Бесшумная система охлаждения компьютеров

на страницах сайта

www.electrosad.ru

В.Г. Пастухов, Ю.Ф. Майданик,

 Институт теплофизики УрО РАН.

 
 

В лаборатории ТПУ разработаны и успешно испытаны бесшумные (безвентиляторные) системы охлаждения центральных процессоров настольных персональных компьютеров. Системы созданы на основе контурных тепловых труб (КТТ). Охлаждались процессоры Intel P4 c тактовой частотой 2,8 GHz и Athlon XP 2500+ с тактовой частотой 1,83 GHz. Мощность, рассеиваемая указанными процессорами при максимальной нагрузке, составляла около 70 Вт. Полная масса систем охлаждения, включая КТТ и радиатор, в зависимости от модификации, составляла от 0,85 до 3,2 кг. Полное термическое сопротивление системы находилось в пределах 0,5-0,8 К/Вт.


     При испытаниях в составе компьютеров по тестовой программе, обеспечивающей максимальную загрузку процессоров, температура на их контактной поверхности находилась в пределах 64-77 ºС при температуре окружающего воздуха 26 ºС.
     При макетных испытаниях систем охлаждения температура 82-95 ºС на контактной поверхности теплового имитатора процессора достигалась при мощности 110-120 Вт.

Внешний вид системных блоков с бесшумной системой охлаждения центрального процессора.

 

Медь - водяные миниатюрные КТТ

 

     В течение 2003 года было разработано и испытано около 20 различных вариантов медь - водяных миниатюрных контурных тепловых труб (МКТТ) с цилиндрическим и плоским испарителями, предназначенных для охлаждения перспективных CPU мобильных компьютеров.
     Максимальная мощность, которую достигли лучшие образцы устройств, составила 160 Вт. Указанная величина не является предельной. Ограничение тепловой нагрузки определялось температурой стенки испарителя Те, которая не должна превышать 100ºС. Минимальное значение полного термического сопротивления Te–Tamb/Q, равное 0,46 К/Вт, продемонстрировала МКТТ с плоским испарителем при тепловой нагрузке 140 Вт и температуре испарителя 88ºС. Максимальный коэффициент теплопередачи в испарителе 61000 W/m2K и его минимальное термическое сопротивление 0,048 K/W были достигнуты при тепловой нагрузке 160 Вт и температуре испарителя 98ºС.
     Тепловые характеристики устройств представлены на рис.1 и рис.2.

Рис.1. Зависимость температуры испарителя от тепловой нагрузки

Рис.2. Зависимость полного термического сопротивления от тепловой нагрузки



В таблице 1 представлены основные конструктивные характеристики МКТТ:
Характеристики Цилиндрический испаритель Плоский испаритель
Диаметр испарителя, мм 6 --
Толщина испарителя, мм -- 3,3
Длина активной зоны испарителя, мм 20 20
Площадь интерфейса испарителя, см2 4,0 3,6
Длина конденсатора, мм 61 61
Диаметр паровой линии, мм 2,5 3,0
Диаметр жидкостной линии, мм 2,5 2,0
Эффективная длина MLHP, мм 290 290

     Таблица 1.

 

На рис.3 и рис.4 показан внешний вид медь - водяных миниатюрных контурных тепловых труб с плоским и цилиндрическим испарителями

 

Рис.3. Мини КТТ с плоским испарителем

Рис.4. Мини КТТ с цилиндрическим испарителем




 

Пассивно-активная система охлаждения CPU настольного персонального компьютера.


 

     Разработана и прошла успешные испытания в лабораторных условиях система охлаждения для настольного персонального компьютера. Система создана на основе медь-водяной контурной тепловой трубы (КТТ), снабженной плоскоовальным испарителем толщиной 7 мм и трубками для пара и жидкости диаметром 4 мм.
     В качестве стока тепла использовали алюминиевый радиатор, размеры которого соответствуют боковой стенке корпуса системного блока «midi-tower» (рис.5).

Рис. 5. Система охлаждения CPU на основе медь-водяной контурной тепловой трубы.

     В пассивном режиме при температуре окружающего воздуха 22ºС система охлаждения поддерживала температуру 70ºС на термоконтактной поверхности теплового имитатора CPU при тепловой нагрузке около 90 Вт.
     В активном режиме, когда радиатор обдувался малошумным вентилятором, температура 70ºС достигалась при тепловой нагрузке 160 Вт.


 

Компактный кулер для настольных персональных компьютеров.


 

     В лаборатории ТПУ в настоящее время проводятся испытания нового компактного кулера AC-1 для настольных персональных компьютеров, который создан на основе медь-водяной КТТ. В кулере используется осевой вентилятор (92x92x25 мм), который имеет расход воздуха 40 СFM и создает шум на уровне 25 dB при 2200 об/мин. Размеры кулера 100x100x75 мм, масса 585 грамм.
     Кулер испытывался с тепловым имитатором CPU при температуре окружающего воздуха 22ºС.
     Результаты испытаний представлены в таблице 2.

 

Тепловая нагрузка, Вт Температура на тепловом
интерфейсе КТТ, ºС
Температура на
термоконтактной
поверхности имитатора, ºС
50 36,7 37,4
100 40,4 41,8
150 47,1 49,1
200 54,5 57,1
250 62,8 66,2

Таблица 2.

