Основы охлаждения компьютера

в разделе "Охлаждение компьютера" на сайте

www.electrosad.ru

Основные понятия

У всех элементов применяемых в радиоэлектронике и особенно у полупроводниковых приборов, будь то - простой транзистор, - микросхема (контроллера, чипсета, процессора, динамической памяти) есть максимальная температура при которой все они работают. Причем, сказанное относится к температуре при которой технические характеристики сохраняются в течении всего заданного срока эксплуатации, но существует и предельная температура. Она выше максимальной рабочей, но при предельной температуре срок службы элементов резко падает и не гарантируются его характеристики и работоспособность.

 

Например:

Элемент Максимальная температура град.С Примечание
Диэлектрические материалы 75-250 Макс. значение для фторопласта
Резисторы до +125 специальные до +350
Конденсаторы оксидные до 105 специальные до 135
Конденсаторы до 80/100 определяется теплостойкостью диэлектрика
Транзисторы Ge-75/Si-150 при предельной для ПП материалов Германий/Кремний -> 90/250
Процессор AMD/Intel 90/78

 

Все перечисленные выше элементы нагреваются по нескольким причинам.

  1. Проводящие ток цепи - за счет потерь на сопротивлении цепи при протекании тока. Эти потери имеют место в проводниках, резисторах, полупроводниковых структурах чипов и транзисторах и частично определяют их тепловыделение.
  2. Изолирующие материалы и структуры, проводники - за счет потерь высокочастотных составляющих коммутируемых полупроводниковыми приборами токов. Этот вид потерь имеет место в диэлектрических материалах печатных плат, конденсаторов, полупроводниковых структур.

В любом случае температура элемента не должна превышать его максимальной рабочей температуры.

Задачи по недопущению перегрева элементов схемы и призвана решать система охлаждения, в данном случае ПК. А поскольку температура элемента (например процессора) есть величина переменная (зависит от его режима работы), система охлаждения должна обеспечивать охлаждение до температуры порядка 50-:-70% от максимальной. Так чтобы в пиковых тепловыделениях (вычислительных нагрузках на процессор) его температура не превышала максимальной рабочей температуры. Известно, что ее превышение чревато сбоями.

За счет чего охлаждаются элементы?

Если не вдаваться в научные термины, любая местная (точечная) неоднородность (в нашем случае избыточность тепла) стремиться равномерно распределиться в окружающей ее среде. Так и избыточность тепла нагретого элемента схемы стремиться равномерно распределиться в окружающем пространстве. Это перенос тепла от горячего тела к холодному, в том числе и окружающей среде и происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

  • Теплопроводность это свойство вещества, характеризующее его способность переносить тепло по своему объему от нагретой поверхности к холодной. Теплопроводность является одним из основных критериев по выбору металла для теплообменника, который осуществляет отвода тепла от охлаждаемого устройства к внешней среде.
  • Конвекция это перенос тепловой энергии полученной от нагретого тела подвижными частицами среды. Это могут быть газ или жидкость.
  • Тепловое излучение в РЭА обеспечивает отвод тепла через излучение. При температурах характерных для РЭА, в инфракрасной области.

Все три вида теплообмена описываются следующим выражением:

 

 

Здесь: W - тепловая мощность Вт, отведенная через данный вид теплообмена, - коэффициент теплообмена Вт/м2; S - площадь поверхности теплообмена; - разность температуры нагретого тела и холодного или среды.

Обращаю Ваше внимание, отдаваемая тепловая мощность W, прямо пропорциональна площади поверхности S и разности температур нагретого и холодного тела -.  Последняя равна dt=tнагр-tокр

tокр находится в диапазоне18-25 град. С (температура окружающего воздуха), а tнагр - 75 - 95 град. С (температура максимально нагрева полупроводниковых структур). А площадь поверхности теплообмена S ограничена только размером и массой конструкции.

Важную роль играет и коэффициент теплообмена, для разных способов теплообмена он существенно отличается.

Чем сильнее нагрето охлаждаемое тело (чем выше tнагр) тем эффективнее отводится от него выделяемая им мощность.

