Охлаждение процессора (стр. 2 из 7)

Современная схема распределения воздушных потоков внутри корпуса ПК выглядит следующим образом: Рисунок1.

Современная спецификация охлаждения корпуса ПК

2 Обзор различных технологий охлаждения

2.1 Основные компоненты системы воздушного охлаждения

Радиатор служит для распределения тепла охлаждаемого объекта (в нашем случае - ядра процессора) в окружающую среду. Он должен находиться в непосредственном физическом контакте с охлаждаемым объектом. Так как тепло от одного тела к другому передаётся через поверхность, то площадь контакта радиатора и процессора должна быть как можно большей. Сторона, которой радиатор прилегает к процессору, называется основанием или подошвой. Тепло от ядра переходит к основанию, потом распределяется по всей поверхности радиатора (причём распределение это - неравномерное) и отводится в окружающую среду. Если на радиаторе не установлен вентилятор, то процесс такого отвода тепла называется излучением. Увеличить эффективность излучения можно, если повысить площадь поверхности радиатора. Для этого они изготавливаются ребристыми: на основание устанавливаются рёбра, с которых и происходит отвод тепла в окружающую среду. Рёбра должны быть как можно более тонкими и они должны иметь как можно более лучший контакт с основанием (в идеале радиатор должен быть монолитным). Плоские радиаторы (без рёбер) получили название "распределители тепла".Чтобы радиатор эффективно рассеивал тепло, он должен обладать высокой теплопроводностью и теплоёмкостью. Физическая величина теплопроводность имеет размерность Вт/М*К (Ватт/метр*Кельвин), для единицы материала, так называемая удельная теплопроводность. Она определяет, с какой скоростью тепло распространяется по объёму тела. В случае если теплопроводность радиатора будет невысокой, вы получите ситуацию, когда его основание будет нагреваться сильнее, чем его рёбра. Охлаждение в этом случае будет неэффективным. У радиаторов с высокой теплопроводностью температура основания и кончика рёбер различается незначительно и тепло эффективно отводится со всей поверхности. Теплоёмкость, как известно из курса физики, определяет количество теплоты, которое необходимо сообщить телу для увеличения его температуры на 1 градус. Удельная теплоёмкость имеет размерность Дж/Кг*К (Джоуль/Килограмм*Кельвин). Радиатор с низкой теплоёмкостью будет иметь температуру, близкую к температуре самого процессорного ядра и ни о каком охлаждении здесь говорить не придётся. Он должен иметь высокую теплоёмкость, ведь при остывании тела на один градус оно отдаёт то же количество теплоты, которое получило при нагреве на один градус. Именно поэтому радиатор с высокой теплоёмкостью всегда будет иметь значительно меньшую температуру, чем ядро процессора. Эти две физические величины определяются материалом, используемым для изготовления радиатора.Удельные теплопроводность и теплоёмкость металлов. Идеального материала для создания радиатора не существует. Серебро имеет самую высокую теплопроводность, но это очень дорогой металл, да и теплоёмкость у него невысокая. Медь имеет чуть меньшую теплопроводность и почти в полтора раза большую теплоёмкость. Этот материал лучше всего подходит для изготовления основания радиаторов. Алюминий имеет в 1.6 раз меньшую теплопроводность, чем у меди, но в 2.29 раз большую теплоёмкость. Данный метал лучше применять для рёбер радиаторов. Золото имеет высокую теплопроводность, большую, чем у алюминия, но меньшую, чем у меди. Некоторые производители кулеров, такие как Zalman и Glacialtech сообщают о том, что их топовые модели кулеров имеют радиаторы, покрытые тонкой плёнкой золота. В этом нет смысла с точки зрения теплопроводности. Всё же толщина этой плёнки слишком мала для влияния на физические свойства радиатора. То же самое касается никеля. Никелированные радиаторы с эстетической точки зрения, конечно, более привлекательны, но не с точки зрения термических свойств. Так как идеального контакта между двумя металлами добиться очень сложно, то зачастую большую эффективность имеют радиаторы из одного материала - чисто медные или чисто алюминиевые, но это уже зависит от конкретного производителя радиаторов. Потому что, как правило, радиаторы с медным основанием и алюминиевыми рёбрами охлаждают лучше, чем чисто алюминиевые, а медные охлаждают ещё лучше.Помимо материала радиатора большое значение имеет его конструкция. Конфигурация рёбер: их высота, длина, расположение на основании рассчитываются индивидуально для каждой модели кулера. Но смысл расчетов всегда сводится к одному: воздух должен беспрепятственно и равномерно проходить по всей поверхности радиатора. Турбулентность (завихрения воздушного потока) в радиаторе, как правило, улучшает отвод тепла от рёбер и основания к воздушному потоку, но снижает скорость этого потока. Так что определённо сказать, положительно ли влияет турбулентность на охлаждение или нет применимо ко всем кулерам нельзя. Но так как в настоящее время многие производители кулеров стараются сделать поток воздуха внутри кулера более линейным (некоторые производители, например Thermaltake, даже выпускают переходники для вентиляторов, которые выравнивают поток воздуха через радиатор), можно сделать вывод, что для процессорных кулеров прямой поток лучше турбулёнтного, хотя даже в этом потоке будут сохраняться небольшие завихрения.

