхности существующих процессоров - примерно от 2 до 15 см2, тепловое сопротивление RK - от 1 до 0,15 °С/Вт, применение теплопроводящеи пасты снижает его до 0,5...0,07 °С/Вт. При использовании клеев без наполнителей удается получить RK, в лучшем случае соизмеримое со значением, соответствующим сухим контактирующим поверхностям, клеи с наполнителями позволяют достигнуть значений RK, близких к тем, что получаются при применении теплопроводящеи пасты. Дело в том, что невысыхающая теплопроводящая паста под давлением фиксирующего механизма растекается, и мы получаем ее слой минимальной толщины, а клеи, быстро затвердевая, сохраняют зазор, возникший при первичной установке, а он в существенной мере и определяет тепловое сопротивление. Главный недостаток такого соединения в его жесткости: при нагреве деформации радиатора передаются в виде механических напряжений корпусу процессора, последствия могут быть печальными. Конечно, процесс расчета теплового режима пары процессор-кулер намного сложнее, но приведенных формул достаточно для понимания процессов, происходящих в системе. А для проведения оценочных расчетов можно обратиться к специальной литературе (см., например, Справочник конструктора РЭА под ред. Р. Г. Варламова. - М.: Советское радио, 1980). Жидкостные кулеры бывают двух типов, самотечные и с принудительной прокачкой. Первые, несмотря на применение теплоносителя (воды) с большей, чем у воздуха теплоемкостью, имеют характеристики, соизмеримые с таковыми лучших воздушных кулеров, что намного ниже ожидаемых. Объясняется это малой скоростью протекания теплоносителя и требуемой разностью температур для создания перепада давления в узле съема тепла с процессора и теплообменнике. При использовании принудительной прокачки теплосъем более эффективен и температура процессора оказывается на 10...15 °С ниже, чем в предыдущем случае. Но если качество соединения трубок можно обеспечить только за счет аккуратности, то при наличии избыточного давления в соединительных трубках проблемы обеспечения герметичности решить сложнее. Нельзя забывать, что вода имеет большой коэффициент объемного расширения, поэтому необходима дополнительная емкость, располагающаяся выше самого верхнего узла системы. Согласно правилам, эта емкость должна иметь устройство, выравнивающее давление окружающего воздуха и в системе охлаждения. В простейшем случае - это отверстие, сообщающее ее с внешней средой. В результате пары воды всегда будут поступать в объем системного блока. Применение герметичных устройств выравнивания давлений снижает надежность конструкции. Существуют и трудности, о которых производители не пишут, но с которыми сталкивались все, кто работал с системами водяного охлаждения электронного оборудования. Это - микроорганизмы. Для предотвращения их роста в таких комфортных условиях необходимо принимать специальные меры и не менее одного раза в год промывать систему. Использование жидкостных кулеров эффективно при мощностях более 1000 Вт. Для охлаждения процессоров их применять не рекомендуется из-за малой отводимой мощности и сложности эксплуатации. Еще один вид кулеров - устройства с применением термоэлектрических элементов Пельтье. Примером может служить кулер с воздушным охлаждением МСХ462+Т фирмы SwiftTech на тепловые нагрузки до 100 Вт. Изделие предназначено для использования в системах, где жидкостное охлаждение недопустимо. 127 термоэлементов этого кулера питаются от рекомендованного фирмой источника питания "Meanwell S320-12" с выходным напряжением 15,2 В и током нагрузки 24 А. Устройство обеспечивает максимальную холодопроизводительность 226 Вт и разность температур более 67 °С. Его цена без вентилятора - около 90, а полного комплекта - 130... 170 долл. США. По сути, элемент Пельтье является тепловым насосом. Он обеспечивает перекачку тепла от процессора к радиатору, затрачивая на это энергию и добавляя к теплу, выделяемому процессором, свое тепло, которое при КПД около 50 % соизмеримо с отводимым, а это повышает тепловыделение в системном блоке. Необходимо также обеспечить "умное" управление термоэлектрической батареей в зависимости от нагрева процессора для предотвращения избыточного понижения его температуры и, как следствие, конденсации влаги на нем. Регулировка холодопроизводительности термоэлементов позволяет гибко отслеживать тепловыделение процессора и оптимизировать потребляемую мощность. К