Системы охлаждения для персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Охрана труда

2. Назначение системы охлаждения

3. Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов

4. Системы охлаждения на основе тепловых трубок

5. Воздушные системы охлаждения

6. Использование нескольких вентиляторов в корпусе

7. Технология управления скоростью вращения вентиляторов

8. Жидкостные системы охлаждения

9. Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

Заключение

Литература

Введение

В последнее время гонка производительности настольных ПК поднялась на новый уровень. Растут тактовые частоты, вычислительные мощности, переход на многоядерную архитектуру и внедрение архитектуры х64 призвано поднять производительность ПК на новый уровень. Но существует обратная сторона медали. При увеличении тактовых частот соответствующим образом увеличивается тепловыделение электронных компонентов. Так как у электронных схем работоспособность обеспечивается при узком диапазоне температур, то увеличение тепловыделения не может происходить бесконечно. Для решения этой проблемы можно пойти несколькими путями: во-первых, внедрение новых процессорных архитектур, технологических процессов позволяет снизить тепловыделение, но при появлении старших процессоров семейства это преимущество теряется. Существует второй путь - усовершенствовать системы охлаждения процессоров. Именно в этом направлении сейчас идет большинство производителей процессоров. За последние несколько лет эволюция систем охлаждения прошла путь от радиаторов, которыми довольствовались процессоры Intel 80486 до современных систем охлаждения на основе тепловых трубок. В данном курсовом проекте рассмотрены общие принципы систем охлаждения, состав традиционных систем охлаждения. Также произведено сравнение различных систем охлаждения. Выявлены преимущества и недостатки основных современных систем, произведен их сравнительный анализ. В заключение рассматриваются современные перспективные технологии охлаждения, которые найдут место в процессорах следующего дня.

1. Охрана труда

Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областях деятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: электромагнитных полей диапазон радиочастот: ВЧ, УВЧ и СВЧ, инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др.

Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы человека-оператора.

В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.

2. Назначение системы охлаждения

Назначение охлаждающей системы. Различные системы охлаждения применяются для охлаждения оперативной памяти, чипсетов, видеокарт, жестких дисков, корпуса и процессоров. Для снижения температуры всего системного блока применяются специальные вентиляторы и блоки вентиляторов, спецвентиляторы ставят на предназначенные для них посадочные места, а блоки вентиляторов располагают в отсеках 3,5" и 5,25". Для материнских плат системное охлаждение обычно производится в форме заглушек PCI-слотов.

Для охлаждения различных элементов системного блока: жестких дисков, видеокарт, процессоров и оперативной памяти применяются всевозможные различные радиаторы и вентиляторы. Их ставят и в отсеки, и в PCI-слоты корпуса ПК, и непосредственно устанавливают на сами устройства. Выбор системы охлаждения должен производиться в зависимости от того, для какого именно устройства планируется оптимизировать температурный режим.

3. Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов

Давно уже канули в небытие те времена, когда в компьютерах использовалось пассивное охлаждение. Такие компьютеры были абсолютно бесшумными, но и малопроизводительными. По мере роста производительности процессоров и других компонентов ПК росло и их энергопотребление и, как следствие, компоненты ПК становились все более горячими.



Рис. 1. Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов

Процессоры стали оснащать массивными радиаторами, а вскоре к ним добавились и вентиляторы, то есть пассивное охлаждение процессоров уже не могло обеспечить требуемый теплоотвод для обеспечения допустимой температуры, и стало использоваться воздушное охлаждение. По мере роста тактовых частот процессоров увеличивалась и эффективность теплоотвода, что достигалось использованием более массивных радиаторов и более быстрых вентиляторов. Появились радиаторы на тепловых трубках, альтернативные системы водяного охлаждения, системы охлаждения с использованием термоэлектрических модулей Пельтье. Кроме того, постепенно радиаторами стали оснащаться графические карты, чипсет, память и даже отдельные микросхемы на материнских платах. А если добавить к этому еще и систему охлаждения процессора, видеокарты, радиаторы, устанавливаемые на модули памяти, то становится понятно, что источников тепловыделения в современном компьютере достаточно много и для нормальной работы всей этой сложной системы требуется создание эффективной системы теплоотвода.