2.2 Конструкция радиаторов

Вообще, конструкция радиаторов - это тема для отдельной статьи. В рамках регламента я могу лишь рассказать о том, какими они бывают по конструкции и способу изготовления. Для современных процессоров используются радиаторы различных форм: кубические, в форме параллелепипеда, в форме цилиндра, веера, с изогнутыми гранями и сложных форм. Они могут иметь толстые рёбра (в случае, если радиатор произведён по технологии выдавливания, "Extrusion" или ковки/плавления "Forging"/"Melting"), тонкие рёбра, плоские пластинчатые рёбра, впрессованные в основание (по технологии диффузионного прессования), согнутые гармошкой из тонкой пластины, как в случае с кулерами Molex. На некоторых радиаторах вместо рёбер установлены цилиндрические или прямоугольные иглы. Как показывает практика, это самая эффективная конструкция. Компания Zalman использует для изготовления своих кулеров метод шихтовки, когда радиатор составляется из десятков пластин и стягивается бандажными скобами. Нередко в радиаторах применяются теплопроводящие трубки - герметичные сосуды из пористого материала, заполненные жидкостями с низкой температурой испарения. Такие трубки очень эффективно проводят тепло (намного лучше, чем медь или серебро) и значительно повышают эффективность охлаждения. Ведущие специалисты в области компьютерного охлаждения сегодня считают, что будущее кулеров для процессоров именно за моделями с тепловыми трубками. Вентиляторы Современный кулер для процессора невозможно представить без вентилятора. Основные показатели, характеризующие вентилятор, это: скорость воздушного потока, объём воздуха, перегоняемый им в минуту, потребляемая мощность, частота вращения лопастей и уровень шума. Скорость воздушного потока измеряется в линейных футах в минуту (LFM, Linear Feet per Minute). Зачастую скорость потока заменяется показателем давления воздуха на выходе из вентилятора. Эта величина измеряется в миллиметрах жидкости (мм.H2O). Эти два показателя, скорость и давление потока, зачастую не дают представление о производительности вентилятора, в то время, как более привычный показатель, объём перегоняемого воздуха, в полной мере оценивает эффективность. Этот показатель измеряется в кубических футах в минуту (CFM - Cubic Feet per Minute). Один кубический фут равняется приблизительно 28.3 литрам или 0.028 кубического метра, так что при желании можно перевести эту величину в метрическую систему. Так как эффективность охлаждения активного кулера во многом зависит именно от объёма воздуха, проходящего через радиатор, то CFM можно считать одной из основных величин, на которые стоит полагаться как при выборе отдельно вентилятора для компьютера, так и при выборе кулера в общем. Современные кулеры используют вентиляторы производительностью от нескольких до нескольких десятков кубических футов в минуту.Потребляемая мощность определяется двигателем, установленным в вентиляторе, и равняется потребляемому току, умноженному на рабочее напряжение вентилятора. Сейчас подавляющая часть вентиляторов для компьютерных кулеров работают на напряжении 12 Вольт. Раньше, в кулерах для видеокарт использовались вентиляторы, работающие от 7 Вольт и 5 Вольт, но сейчас, при темпах развития видеочипов, это уже нечастое явление. Обычно, рабочее напряжение вентилятора отличается от стартового. То есть, двигатель вентилятора может "завестись" и на напряжении 7 В или 9 В, а работать - на напряжении от 6 В до 15 В. Такой разброс напряжения очень важен для вентиляторов, имеющих регулировку частоты вращения лопастей. Частота вращения лопастей - так же очень важный параметр. Она определяется конструкцией вентилятора, мощностью и мощностью двигателя. Данная