Охолодження процесорів
на сторінках сайту
www.electrosad.ru
Стаття написана більше 2 років тому, але деякі моменти з неї можуть бути корисними і зараз, тим більше проблеми з охолодженням процесорів проявляються все сильніше. Це пов'язано насамперед із зростанням їхньої продуктивності. Перехід більш тонкі технології не знижує важливості питання, оскільки в нових процесорів зростає кількість транзисторів, а споживана потужність знижується тільки на процесорах з малими тактовими частотами.
Як відомо, компанія Intel обмежує робочу температуру своїх процесорів на рівні +66...78 °С, AMD - на рівні +85...90 °С. При +23 ° С у приміщенні температура повітря всередині системного блоку комп'ютера на 10 ... 15 ° С вище, а процесора - на 20 ... 35 ° С вище останньої. У результаті температура процесора може досягати +75°С, а в спекотний час (+35…40°С) – +92°С.
З цього випливає, що сучасні процесори при повному завантаженні вимагають ефективного охолодження, і не всякий кулер (cooler - охолоджувач) зможе його забезпечити. Не кажучи вже про любителів вичавити все, що можна зі свого комп'ютера. Для них ефективний кулер — нагальна потреба. Тому часто постає питання, який кулер вибрати?
В даний час у світі випускається безліч видів охолоджувальних пристроїв. Це і охолоджувачі, в яких теплоносієм є повітря, і водяні і термоелектричні охолоджувальні пристрої, що з'явилися останнім часом, і охолоджувачі на теплових трубках, і навіть такі екзотичні, як парокомпресійні холодильні установки. А любителі експериментують навіть зі зрідженими газами та сухим льодом.
При сучасному рівні теплових потужностей, що відводяться, кулери, в яких в якості теплоносія використовується повітря * 1, знайшли широке поширення і успішно справляються ззавдання охолодження вузлів комп'ютера. По виду теплообміну вони діляться на пристрої з природною конвекцією та примусовою. Перші застосовують у системах з тепловиділенням до 10...15 Вт (наприклад, для охолодження мікросхеми північного мосту чіпсету), другі - при рівнях тепловиділення до 100 Вт. У кулерах другої групи теплова потужність, що відводиться, пропорційна площі поверхні радіатора, різниці температур його і охолоджуючого повітря і швидкості повітряного потоку. Найбільш поширені ребристі радіатори, рідше використовуються складніші у виготовленні штирьові та турбінного типу.
Кулери з голчастими радіаторами показали високу ефективність завдяки більшій, ніж у ребристих радіаторів однакових габаритів, площі поверхні *3.
Але ширше застосування знайшли кулери з ребристими радіаторами. Вони прості у розрахунках та дешеві у виробництві. Розглянемо основні залежності, що описують характеристики таких пристроїв.
Насамперед, це рівняння теплового балансу:
P = cpVS кан Δt = a SвнΔ t (1)
де P - теплова потужність, що знімається радіатором; с - питома теплоємність повітря; p - Щільність повітря; V - швидкість повітря в каналі; S кан - площа перерізу каналу; Δt = t р - t з температура нагрівання повітря в каналі; t р - Температура радіатора; t с - температура середовища (повітря); α - коефіцієнт тепловіддачі радіатора; S вн – площа поверхні.
Тепловий опір R р (воно чисельно дорівнює температурі перегріву радіатора на 1 Вт потужності, що підводиться, °С/Вт) характеризує перепад температури в послідовному ланцюгу будь-яких елементів в тепловому потоці, а в даному випадку - тепловий опір процесор-радіатор.
де P р - потужність, що підводиться до радіатора і розсіюється ним, Вт; Δt - перепад температур наконтактної поверхні.
Знаючи тепловий опір кожної ланки теплової ланцюга, можна оцінити розподіл температури по ній від радіатора до кристала процесора.
де tp – температура радіатора; t до - температура кристала; P проц - потужність, що розсіюється процесором; R к-к - тепловий опір кристал-корпус процесора; R до - тепловий опір корпус процесора-радіатор; R р - Тепловий опір радіатор-середовище.
Тепловий опір контактної поверхні при застосуванні теплопровідної пасти між двома елементами на шляху теплового потоку можна оцінити за емпіричною формулою
де: S п - Площа контактної поверхні.
Площа контактної поверхні існуючих процесорів - приблизно від 2 до 15 см 2 тепловий опір R до - від 1 до 0,15 ° С / Вт, застосування теплопровідної пасти знижує його до 0,5 ... 0,07 ° С / Вт.
При використанні клеїв без наповнювачів вдається отримати R до, у кращому випадку порівнянне зі значенням, відповідним сухим поверхонь, що контактують, клеї з наповнювачами дозволяють досягти значень R до, близьких до тих, що виходять при застосуванні теплопровідної пасти. Справа в тому, що невисихаюча теплопровідна паста під тиском фіксуючого механізму розтікається, і ми отримуємо її шар мінімальної товщини, а клеї, швидко твердне, зберігають зазор, що виник при первинній установці, а він значною мірою і визначає тепловий опір. Головний недолік такого з'єднання в його жорсткості: при нагріванні деформації радіатора передаються у вигляді механічного напруження корпусу процесора, наслідки можуть бути сумними.