В настоящее время разработано достаточно большое количество систем охлаждения, которые отличаются друг от друга принципом функционирования системы тепло - отвода, то есть среды, используемой для отвода тепла. По системам теплоотвода системы охлаждения можно разделить на следующие категории:

1. пассивные системы охлаждения на основе радиаторов;

2. системы охлаждения на основе тепловых трубок;

3. воздушные системы охлаждения;

4. жидкостные системы охлаждения;

5. системы охлаждения на основе модулей Пельтье.

Традиционная система охлаждения процессора или любой горячей микросхемы, называемая кулером, включает в себя радиатор и вентилятор. Радиатор необходим для того, чтобы увеличить интенсивность теплообмена между процессором и окружающим пространством. Радиаторы выполняются из алюминия, меди или из комбинации обоих металлов.

Радиаторы должны отвечать определенным требованиям. Во-первых, быстро забирать тепло от процессора, во-вторых, хорошо проводить тепло от своей нижней (горячей) поверхности к верхней (холодной) и, в-третьих, эффективно рассеивать это тепло в окружающее пространство.

Чтобы повысить эффективность теплопроводности внутри самого радиатора, его изготавливают из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Самым высоким коэффициентом теплопроводности (407 Вт/м-К) обладает серебро, но из-за высокой стоимости оно не используется для изготовления радиаторов. На втором месте по коэффициенту теплопроводности (384 Вт/м-К) стоит медь, поэтому ее часто используют при изготовлении радиаторов.

Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи между поверхностью микросхемы (источником тепла) и радиатором, в качестве промежуточного слоя между ними используют термопасту. Фактически в данном случае речь идет о процессах теплоотдачи между поверхностью микросхемы и термопастой, теплопроводности внутри слоя термопасты и теплоотдачи между термопастой и поверхностью радиатора.

Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи между поверхностью радиатора и окружающим воздухом, увеличивают площадь радиатора (площадь теплового рассеивания), делая поверхность радиатора ребристой.

Тепловое сопротивление радиатора является его важнейшей технической характеристикой и показывает, насколько изменится температура поверхности микросхемы относительно температуры окружающего пространства при отводе 1 Вт тепловой мощности через данный радиатор. Если, к примеру, известно, что тепловое сопротивление радиатора составляет 1°С/Вт, типичная температура окружающего пространства 40°С, а тепловая мощность микросхемы 10 Вт, то температура поверхности микросхемы при отводе тепла через данный радиатор будет на 10°С выше, чем температура окружающего пространства, то есть составит 50°С.

Мощность тепловыделения процессора IntelPentium 4 с тактовой частотой 3,8 ГГц составляет 130 Вт. При этом температура поверхности процессора не должна превышать 80°С. Если учесть, что типичная температура воздуха внутри ПК составляет порядка 50°С, то несложно подсчитать, что тепловое сопротивление радиатора для такого процессора должно быть не более 0,23°С/Вт. Столь малым тепловым сопротивлением не обладает ни один пассивный радиатор. Кардинально уменьшить его тепловое сопротивление можно при использовании дополнительного вентилятора. Вентилятор создает принудительную конвекцию воздуха, что способствует возрастанию эффективности теплообмена между радиатором и окружающим пространством. Поэтому для уменьшения теплового сопротивления в купе с радиатором используется вентилятор, а их совокупность называют кулером. Отметим, что тепловое сопротивление современных процессорных кулеров равно 0,2°С/Вт и более.

4. Системы охлаждения на основе тепловых трубок

Собственно, сам термин «тепловая труба» (HeatPipe) далеко не новый. Впервые идея использования тепловой трубы в качестве устройства с высокой теплопроводностью была предложена Голгером еще в 1942 году, и такие трубы в радиаторах процессоров встречаются все чаще. Особенно актуальны они для систем охлаждения чипсетов и компонентов видеокарт.

Рис. 2. Системы охлаждения на основе тепловых трубок

Прежде всего, остановимся на принципе действия тепловой трубы. Прототипом тепловой трубы был термосифон, поэтому сначала следует рассмотреть принцип действия этого устройства.

Принцип действия термосифона достаточно прост и основан на таком хорошо известном физическом явлении, как конвекция. Простейший термосифон представляет собой полую трубку, например, из меди, внутри которой имеется небольшое количество рабочей жидкости. Жидкость может быть различной -- все зависит от характерных температур. Для температур от 0 до 300°С в качестве рабочей жидкости может использоваться вода. После добавления жидкости из корпуса термосифона откачивают воздух, а корпус запаивают (герметизируют).