 

Теплопроводность

Т. это способность материала проводить тепло от нагретой поверхности к более холодной. Для теплопроводности коэффициент теплообмена αT равен

 

 

где - коэффициент теплопроводности металла Вт/(м К); - толщина материала м.

При расчетах переноса тепла за счет теплопроводности используют понятия тепловой проводимости и теплового сопротивления.

 

-теплопроводность -тепловое сопротивление

 

Конвекция

Конвективный теплообмен является основным видом теплопереноса применяемым в системах охлаждения РЭА. К. это передача тепла от тела к теплоносителю (например воздуху).

Существует два вида конвекции, это естественная конвекция и принудительная конвекция.

Естественная конвекция обеспечивает охлаждение устройств воздушными потоками создаваемым за счет естественных процессов подъема нагретого воздуха, как более легкого, вверх.

Теплосъем при этом способе сильно зависит от температуры охлаждаемого объекта и максимален при максимальной температуре.

При принудительной конвекции охлаждение осуществляется созданными с помощью внешних устройств (вентиляторов) направленных потоков воздуха с заданными скоростями движения и объемами за единицу времени.

Эффективность охлаждения при этом способе определяется температурой охлаждаемого устройства, скоростью и объемом прокачиваемого воздуха.

При конвективном теплообмене - тепловыделяющий элемент может охлаждаться как непосредственно, так и посредством дополнительных теплообменников. Они позволяют многократно увеличить поверхность теплообмена, в результате увеличивается и отводимая мощность. К ним можно отнести радиаторы, теплоэлектрические элементы (Пельтье), тепловые трубки, водяные и фреоновые системы и т.д. Часто эти устройства объеденяются.

Например:

  1. радиатор с вентилятором и получают законченный узел известный вам под названием Cooler - охладитель,
  2. элемент Пельтье с радиатором,

Теплообменники в свою очередь могут быть пассивными и активными. Пассивные работают только на теплопроводности материала теплообменника. Поэтому температура охлаждаемого устройства, при пассивном теплообменнике, не может быть ниже температуры воздуха.

При использовании активного теплообменника, где затрачивается дополнительная энергия на снижение температуры поверхности контактирующей с охлаждаемым объектом. В некоторых случаях температура охлаждаемого объекта может быть существенно ниже окружающего воздуха. Такие теплообменники еще называют тепловыми насосами. К этим устройствам относятся термоэлектрические элементы (элементы Пельтье) и компрессионные - фреоновые. Они способны снижать температуру элемента РЭА до отрицательных температур. Что является одним из недостатков, так как при отрицательных температурах влага находящаяся в воздухе конденсируется на охлажденных поверхностях, стекает на элементы схем что приводит к их выходу из строя.

Конвективный коэффициент теплообмена зависит более чем от десятка переменных, его расчет составляет достаточно сложную задачу для специалистов. Рассмотрение зависимостей здесь я делать не буду именно по этой причине.

Вы можете ознакомиться с методикой расчета одного частного случая, в журнале РАДИО №4, 2005 или "Расчет вентилируемого ребристого теплоотвода." Там дан расчет типового теплообменника с принудительной вентиляцией подобного кулеру процессора.

 

Тепловое излучение

Эффективность охлаждения посредством теплового излучения для полупроводниковых приборов невелика. Так от радиатора процессора, при 55 град.С, через излучение отводится только около 2 процента выделяемой мощности. Но уже при температуре 150 градусов она составляет более 30 процентов. Только при температурах выше 150-200 град.С, имеет смысл увеличение излучательной способности радиатора с помощью специальной обработки поверхности радиатора. Это видно на рисунке приведенном ниже.

 

 

Здесь показана зависимость коэффициента Кизл характеризующего плотность потока излучаемой  нагретым телом энергии от температуры тела tград. С.

А при температурах более 600 град С большая часть энергии нагретого тела отводится через излучение.

Отсюда рекомендация - не ищите черненные радиаторы, прирост рассеиваемой мощности у них не окупает затрат на покупку или изготовление.

Дата публикации - май 2006 года.

Редакция сентябрь 2007 года.

 

Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или почтой.
.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012