Охлаждение процессоров. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры

 Комментарии к статье

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:

• использовать в системном блоке нагнетающий вентилятор. Применение вытяжного понижает давление в блоке и ухудшает охлаждение всех его узлов;
• узлы и кабели размещать в системном блоке так, чтобы обеспечить свободные пространства для прохождения потоков охлаждающего воздуха к тепловыделяющим узлам и далее за пределы системного блока;
• выбирать кулер с оптимальной площадью каналов радиатора. Она должна быть соизмерима с проходным сечением вентилятора-нагнетателя, в этом случае воздушный поток будет однородным и вентилятор обеспечит нагнетание без избыточных затрат энергии. Отложение пыли на вентиляторе и в каналах радиатора свидетельствует о скачке давления или неустойчивом воздушном потоке в месте ее скопления, поэтому необходимо упорядочить его течение. Заниматься повышением скорости воздуха бесперспективно, так как в данном сечении она определяется только перепадом давления по пути потока. А давление, создаваемое осевыми вентиляторами, не превышает 2...5 мм водяного столба и при увеличении мощности его электродвигателя практически не возрастает;
• применять вентиляторы с многолопастной (семь и более) крыльчаткой;
• понижать температуру в системном блоке, располагая его как можно дальше от источников тепла (чем ниже температура воздуха в месте установки блока, тем ниже она внутри него и тем холодней процессор);
• выбирать радиатор с оптимальными высотой и толщиной ребер. Из-за большого теплового сопротивления температура очень тонких ребер намного ниже температуры основания, поэтому эффективность охлаждения падает несмотря на их большую площадь. При толщине ребер около 1 мм предпочтение следует отдать медному радиатору, как более эффективному;
• применять радиаторы с ребрами, форма сечения которых обеспечивает близкий к равномерному теплосъем по всей поверхности ребра. Таковы, например, радиаторы кулеров Spire 9T207B1H3G компании Fanner Tech. В сечении их ребра представляют собой трапецию с отношением оснований 2:1 (1,2 и 0,6 мм). Температура на поверхности такого ребра более равномерна, что повышает его эффективность по сравнению с ребром прямоугольного сечения;
• и наконец (это уже для разработчиков и изготовителей), ввести тепловое сопротивление в перечень характеристик кулеров как обязательный параметр.

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:

1. Потребляемая мощность всегда больше тепловой мощности, выделяемой процессором.
2. Тепловая мощность, рассеиваемая процессором, меняется во время его работы и зависит от его загрузки, поэтому имеет статическую и динамическую составляющие. Первая из них - это мощность, рассеиваемая процессором, находящимся в режиме ожидания, зависит только от модели процессора (его внутренней структуры) и не равна нулю для современных процессоров AMD и Intel. Вторая изменяется в процессе работы процессора, зависит только от его загрузки и представляет собой разность между общей тепловой мощностью и ее статической частью.
3. Часть выделяемой процессором тепловой мощности рассеивается охлаждающим устройством через излучение.
4. Эффективность любого кулера характеризуется его тепловым сопротивлением.

Автор: А.Сорокин, г. Радужный Владимирской обл.

Смотрите другие статьи раздела Компьютеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Цифровые 30А DC-DC регуляторы IR38263/5 24.12.2018 Компания Infineon выпустила новые цифровые DC-DC преобразователи серии IPOL IR38263 и IR38265, с выходным током до 30 А. Преобразователи предназначены для питания ядер высокопроизводительных процессоров и других мощных низковольтных потребителей. Новые регуляторы комбинируют простоту использования, высокую интеграцию и возможность полной конфигурации по интерфейсу fast I2C или PMBus. Благодаря последним достижениям в технологиях низковольтных MOSFET, компании Infineon удалось реализовать достаточно мощный DC-DC с выходным током до 30 А в малом корпусе PQFN-24 (5-7 мм). Наличие цифрового интерфейса делает данное решение действительно гибким. Все основные параметры (частота коммутации, выходное напряжение, пороги срабатывания защит) можно настроить с помощью цифрового хост-контроллера. По цифровому интерфейсу можно считать значения входного и выходного напряжения, выходного тока и температуры. Технические параметры: диапазон входных напряжений: 5,5...16 В (1,5...16 В с внешним питанием Vcc); выходное напряжение настраивается от 0,5 В до 87,5% от Vin; номинальный выходной ток достигает 30 А; частота преобразования настраивается в диапазоне 150...1500 кГц; КПД до 96%; алгоритм управления Voltage Mode (VM Engine Gen3) позволяет быстро отрабатывать изменения нагрузки; настройка выходного напряжения с помощью 3-х цифровых входов PVID; возможность настройки параметров через интерфейс fast I2C (IR38265) или PMBus (IR38263); возможность считывания значений выходного напряжения и тока нагрузки с помощью цифрового интерфейса I2C/PMBus; диапазон рабочих температур -40°С...+125°С; корпус PQFN-24 размером 5х7 мм.

Другие интересные новости:

▪ Телевизор Philips 55PUS9109 на Android

▪ Проектор меньше наперстка

▪ Низкопрофильные SSD H6201 от BIWIN

▪ Ветра для энергетики хватит на всех

▪ Нашей эре дали новое название

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Крылатые слова, фразеологизмы. Подборка статей

▪ статья Принцип домино. Крылатое выражение

▪ статья Как велика скорость света в вакууме? Подробный ответ

▪ статья Спорыш. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Чему равна энергия ветра? Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Прыгающие валеты. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026