Термосифон располагается вертикально, а конец с жидкостью помещается в область повышенной температуры. При подводе тепла жидкость начинает превращаться в пар (зона испарения). Из курса физики известно, что процесс парообразования происходит при любой температуре, однако только до тех пор, пока давление пара над жидкостью не станет насыщенным. На скорость парообразования влияют такие факторы, как температура жидкости и давление. Чтобы повысить интенсивность парообразования при температурах, которые значительно ниже температуры кипения жидкости (имеются в виду температуры кипения при нормальном атмосферном давлении), как раз и создается разреженное давление внутри термосифона.

Образующийся при нагревании пар в результате конвекции движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. В результате остывания пар конденсируется и стекает по стенкам термосифона вниз. Итак, мы рассмотрели простейшую модель тепловой трубы (точнее, термосифона), обладающей теплопроводностью, которая в сотни раз выше теплопроводности аналогичной по геометрии цельной медной трубки. Для эффективного теплоотвода с помощью такого термосифона необходимо обеспечить постоянный отвод тепла от зоны конденсации, что можно сделать с помощью радиатора. Таким образом, необходимо, чтобы всегда был, градиент температуры и чтобы температура зоны конденсации была, достаточной для конденсации пара. Отметим, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, так как скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Рассмотренный принцип действия термосифона достаточно хорошо известен, так как уже на протяжении многих десятилетий используется в самогонных аппаратах, -- ничего оригинального здесь нет. Единственное отличие термосифона от самогонного аппарата заключается в том, что в последнем образующийся конденсат не возвращается обратно, а используется по прямому назначению, то есть «в медицинских целях». Именно необходимость возврата сконденсировавшейся жидкости в зону испарения исключает использование термосифона иначе, как в горизонтальном положении. В этом случае жидкость стекает вниз под действием гравитационных сил, поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации. В этом заключается главный недостаток термосифона, ограничивающий его использование в системах охлаждения процессоров. Для построения более универсальных систем охлаждения требуется, чтобы теплоотвод осуществлялся при любом положении трубы, а не только при вертикальном. Однако для этого необходимо предусмотреть иной механизм возврата конденсата в зону испарения, то есть не под действием, а, возможно, вопреки действию гравитационных сил. Таким механизмом возврата может служить капиллярный эффект. Идея достаточно проста: если опустить в вертикальном положении конец тряпки или веревки в стакан с водой, то через некоторое время вся тряпка или веревка станет мокрой, поскольку за счет капиллярного эффекта вода будет подниматься по тряпке вверх против действия гравитационных сил. На этом простом принципе основана работа таких бытовых приборов, как спиртовая горелка или керосинка, так что и здесь нет ничего нового.

Итак, добавляем в термосифон пористый капиллярный материал (фитиль) и получаем тепловую трубу. Впервые такая тепловая труба была предложена Гровером в 1963 году.

В тепловой трубе в качестве сил, поднимающих конденсат против сил гравитации, используются капиллярные силы, возникающие при смачивании жидкостью капиллярно-пористого материала. В отличие от термосифона, тепловая труба работает в любом положении.

Тепловые трубы, используемые для системы охлаждения процессоров, обычно изготавливаются из меди. При этом корпус тепловой трубы должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами и обеспечивать подвод тепла к рабочей жидкости и отвод тепла от нее. Диаметр тепловой трубы может быть различным, однако должно соблюдаться условие, чтобы внутренний диаметр полости исключал действие капиллярных сил, то есть, чтобы паровой канал не превратился в капиллярный.

В качестве рабочей жидкости могут использоваться различные вещества, но они должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего, рабочая жидкость должна иметь точку фазового перехода «жидкость -- пар» в требуемом диапазоне рабочих температур. К тому же жидкость должна обладать достаточно большой удельной теплотой парообразования, так как чем выше удельная теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Кроме того, жидкость должна иметь высокую теплопроводность, чтобы свести к минимуму перепад температур между стенкой трубки и поверхностью испарения. Предпочтительнее использование жидкостей с высоким поверхностным натяжением, так как в этом случае жидкость будет обладать ярко выраженным капиллярным эффектом.

