Охлаждение процессоров

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 = cpVS кан ?t = a Sвн ? t. (1)

где P — тепловая мощность, снимаемая радиатором; с — удельная теплоемкость воздуха; p — плотность воздуха; V — скорость воздуха в канале; S кан — площадь сечения канала; ?t = t р – t с температура нагрева воздуха в канале; t р — температура радиатора; t с — температура среды (воздуха); ? — коэффициент теплоотдачи радиатора; S вн — площадь поверхности.

Тепловое сопротивление R р (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.

R р = ?t/P р. (2)

где P р — мощность, подводимая к радиатору и рассеиваемая им, Вт; ?t — 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 tp — температура радиатора; t к — температура кристалла; P проц — мощность рассеиваемая процессором; R к–к — тепловое сопротивление кристалл—корпус процессора; R к — тепловое сопротивление корпус процессора—радиатор; R р — тепловое сопротивление радиатор—среда.

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

R к » 2,2/ S п (4)

где: S п — площадь контактной поверхности.

Площадь контактной поверхности существующих процессоров — примерно от 2 до 15 см 2. тепловое сопротивление R к — 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 R к. в лучшем случае соизмеримое со значением, соответствующим сухим контактирующим поверхностям, клеи с наполнителями позволяют достигнуть значений R к. 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 см 2. 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: ?T р–кр — перепад температуры на переходе радиатор—кристалл (меньшее значение — при использовании теплопроводящей пасты, большее — без нее); T кр — температура кристалла в тех же случаях; Ррас — суммарная мощность, отводимая радиатором; Pрас. изл. черн — мощность, рассеиваемая через излучение черненым радиатором.

По материалам сайта: http://www.electrosad.ru