 

     Полное термическое сопротивление системы «термоконтактная поверхность имитатора CPU – окружающий воздух» снижается с 0,3 до 0,18ºС/Вт при увеличении тепловой нагрузки с 50 до 250 Вт. При максимальной величине 250 Вт, достигнутой при испытаниях, никаких признаков кризиса теплообмена не наблюдалось.
 

     На Уральском заводе вычислительной техники (г. Екатеринбург) были проведены сравнительные испытания нового кулера и серийного алюминиевого корпусного кулера Intel/Sunyo Denki, снабженного вентилятором с максимальном числом оборотов 2700 об/мин.
     Испытания проводились вне корпуса системного блока в составе:

- материнской платы ASUS P5LD2-VM/LGA 775 Socets

- с двухядерным процессором Intel Pentium®4 640 (3,2 GHz/2M)

- при температуре окружающего воздуха 27,2ºС.

Для испытаний использовалась тестирующая программа S&M.

    Результаты испытаний представлены в таблице 3.
 

Охладитель Tcore1, ºС Tcore2, ºС Tmb, ºС Tev, ºС
Intel/Sunyo Denki 56,7 47,3 38,3 -
AC-1 51,0 47,5 34,4 50,0

Таблица 3.


Tcore1 – температура 1-го датчика процессора,
Tcore1 - температура 2-го датчика процессора,
Tmb - температура датчика на материнской плате,
Tev – температура на тепловом интерфейсе испарителя КТТ
 

     Из сопоставления указанных значений температуры с результатами, полученными ранее при испытаниях нового охладителя с тепловым имитатором CPU, следует, что максимальная мощность, рассеиваемая реальным процессором, составляет величину около 130 Вт. Испытания с реальным процессором показали, что новый охладитель снизил температуру 1-го ядра CPU на 5,7ºС, а температуру материнской платы на 3,9ºС по сравнению с серийным кулером. Температура 2-го ядра процессора осталась при этом примерно на том же уровне.

     Проведены также сравнительные испытания кулера AC–1a и кулера «Cooler Master» (Тайвань), снабженного алюминиевым оребрением с площадью около 3000 см2, тремя тепловыми трубками диаметром 6 мм и 92 мм вентилятором PL92S12M-5. Габариты «Cooler Master» с кожухом составляют 145x125x100 мм, масса 804 г. Испытания кулеров проводились с тепловым имитатором CPU и с вентилятором «Cooler Master» с числом оборотов 1800 и 3200 RPM при температуре окружающего воздуха 22ºC .
     Результаты испытаний представлены в таблице 4, где приведены значения температуры, измеряемой на термоконтактной поверхности теплового имитатора CPU при различной тепловой нагрузке, изменявшейся а диапазоне от 50 до 250 Вт.
 

  Тепловая нагрузка, Вт 50 100 150 200 250
1800 RPM
Cooler Master   36,8   50,7   64,7   78,2   91,7
AC – 1a 35,3 46,2 57,2   67,5 77,8
3200 RPM
Cooler Master   33,1   42,5   51,9   60,5   70,0
AC – 1a 32,6 39,7 46,5   52,9 59,9

Таблица 4.

 

     В диапазоне тепловых нагрузок от 100 до 250 Вт при 3200 RPM полное термическое сопротивление «Cooler Master» изменялось от 0,20 К/Вт до 0,19 К/Вт. Для AC – 1a, эти величины составляли, соответственно, 0,19 К/Вт и 0,15 К/Вт.
 

Рис 6. Внешний вид кулера AC-1a

 

Что такое КТТ - контурные тепловые трубы?

 Контурные тепловые трубы (КТТ) - это герметичные теплопередающие устройства, обладающие сверхнизким термическим сопротивлением и работающие по замкнутому испарительно-конденсационному циклу с использованием "капиллярного механизма" для прокачки теплоносителя. КТТ способны передавать тепловые потоки от нескольких ватт до нескольких киловатт при различной ориентации в гравитационном поле и в невесомости без использования каких-либо дополнительных источников энергии.

Принципиальная схема КТТ

Рисунок 7.

Преимущества КТТ:
  • обладают высокой теплопередающей способностью;
  • не содержат механически подвижных частей;
  • имеют низкую материалоемкость;
  • надежны при эксплуатации;
  • не требуют регламентного обслуживания;
  • хорошо адаптируются к различным условиям размещения;
  • обладают практически неограниченным рабочим ресурсом;
  • имеют широкие возможности для различных конструктивных воплощений.
  • обладают низкой чувствительностью к изменению положения в пространстве;
 

 

Основные технические характеристики КТТ
 

     максимальная мощность, Вт 100 … 2000     
     термическое сопротивление, °С/Вт 0,02 … 0,2     
     рабочая температура, °С -20 … 180     
     эффективная длина, м 0,2 … 20     
     диаметр испарителя, мм 5 … 30     
     диаметр паропровода и конденсатопровода, мм 1,8 … 8     

Таблица 5.

 

     В настоящее время контурные тепловые трубы успешно используются в системах терморегулирования космической техники.

     Перспективные области практического применения:

  • охлаждение компьютеров,
  • охлаждение электронных и электротехнических приборов,
  • системы обогрева различных объектов,
  • утилизация низкопотенциального тепла и т.п.
Опытно-экспериментальные образцы КТТ
 

Аммиачная КТТ
(длина 20 м; мощность 1,7 кВт)

КТТ на испытательном стенде
(длина 2 м)

 

С разрешения авторов перепечатка статьи "Бесшумная система охлаждения компьютеров" http://itp.uran.ru/new.htm

 

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

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