Для охлаждения процессоров в качестве рабочей жидкости можно использовать воду (диапазон рабочих температур -- от 30 до 200°С) или ацетон (диапазон рабочих температур -- от 0 до 120°С).

Капиллярно-пористый материал, используемый в тепловых трубках, должен быть достаточно мелкопористым для улучшения капиллярного эффекта, но в то же время слишком мелкопористая структура будет препятствовать проникновению жидкости. Поэтому выбор материала для фитиля зависит и от рабочих температур, и от общей длины тепловой трубки.

5. Воздушные системы охлаждения

Как уже отмечалось, для уменьшения теплового сопротивления кулеры оснащаются вентиляторами. Конечно же, вентиляторы используются не только вкупе с радиаторами, но и отдельно для создания принудительной конвекции воздуха внутри системного блока (или блока питания).

компьютер вентилятор пельтье



Рис. 3. Воздушные системы охлаждения

Основу всех современных вентиляторов, используемых в ПК, составляет двигатель постоянного тока с напряжением питания 12 В. Кроме двигателя, в вентиляторе имеется схема управления, которая индуцирует вращающееся магнитное поле, в результате чего приводится в движение ротор двигателя. Схема управления вентилятором может включать в себя и тахометрический контроль для мониторинга скорости вращения, и цепи защиты детектирования остановки вентилятора, и даже термодатчик для контроля температуры радиатора.

Вентиляторы могут быть выполнены на подшипниках скольжения (sleevebearing) и подшипниках качения (ballbearing). Используются также комбинированные схемы из одного подшипника скольжения и одного подшипника качения. Кроме того, могут использоваться два подшипника качения.

Вентиляторы на основе подшипников скольжения наиболее просты в изготовлении и дешевы. Однако они довольно шумные, а срок их эксплуатации недолог. Причем со временем уровень шума, создаваемого таким подшипником, только увеличивается.

Вентиляторы на основе подшипников качения дороже, но и качественнее. Во-первых, они надежнее в работе, а во-вторых, значительно менее шумные по сравнению с подшипниками скольжения. Все вентиляторы так называемых бесшумных серий (SilentSeries) основаны именно на подшипниках качения.

Кроме типов используемых подшипников и особенностей схем контроля работы двигателя, вентиляторы характеризуются производительностью, скоростью вращения, типоразмером и уровнем шума.

Производительность вентилятора Q является его важнейшей технической характеристикой и определяет объем воздуха, прокачиваемый вентилятором в единицу времени. Производительность вентилятора принято выражать в кубических футах в минуту (CubicFeetperMinute, CFM). Типичные значения производительности вентиляторов -- от 10 до 50 CFM.

Скорость вращения вентилятора измеряется в оборотах в минуту (RotationsPerMinute, RPM). Производительность вентилятора непосредственно связана со скоростью вращения: чем быстрее вращается вентилятор, тем больший воздушный поток он создает. Типичные значения скорости вращения вентиляторов -- от 1000 до 5000 об/мин.

По типоразмеру наиболее распространены вентиляторы 60 х 60, 80 х 80, 92 х 92 и 120 х 120 мм. Понятно, что чем больше размер вентилятора, тем выше его производительность. То есть если сравнить, к примеру, 120- и 80-миллиметровый вентиляторы, то при равной скорости вращения производительность 120-миллиметрового вентилятора будет выше.

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик вентиляторов является уровень создаваемого ими шума. Уровень шума вентиляторов выражается в децибелах по фильтру А (дБА) (фильтр А учитывает особенность восприятия звука человеческим ухом на разных частотах). Отметим, что человек воспринимает звук, начиная с 30 дБА, а типичное значение шума, создаваемого современными вентиляторами, лежит в диапазоне от 32 до 50 дБА.

Уровень шума вентилятора напрямую зависит от скорости его вращения. Наиболее тихими являются именно 120-миллиметровые вентиляторы, поскольку для создания требуемого воздушного потока они могут вращаться с более низкой скоростью, чем вентиляторы меньшего типоразмера.

6. Использование нескольких вентиляторов в корпусе

Рассмотренный нами вариант нахождения рабочей точки относился к случаю, когда в системном блоке имеется всего один вентилятор, формирующий воздушный поток. В реальных корпусах для формирования воздушного потока может использоваться несколько вентиляторов. Например: вентилятор может устанавливаться на вдув на передней панели корпуса, и на выдув на задней панели. Кроме того, многие корпуса допускают параллельную установку двух вентиляторов на передней и задней панелях корпуса, а также установку вентиляторов на боковой и верхней панелях.

