Охлаждение процессоров

опубликована в журнале РАДИО №5, 2004 г. А. СОРОКИН

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Статья написана более 2 лет назад, но некоторые моменты из нее могут быть полезны и сейчас, тем более проблемы с охлаждением процессоров проявляются все более сильно. Это связано в первую очередь с ростом их производительности. Переход на более тонкие технологии не снижает важности вопроса, поскольку у новых процессоров растет число транзисторов, а потребляемая мощность снижается только на процессорах с малыми тактовыми частотами.

 
 

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. Помочь разобраться 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 — на 20…35 °С выше последней. 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 *1, нашли широкое распространение и успешно справляются с задачей охлаждения узлов компьютера. По виду теплообмена они делятся на устройства с естественной конвекцией и с принудительной. Первые применяют в системах с тепловыделением до 10…15 Вт (например, для охлаждения микросхемы северного моста чипсета), вторые — при уровнях тепловыделения до 100 Вт. В кулерах второй группы отводимая тепловая мощность пропорциональна площади поверхности радиатора, разности температур его и охлаждающего воздуха и скорости воздушного потока. Наиболее распространены ребристые радиаторы, реже используются 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 не очень большую 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 компонентам. 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 *2. Кроме того, правильное направление закрутки ребер по воздушному потоку снижает его газодинамическое сопротивление, скорость охлаждающего воздуха оказывается выше, чем в ребристых радиаторах (до 5 м/с; в ребристом — до 2 м/с). В результате его тепловое сопротивление соизмеримо с ребристым радиатором в два с половиной раза  большей площади. Применение медного кулера этой модели может быть рекомендовано к использованию при тепловыделении до 50 Вт. Другие кулеры этого типа, например, с каналом постоянного сечения, где ребра имеют трапециевидную форму  имеют меньшую эффективность.

Кулеры с игольчатыми радиаторами показали высокую эффективность благодаря большей, чем у ребристых радиаторов одинаковых габаритов, площади поверхности *3.

Но более 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:

 

P = cpVSканΔt = aSвнΔt,                 (1)

 

где P — тепловая мощность, снимаемая радиатором; с — удельная теплоемкость воздуха; p — плотность воздуха; V — скорость воздуха в канале; Sкан — площадь сечения канала; Δt = tрtс температура нагрева воздуха в канале; tр — температура радиатора; tс — температура среды (воздуха); α — коэффициент теплоотдачи радиатора; Sвн — площадь поверхности.

Тепловое сопротивление Rр (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.

 

Rр = Δt/Pр,                 (2)

 

где Pр — мощность, подводимая к радиатору и рассеиваемая им, Вт; Δt — перепад температур на контактной поверхности.

Зная тепловое сопротивление для каждого звена тепловой цепи, можно оценить распределение температуры по ней от радиатора до кристалла процессора.

 

tкtp = Pпроц(Rк–к + Rк + Rр),             (3)

 

где tp — температура радиатора; tк — температура кристалла; Pпроц — мощность рассеиваемая процессором; Rк–к — тепловое сопротивление кристалл—корпус процессора; Rк — тепловое сопротивление корпус процессора—радиатор; Rр — тепловое сопротивление радиатор—среда.

Тепловое сопротивление контактной поверхности при применении теплопроводящей пасты между двумя элементами на пути теплового потока можно оценить по эмпирической формуле

 

Rк » 2,2/Sп                (4)

 

где: Sп — площадь контактной поверхности.

Площадь контактной поверхности существующих процессоров — примерно от 2 до 15 см2, тепловое сопротивление Rк — от 1 до 0,15 °С/Вт, применение теплопроводящей пасты снижает его до 0,5…0,07 °С/Вт.

При использовании клеев без наполнителей удается получить Rк, в лучшем случае соизмеримое со значением, соответствующим сухим контактирующим поверхностям, клеи с наполнителями позволяют достигнуть значений Rк, близких к тем, что получаются при применении теплопроводящей 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 применении 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 *4. 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 MCX462+T фирмы SwiftTech на тепловые нагрузки до 100 ватт. 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. USA.