достоинствам кулеров на элементах Пельтье можно отнести их способность понижать рабочую температуру процессора на 67 °С, к недостаткам - большие потребляемую мощность (до 100 Вт) и тепловыделение, сложность конструкции и отсутствие системных плат, оборудованных устройствами автоматического управления ими. Без контроля температуры процессора возможен выход из строя его и системной платы. Данный вид кулеров при совместной работе с устройством управления может быть рекомендован для экспериментов с "разгоном" микропроцессоров. Хотелось бы предостеречь от самостоятельной установки такого кулера: в "лучшем" случае вы потеряете процессор, а в худшем - еще и системную плату. Дело в том, что для эффективного охлаждения необходимо с минимальным тепловым сопротивлением сопрячь две пары поверхностей (процессор-термоэлемент и термоэлемент-радиатор) при строго заданном усилии сжатия. С высоким качеством это может сделать только специалист, имеющий большой опыт работы с подобными устройствами. В случае же неудачи применение такого кулера принесет только дополнительные проблемы. Для оценки тепловых характеристик стандартного воздушного кулера с ребристым радиатором и его эффективности, в зависимости от материала радиатора (алюминиевый сплав, медь), был выполнен расчет с ориентацией на кулер процессора Р4 в соответствии с методикой, описанной в упомянутом выше справочнике. Исходные данные: ребристый радиатор с площадью обдуваемой поверхности 1560 см2, поверхность - шероховатая, черненая, крепление - стандартное; рассеиваемая мощность - 80 Вт, температура воздуха - +40 °С, скорость продувки - около 1 м/с. Результаты расчета иллюстрируются таблицей и графиками, изображенными на рисунке. В таблице приняты следующие обозначения: ΔТр_кр - перепад температуры на переходе радиатор-кристалл (меньшее значение - при использовании теплопроводящеи пасты, большее - без нее); Ткр - температура кристалла в тех же случаях; Ррас - суммарная мощность, отводимая радиатором; Ррас. изл. черн - мощность, рассеиваемая через излучение черненым радиатором.
Как видно из рисунка, радиатор из алюминиевого сплава (AI) обеспечивает (при прочих равных условиях) отвод примерно 77 Вт тепловой мощности при температуре радиатора +52 °С, а из меди (Си) - почти 80 Вт при температуре радиатора около +34,5 °С. Иными словами, в рассматриваемом случае при одинаковой тепловой мощности температура медного радиатора ниже в 1,5 раза. Это позволяет рекомендовать применение медных радиаторов в кулерах для охлаждения мощных процессоров. Они успешно справляются с задачей (при толщине ребра более 1 мм), не имея недостатков водяных и термоэлектрических устройств. Таблица позволяет оценить для этих точек температуру кристалла.
Рассчитанный радиатор имеет контактное тепловое сопротивление RK = 0,2 °С/Вт с теплопроводящеи пастой и 0,4 °С/Вт без нее. Тепловое сопротивление радиатора из алюминиевого сплава равно 0,67 °С/Вт, из меди - 0,45 °С/Вт (в обоих случаях при номинальной мощности) Анализируя уравнение теплового баланса (1) и исходя из опыта эксплуатации систем охлаждения, можно рекомендовать:
И общая рекомендация, о которой можно было бы не говорить по причине ее избитости, но практика показывает, что не все профессионалы ее придерживаются. Правильно применяйте теплопроводящую пасту, она облегчит режим работы процессора. При снятии кулера должен быть виден тонкий, почти прозрачный слой пасты на всей контактной поверхности. Мне же многократно приходилось видеть лишь шлепок в центре. Такое применение пасты только ухудшает условия охлаждения. Подведем итоги. Чтобы представлять, как обеспечивается отвод тепловой мощности от процессора, надо знать некоторые положения и зависимости:
Автор: А.Сорокин, г. Радужный Владимирской обл.
Искусственная кожа для эмуляции прикосновений
15.04.2024 Кошачий унитаз Petgugu Global
15.04.2024 Привлекательность заботливых мужчин
14.04.2024
▪ Компоненты тиристорной защиты ▪ Клетки ребенка остаются в головном мозге матери ▪ Фильм и состав воздуха зрительного зала
▪ раздел сайта Цветомузыкальные установки. Подборка статей ▪ статья Модернизированная совковая лопата. Чертеж, описание ▪ статья Сколько овец было на Ноевом ковчеге? Подробный ответ ▪ статья Рускус. Легенды, выращивание, способы применения ▪ статья Защита для зарядного устройства. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники:
All languages of this page