При всем разнообразии вариантов установки вентиляторов внутри системного блока все случаи можно свести к рассмотрению двух базовых вариантов расположения вентиляторов: параллельному и последовательному.

7. Технологии управления скоростью вращения вентиляторов

Как уже неоднократно отмечалось, современные производительные процессоры нуждаются в эффективной системе теплоотвода. Особенно это касается процессоров Intel, которые рассеивают более 100 Вт тепловой мощности. Однако мощные кулеры, которые используются для охлаждения процессоров, издают высокий уровень шума. Соответственно, кроме проблемы охлаждения процессоров, столь же остро стоит проблема снижения уровня шума. Идеи, заложенные в технологии энергосбережения и снижения тепловыделения, можно использовать и для снижения уровня шума систем охлаждения. Поскольку тепловыделение (а, следовательно, и температура) процессора зависит от его загрузки, а при использовании технологий энергосбережения -- и от его текущей тактовой частоты и напряжения питания, в периоды слабой активности процессора он остывает. Соответственно, нет необходимости постоянно охлаждать процессор с одинаковой интенсивностью. То есть интенсивность воздушного охлаждения, определяемая скоростью вращения вентилятора кулера процессора, должна зависеть от текущей температуры процессора.

Существуют два основных способа динамического управления скоростью вращения вентиляторов, реализуемых на современных материнских платах:

1. управление по постоянному току (DC);

2. управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения (PWM).

Управление по постоянному току.

В технологии управления по постоянному току меняется уровень постоянного напряжения, подаваемого на электромотор вентилятора. Диапазон изменения напряжения может составлять от 6 до 12 В и зависит от конкретной материнской платы.

Данная схема управления скоростью вращения вентилятора достаточно проста: контроллер на материнской плате, анализируя текущее значение температуры процессора (через встроенный в процессор термодатчик), выставляет нужное значение напряжения питания вентилятора. До определенного значения температуры процессора напряжение питания минимальное а, следовательно, и вентилятор вращается на минимальных оборотах и создает минимальный уровень шума. Как только температура процессора достигает некоторого порогового значения, напряжение питания вентилятора начинает динамически меняться вплоть до максимального значения в зависимости от температуры. Соответственно меняется и скорость вращения вентилятора, и уровень создаваемого шума.

Рассмотренная технология динамического управления скоростью вращения вентилятора реализована на всех современных материнских платах (как для процессоров Intel, так и для AMD). Для ее реализации необходимо установить соответствующую схему управления в BIOS материнской платы и использовать трехконтактный вентилятор. Отметим, что большинство процессорных кулеров являются именно трехконтактными. Два контакта -- это напряжение питания вентилятора, а третий контакт -- это сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения вентилятора. Сигнал тахометра представляет собой прямоугольные импульсы напряжения, причем за один оборот вентилятора формируются два импульса напряжения. Зная частоту следования импульсов тахометра, можно определить скорость вращения вентилятора. Например, если частота импульсов тахометра составляет 100 Гц (100 импульсов в секунду), то скорость вращения вентилятора равна 50 об/с, или 3000 об/мин.

Управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения

Альтернативной технологией динамического управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора является широтно-импульсная модуляция (PulseWideModulation, PWM) напряжения питания вентилятора.

Идея достаточно проста: вместо того чтобы изменять амплитуду напряжения питания вентилятора, напряжение подают на вентилятор импульсами определенной длительности. Амплитуда импульсов напряжения и частота их следования неизменны, меняется только их длительность. Фактически вентилятор периодически включают и выключают. Подобрав частоту следования импульсов и их длительность, можно управлять скоростью вращения вентилятора. Действительно, поскольку вентилятор обладает определенной инертностью, он не может мгновенно раскрутиться и остановиться.

Примечание: Данный тип управления поддерживается только материнскими платами для процессоров Intel.