величина измеряется в оборотах в минуту (Об/мин. или RPM - Rotates per Minute). В настоящее время очень многие обозреватели измеряют в RPM скорость вентилятора. Это не верно, потому что скорость обычно измеряется в радианах в секунду или метрах в секунду, а обороты в секунду характеризуют именно частоту вращения. Чем быстрее вращаются лопасти вентилятора, тем большую производительность он будет иметь. К сожалению, пропорционально с частотой вращения вентилятора изменяется и уровень его шума. Уровень шума измеряется в децибелах и обычно обозначается как дБ или dB. Скажу лишь, что сейчас "бесшумными" считаются кулеры, выделяющие около 23 дБ. Кулер, работающий с громкостью 30 дБ уже может вывести из себя самого терпеливого пользователя. Вентиляторы современных кулеров имеют частоту вращения лопастей от 2 000 до 8 000 оборотов в минуту. Уже при 7 000 RPM вентилятор работает слишком громко и может вызывать раздражение у пользователей и окружающих, поэтому сегодня производители кулеров всеми средствами пытаются увеличить производительность кулера, снизив уровень его шума. Объём воздуха зависит не только от частоты вращения лопастей, но и от размеров вентилятора. Чем эти размеры больше, тем производительность будет выше. Поэтому в последнее время на смену кулерам с быстрыми 60-миллиметровыми вентиляторами, имеющими частоту вращения лопастей 6 000 - 7 000 оборотов в минуту (30-38 CFM, уровень шума - до 46.5 дБ) приходят 80-миллиметровые и 90-миллиметровые вентиляторы, лопасти которых совершают от полутора до трёх тысяч оборотов в минуту. Производительность таких вентиляторов составляет от 22 до 50 CFM, а уровень шума - от 17 до 35 дБ. Ось пропеллера в вентиляторе может устанавливаться, используя подшипники качения (ball bearing) или подшипники скольжения (sleeve bearing). Первые представляют собой как бы подушку из скользящих материалов и масла. Такие подшипники менее долговечны, они достаточно быстро изнашиваются, после чего вентилятор начинает "подвывать". Его можно смазывать, но лучше заменить. Подшипники скольжения так же, из-за своей низкой надёжности не используются в вентиляторах с высокой частотой вращения лопастей. Единственное их преимущество - низкая стоимость. Подшипники качения, это подшипники в том виде, в котором мы привыкли их видеть, с двумя радиальными кольцами, между которых расположены маленькие шарики. Эти подшипники более надёжны и чаще всего именно они используются в современных кулерах. В некоторых вентиляторах используются одновременно один подшипник качения и один подшипник скольжения. Основной характеристикой, которая имеется у подвески вентилятора - это время наработки на отказ, MTBF (Middle Time Before Failure). Так как подшипники - самая ненадёжная часть вентилятора, то именно они определяют, сколько ему проработать в компьютере. Для подшипников скольжения эта величина - 30 000 часов, для подшипников качения - 50 000 часов. Вентиляторы, использующие два оба типа подшипников, имеют среднее время наработки на отказ 40 000 часов. Сейчас стали появляться кулеры с керамическими подшипниками, которые обещают проработать от 300 000 до 500 000 часов. И хотя, может показаться, что это достаточно большое время, всё же оно не гарантировано производителем и вентилятор может выйти из строя буквально на следующий день после покупки. Вентиляторы бывают двух типов: радиальные и осевые. Осевые получили широкое распространение в силу своих небольших размеров и хорошего соотношения производительность/шум. Обычный вентилятор, с пропеллером - это осевой вентилятор, в нём поток воздуха направляется вдоль оси вращения.