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 *5.

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 — большую 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 СП. Данный вид кулеров при совместной работе с устройством управления может быть рекомендован для экспериментов с «разгоном» микропроцессоров.

Хотелось бы предостеречь от самостоятельного изготовления 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 P4 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 1м/с. Результаты расчета иллюстрируются таблицей и графиками, изображенными на рисунке. В таблице приняты следующие обозначения: ΔTр–кр — перепад температуры на переходе радиатор—кристалл (меньшее значение — при использовании теплопроводящей пасты, большее — без нее); Tкр — температура кристалла в тех же случаях; Ррас — суммарная мощность, отводимая радиатором; Pрас. изл. черн  — мощность, рассеиваемая через излучение черненым радиатором. 

 

Температура
радиатора, °С
DTр–кр, °С Tкр, °С Pрас, Вт Pрас. изл. черн, Вт
Al Cu Al Cu
24 6…9 30…33 33 48 2,2 3,6
32 8…11 40…43 43 65 3,4 5,1
42 11…17 53…59 57 85 3,6 7
52 14…21 66…73 71 105 5,6 9

В графе DTр–кр, - С указаны возможные значения для

различного теплового сопротивления радиатор – кристалл.

 

 

Как видно из рисунка, радиатор из алюминиевого сплава (Al) обеспечивает (при прочих равных условиях) отвод порядка 77 Вт тепловой мощности при температуре радиатора +52 °С, а из меди (Cu) температура радиатора около +34,5 °С при той же мощности. У рассмотренного кулера температура радиатора из меди ниже в 1,5 раза на одинаковой тепловой мощности. 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 позволит оценить для этих точек температуру кристалла.

Рассчитанный радиатор имеет контактное тепловое сопротивление Rк = 0,2 °C/Вт с теплопроводящей пастой и 0,4 °C/Вт без нее. Тепловое сопротивление радиатора из алюминиевого сплава равно 0,67 °С/Вт, из меди — 0,45 °С/Вт (в обоих случаях при указанной выше  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 наружу 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 вентилятор 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 придерживаются ее. Правильно применяйте теплопроводящую пасту, она облегчит режим работы процессора. При снятии кулера должен наблюдаться тонкий, почти прозрачный слой пасты на всей контактной поверхности. Я же многократно наблюдал шлепок в центре. Такое применение пасты только ухудшит 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 характеризуются его тепловым сопротивлением.

 

Комментарии с позиции 2006 года.

*1. Больше того, сейчас появились новые кулеры охлаждаемые воздухом - "кулеры на тепловых трубках". Практика показала, что существующие кулеры воздушного охлаждения успешно работают уже сейчас при мощностях тепловыделения процессоров до 130 Вт. Применение кулеров с воздушным принудительным охлаждением возможно на мощностях тепловыделения до 150-170 Вт. Правда это должны быть хорошо просчитанные конструкции и требования к их установке достаточно жесткие.

*2. Здесь, на больших скоростях воздушного потока, возможен мало известный эффект - захолаживания. Эффект является проявлением закона Гей-Люссака (уравнения изобарического процесса), когда при расширении газа происходит пропорциональное понижение его температуры.

*3. Извините за неточность, площадь поверхности та же, что и у ребристых, но площадь каналов в два раза больше, в результате меньше сопротивление воздушному потоку и выше его скорость на одних и тех же вентиляторах. А увеличении скорости воздушного потока в два раза приводит к увеличению отводимой тепловой мощности в два раза.

*4. Для борьбы с микроорганизмами производители применяют различные химические присадки (вариант - 18% раствор этилового спита), но посмотрите, что получится после их эксплуатации в течении года - двух.

*5. КПД 50% означает, что при тепловыделении 80 Вт в системном блоке будет выделяться эти 80 Вт плюс 80 Вт затраченные на удаление этой мощности. И того получается 160 Вт. Подумайте, какой корпус нужен для такого тепловыделения?

Отзыв через гостевую книгу.

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