PWM-контроллер в зависимости от текущей температуры процессора формирует последовательность импульсов напряжения с определенной скважностью. Однако это еще не импульсы напряжения, которые подаются на электродвигатель вентилятора. Последовательность импульсов, формируемая PWM-контроллером, используется для управления электронным ключом (транзистором), отвечающим за подачу напряжения (12 В) на электродвигатель.

Кулеры, поддерживающие PWM-управление, должны быть четырехконтактными. При этом два контакта необходимы для подачи напряжения 12 В, третий контакт -- это сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения, а четвертый контакт используется для связи с PWM-контроллером.

Как уже отмечалось, при широтно-импульсной модуляции напряжения для изменения скорости вращения вентилятора меняется скважность импульсов, но не частота их следования. Типичная минимально возможная скважность импульсов составляет 30 %, а максимально возможная -- 100 %, что соответствует постоянному напряжению на вентиляторе. Частота следования PWM-импульсов равна от 21 до 25 кГц (типичное значение 23 кГц), то есть в течение одной секунды вентилятор включается и отключается приблизительно 23 ООО раз!

Скважность PWM-импульсов определяется текущей температурой процессора. Если она ниже некоторого порогового значения, скважность импульсов минимальна. При этом вентилятор будет вращаться на минимальной скорости, и издавать минимальный уровень шума. При превышении температуры процессора порогового значения скважность импульсов начинает линейно меняться с температурой, увеличиваясь вплоть до 100 %. Соответственно и скорость вращения вентилятора, как и уровень создаваемого им шума, будет изменяться в зависимости от температуры процессора.

В заключение отметим, что для реализации PWM-управления скоростью вращения кулера необходимо активировать данный режим управления в BIOS материнской платы.

8. Жидкостные системы охлаждения

Принципиальная разница между воздушным и жидкостным охлаждением заключается в том, что в последнем случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая большей, по сравнению с ним, теплоемкостью. Для этого вместо воздуха через радиатор прокачивается вода или другая подходящая для охлаждения жидкость. Циркулирующая жидкость обеспечивает лучший теплоотвод, чем поток воздуха.

Рис. 4. Жидкостные системы охлаждения

Другое различие заключается в том, что жидкостные системы охлаждения гораздо компактнее традиционных воздушных кулеров. Именно поэтому первыми стали применять жидкостное охлаждение на серийных устройствах производители ноутбуков.

С точки зрения конструкции системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа: внутренние и внешние.

Никакого принципиального различия между внутренними и внешними системами не существует. Разница заключается лишь в том, какие функциональные блоки находятся внутри корпуса, а какие -- снаружи.

Принцип действия жидкостных систем охлаждения достаточно прост и напоминает систему охлаждения в автомобильных двигателях. Холодная жидкость (как правило, дистиллированная вода) прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло). После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается. Для эффективного теплообмена с окружающим пространством в теплообменниках, как правило, используются вентиляторы. Все компоненты конструкции соединяются между собой силиконовыми шлангами диаметром 5-10 мм. Чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, используется специальный насос -- помпа. Структурная схема такой системы показана ниже:

Рис. 5. Общая схема жидкостного охлаждения с помпой

Посредством систем жидкостного охлаждения тепло отводится от центральных процессоров и графических процессоров видеокарт. При этом жидкостные радиаторы для графических и центральных процессоров различаются между собой. Для графических процессоров они меньше по размеру, однако, принципиально ничем друг от друга не отличаются. Эффективность жидкостных радиаторов определяется площадью контакта его поверхности с жидкостью, поэтому для увеличения площади контакта внутри жидкостных радиаторов устанавливают ребра или столбчатые иголки.

Во внешних жидкостных системах охлаждения внутри корпуса компьютера размещается только жидкостный радиатор, а резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа и теплообменник, помещенные в единый блок, выносятся за пределы корпуса ПК.

9. Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

По мере увеличения мощности процессоров и графических карт проблема тепловыделения ПК становится все более актуальной. Традиционные воздушные системы охлаждения уже почти исчерпали свои возможности. На смену им постепенно приходят альтернативные системы охлаждения, например жидкостные. Все большее распространение получают и системы охлаждения на основе так называемых термоэлектрических модулей Пельтье.

Рис. 6. Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

Эффект Пельтье.