Звичайно, процес розрахунку теплового режиму пари процесор-кулер набагато складніший, але наведених формул достатньо для розуміння процесів,що відбуваються у системі. А щодо оціночних розрахунків можна звернутися до спеціальної літератури (див., наприклад, Довідник конструктора РЕА під ред. Р. Р. Варламова (М.: Радянське радіо, 1980).
Рідинні кулери бувають двох типів: самопливні та з примусовим прокачуванням. Перші, незважаючи на застосування теплоносія (води) з більшою, ніж у повітря теплоємністю, мають властивості, порівняні з такими найкращими повітряними кулерами, що набагато нижче очікуваних. Пояснюється це малою швидкістю протікання теплоносія та необхідною різницею температур для створення перепаду тиску у вузлі знімання тепла з процесора та теплообмінника. При застосуванні примусового прокачування теплознімання ефективніше, і температура процесора виявляється на 10…15°С нижче, ніж у попередньому випадку. Але якщо якість з'єднання трубок можна забезпечити тільки за рахунок акуратності, то за наявності надлишкового тиску в трубах з'єднувальних проблеми забезпечення герметичності вирішити складніше. Не можна забувати, що вода має великий коефіцієнт об'ємного розширення, тому необхідна додаткова ємність, що знаходиться вище за верхній вузл системи. Згідно з правилами, ця ємність повинна мати пристрій, що вирівнює тиск навколишнього повітря та в системі охолодження. У найпростішому випадку - це отвір, що повідомляє її із зовнішнім середовищем. В результаті пари води завжди надходитимуть до об'єму системного блоку. Застосування герметичних пристроїв вирівнювання тиску знижує надійність конструкції.
Існують і труднощі, про які виробники не пишуть, але з якими стикалися всі, хто працював із системами водяного охолодження електронного обладнання. Це - мікроорганізми *4. Для запобігання їх зростанню в таких комфортних умовах необхідно вживати спеціальних заходів іне менше одного разу на рік промивати систему.
Використання рідинних кулерів ефективне при потужностях понад 1000 Вт. Для охолодження процесорів їх застосовувати не рекомендується через малу потужність і складність експлуатації, що відводиться.
Ще один вид кулерів - пристрої із застосуванням термоелектричних елементів Пельтьє. Прикладом може бути кулер з повітряним охолодженням MCX462+T фірми SwiftTech на теплові навантаження до 100 Вт. Виріб призначений для використання в системах, де рідинне охолодження неприпустиме. 127 термоелементів цього кулера живляться від рекомендованого фірмою джерела живлення "Meanwell S320-12" з вихідною напругою 15,2 В та струмом навантаження 24 А. Пристрій забезпечує максимальну холодопродуктивність 226 Вт і різницю температур понад 67 ° С. Його ціна без вентилятора , А повного комплекту - 130 ... 170 дол. USA.
По суті елемент Пельтьє є тепловим насосом. Він забезпечує перекачування тепла від процесора до радіатора, витрачаючи на це енергію і додаючи до тепла, що виділяється процесором, своє тепло, яке при ККД близько 50% порівняно з відведеним, а це підвищує тепловиділення в системному блоці *5.
Необхідно також забезпечити «розумне» керування термоелектричною батареєю залежно від нагрівання процесора для запобігання надмірному зниженню його температури і, як наслідок, конденсації вологи на ньому. Регулювання холодопродуктивності термоелементів дозволяє гнучко відстежувати тепловиділення процесора та оптимізувати споживану потужність.
До переваг кулерів на елементах Пельтьє можна віднести їхню здатність знижувати робочу температуру процесора на 67°С, до недоліків — велику споживану потужність (до 100 Вт) та тепловиділення, складність конструкції та відсутністьсистемних плат, обладнаних пристроями автоматичного керування ними. Без контролю температури процесора можливий вихід із ладу його та СП. Даний вид кулерів при спільній роботі з пристроєм управління може бути рекомендований для експериментів із «розгоном» мікропроцесорів.
Хотілося б застерегти від самостійного виготовлення такого кулера: у кращому випадку ви втратите процесор, а в гіршому — ще й системну плату. Справа в тому, що для ефективного охолодження необхідно з мінімальним тепловим опором сполучити дві пари поверхонь (процесор-термоелемент і термоелемент-радіатор) при заданому зусиллі стиснення. З високою якістю це може зробити лише фахівець, який має великий досвід роботи з такими пристроями. У разі невдачі застосування такого кулера принесе лише додаткові проблеми.
Для оцінки теплових характеристик стандартного повітряного кулера з ребристим радіатором та його ефективності в залежності від матеріалу радіатора (алюмінієвий сплав, мідь) було виконано розрахунок з орієнтацією на кулер процесора P4 відповідно до методики, описаної у вищезазначеному довіднику.
Вихідні дані: ребристий радіатор з площею поверхні, що обдувається 1560 см 2 , поверхня - шорстка, чорнена, кріплення - стандартне; розсіювана потужність 80 Вт, температура повітря +40°С, швидкість продування — близько 1м/с. Результати розрахунку ілюструютьсятаблицеюта графіками, зображеними намалюнку. У таблиці прийнято такі позначення: ΔT р–кр — перепад температури на переході радіатор—кристал (менше значення — при використанні теплопровідної пасти, більше — без неї); T кр - Температура кристала в тих же випадках; Ррас - сумарна потужність, що відводиться радіатором; Pрас. зл. чорн - потужність,розсіюється через випромінювання чорним радіатором.