Радиальные вентиляторы получили название "бловеры" (от англ. Blow - дуть). В бловере воздушный поток направляется под углом 90 градусов к оси двигателя. Вместо пропеллера с лопастями в радиальных вентиляторах используются барабаны, или как их принято называть, крыльчатки. Этот тип вентиляторов требует установки двигателей с большей мощностью, бловеры имеют большие физические размеры и большую стоимость. Но, несмотря на эти, казалось бы, недостатки, радиальные вентиляторы имеют ряд преимуществ. Прежде всего, воздушный поток в них менее обладает меньшей турбулентностью, большей скоростью, а кроме того - радиальные вентиляторы лишены "мёртвой зоны".В обычных, осевых, вентиляторах двигатель расположен в центре. Иногда двигатель занимает значительную часть "активной" площади вентилятора, площади, образуемой окружностью пропеллера. Под двигателем скорость воздушного потока несравнимо ниже, чем под лопастями. Уже на некотором расстоянии скорости воздуха под вентилятором выравнивается на всей площади, но это расстояние уже может быть за пределами основания радиатора. К сожалению, как правило, "мёртвая зона" расположена над центром радиатора, в том месте, где расположено ядро процессора. Естественно, эта "мёртвая зона" негативно сказывается на охлаждении. Производители кулеров ни раз пытались решить проблему "мёртвой зоны". Компании GlacialTech и Global Win в некоторых своих кулерах располагали вентилятор не по центру радиатора, а с небольшим сдвигом, чтобы над тем местом основания кулера, где расположено ядро процессора, располагались лопасти вентилятора. Другие производители изменили конструкцию вентилятора, как бы распределив двигатель из центра вентилятора по периметру. В таких типах вентилятора четыре обмотки расположены в углах корпуса, а вокруг лопастей проходит кольцо с постоянным магнитом. Таким образом, в центре пропеллера установлена лишь ось, а площадь "мёртвой зоны" снижена в несколько раз. Всё это относится к осевым вентиляторам. В радиальных же, поток, на выходе практически равномерный, с одинаковым давлением и скоростью. Наиболее известными кулерами с радиальными вентиляторами являются модели серии AERO производства компании CoolerMaster. Современные вентиляторы, в большинстве своём, подключаются к материнским платам трёхконтактными Molex-коннекторами. В этих разъёмах два контакта используются для питания, а ещё один - для того, чтобы передавать материнской плате данные со встроенного тахометра вентилятора. Но материнские платы имеют ограничения по мощности, которую они могут подать на вентилятор, и если подключить к системной плате мощный кулер, она может запросто сгореть. Когда эта проблема появилась, производители дорогих мощных кулеров (с потребляемой мощностью более 4 Вт) стали продавать свои охладители с вентиляторами, имеющими четырёхконтактные разъёмы питания PCPlug (как у жёсткого диска или привода CD-ROM). Таким образом, вентилятор подключался непосредственно к блоку питания и опасности для материнской платы не представлял. Но очень многие системные платы и компьютеры в целом имеют защиту от перегрева процессоров, в том числе и от остановки вентилятора. Подключение по PCPlug не давало возможности сообщать материнской плате информацию о частоте вращения лопастей, а питание мощных кулеров от материнской платы опасно для самой платы. Сегодня многие производители делают комбинированное питание - два разъёма Molex и один разъём PCPlug. Питание осуществляется по одному из разъёмов - от материнской платы или блока питания. Во втором случае к системной плате подключается Molex-разъём всего с одним проводком, по которому передаются данные о частоте вращения пропеллера. В итоге и кулер может работать без опасности повреждения платы и сигнализация аппаратного мониторинга остаётся активной.