В кулерах Пельтье используется так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845). Сделавшего свое открытие более полутора столетий назад - в 1834 г. В экспериментах Пельтье было установлено, что при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, помимо традиционного долевая тепла, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное тепло. Количество выделяемой или поглощаемой теплоты пропорционально силе тока. Это явление было названо явлением Пельтье, а дополнительное тепло получило название тепла Пельтье.

Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов. Описанный эффект по своей сути обратен ранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если температуры в местах контактов металлов или полупроводников различаются, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком (1770-1831).

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается и выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника, в результате чего происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, особенно сильно выражен в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип). Такие полупроводники, как известно, называются соответственно полупроводниками n- и p-типа. Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие при контакте таких полупроводников. Допустим, направление электрического поля таково, что электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны полупроводника n-типа после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону полупроводника p-типа и там рекомбинирует с дыркой. В результате рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла (рисунок 7).

Рис. 7. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

При изменении направления электрического поля на противоположные электроны и дырки в полупроводниках соответствующего типа будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной зоны полупроводника p-типа в свободную. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются электрическим полем в противоположные стороны. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар, и в результате в контакте поглощается тепло (рисунок 8).



Рис. 8. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

Модули Пельтье

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - термоэлектрические модули, или, как их еще называют, модули Пельтье, сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических модулях

Модуль Пельтье - это термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов.

В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой нагревается и служит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, основанный на эффекте Пельтье, по сути, выступает как тепловой насос, перекачивая тепло от этого объекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером.

Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтому модули Пельтье можно назвать не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями. На рисунке 10 представлен внешний вид типового полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье.

Рис. 10. Полупроводниковый термоэлектрический модуль Пельтье

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад - в несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор (холодильник) позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (при условии адекватного их охлаждения). Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов.

Рис. 11. Конструкция кулера с модулем Пельтье

Особенности эксплуатации модулей Пельтье.

Полупроводниковые термоэлектрические модули Пельтье, применяемые в средствах охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью. В отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, они не имеют движущихся частей. Как отмечалось выше, для увеличения эффективности допускается каскадное включение модулей Пельтье, что позволяет довести температуру корпусов электронных элементов до отрицательных значений даже при значительной мощности рассеяния.

Однако, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Ниже мы рассмотрим важнейшие особенности эксплуатации этих модулей. Термоэлектрические модули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функции теплового насоса, сами становятся мощными источниками тепла. Использование их в составе средств охлаждения вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, создавая трудности для работы не только защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентов компьютера. Это означает, что требуются дополнительные средства для снижения температуры, в частности, радиаторы и вентиляторы в конструкции корпуса, улучшающие теплообмен с окружающей средой.

Наиболее подходящее решение из воздушных средств охлаждения - технология теплового выхлопа, например, конструкции типа OTES (Outside Thermal Exhaust System) от Abit. С другой стороны, в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности устанавливаются низкие температуры, способствующие конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Чтобы избежать этого, нужно подбирать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Произойдет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров, из которых наибольшее значение имеют температура окружающей среды (в данном случае воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше его влажность, тем вероятнее конденсация влаги.

Модули Пельтье также создают сравнительно большую дополнительную нагрузку на блок питания компьютера - учитывая значения потребляемого ими тока, мощность блока питания должна быть не менее 300 Вт. В такой ситуации целесообразно выбирать системные платы и корпуса конструктива ATX, облегчающего организацию оптимальных теплового и электрического режимов, с блоками питания достаточной мощности. В случае выхода из строя модуль Пельтье изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это очень быстро приводит к нарушению теплового режима защищаемого элемента и его перегреву. Поэтому целесообразно использовать качественные модули от известных производителей.

Эффективность использования модулей Пельтье.

Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальные мощность и режим работы кулера могут даже привести к выходу из строя, охлаждаемых компонентов. Средства охлаждения, представленные, как правило, радиатором и вентилятором, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровень температуры горячей стороны модуля Пельтье. Связано это с тем, что модуль обеспечивает разность температур горячей и холодной своих сторон, поэтому, чем ниже будет температура горячей его стороны (за счет охлаждающих средств), тем ниже окажется и температура холодной стороны, а, следовательно, и прилегающей поверхности охлаждаемого объекта.

Если традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения. Кстати, следует обратить внимание, что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимо задействовать всю поверхность горячей и холодной сторон. В противном случае части модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта, например, кристалла процессора, будут только впустую расходовать электроэнергию и выделять тепло. Если же площадь, например, холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то следует применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров и толщины. Промежуточная пластина должна быть сделана из материала с хорошей теплопроводностью, например, из меди. К сожалению, описанным выше не исчерпываются все проблемы применения модулей Пельтье в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, которые поддерживаются специальными функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и на общем тепловом балансе.

Однако режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующими модули Пельтье. Это связано с тем, что кулеры Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В случае же перехода процессора в режим пониженного энергопотребления (и соответственно тепловыделения) температуры корпуса и кристалла процессора могут заметно снизиться. Переохлаждение ядра процессора способно вызвать временную потерю его работоспособности и стойкое "зависание" компьютера. Напомним, что в соответствии с документацией корпорации Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа серийных процессоров для настольных и серверных решений, обычно составляет +5 град. С (хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах).

Кроме того, как отмечалось выше, низкие температуры могут вызвать конденсацию влаги из воздуха на холодных частях системы охлаждения, т. е. на холодной стороне модуля Пельтье, а, следовательно, и на охлаждаемой поверхности, например, процессора. Если используется теплопроводящая пластина, вода конденсируется и на ней. Бороться с этим эффектом можно путем изоляции от воздуха холодных участков системы охлаждения, например, с помощью специальных колец из губчатой резины. Именно такой способ выбрали некоторые производители серийных кулеров, созданных на основе термоэлектрических модулей. Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, управляющих вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства системной платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора, однако при использовании простейших активных кулеров, в конструкции которых не предусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора (из-за его перегрева работающим модулем Пельтье).

Однако в случае графических процессоров кулеры Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения. Работа таких процессоров сопровождается значительным тепловыделением, а режим их функционирования обычно не подвержен резким изменениям. Чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающими конденсацию влаги и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, придется отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления кулерами Пельтье.

Такие средства могут не только контролировать работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров. В простейшем случае это может быть миниатюрное термореле на основе биметаллической пластины, укрепленное на модуле Пельтье и управляющее работой его охлаждающего вентилятора. Работы, направленные на совершенствование систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов, ведут сегодня многие исследовательские лаборатории. Сравнительно недавно в технической прессе появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных термоэлектрических модулей непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения наиболее критичных их структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

О серьезности намерений разработчиков свидетельствуют соответствующие патенты, часть которых принадлежит производителям процессоров, например, AMD.

Заключение

На сегодняшний день не существует проблемы охлаждения, как таковой, а существует проблема отъема и переноса тепла от поверхности процессора в окружающую среду. К системам охлаждения предъявляются высокие и порой взаимоисключающие требования: они должны быть эффективными, бесшумными, недорогими. Сегодня существует несколько видов систем охлаждения: классическое воздушное охлаждение, системы водяного охлаждения, системы для экстремального охлаждения при разгоне на жидком азоте, системы охлаждения на тепловых трубках и элементах Пельтье. Эффективность, доступность и низкая цена систем воздушного охлаждения - это их основные достоинства, к недостаткам относятся относительно низкая надежность и высокий уровень шума по сравнению с другими системами. Системы водяного охлаждения - более дорогой и эффективный вариант, который применяется в системах с большим тепловыделением или более высокими требованиями к уровню шума системы. Системы охлаждения на жидком азоте не находят широкого применения в связи с их сложностью эксплуатации. В основном они применяются при выяснении частотного потенциала процессоров оверклокерами, которые стремятся раскрыть частотный потенциал процессора, несмотря на низкую стабильность работы. Системы охлаждения на элементах Пельтье применяются в особо ответственных случаях, так как они достаточно дороги и необходимо подбирать их к каждой конкретной модели процессора. Системы охлаждения на тепловых трубках получают все большее применение в связи с удешевлением производства тепловых трубок и роста их доступности для рядового потребителя.

Литература

1. Мураховский В.И. Железо ПК. Новые возможности. СПб.: Питер, 2005.

2. Скотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. - 17 изд. - М.: "Уильямс", 2007. - С. 1299-1328.

3. Д. Колисниченко. Компьютер. Большой самоучитель по ремонту, сборке и модернизации.

4. Соломенчук В., Соломенчук П.. Железо ПК. 2010 год.

Размещено на Allbest.ru

...