Системы охлаждения центрального процессора (стр. 2 из 4)

Аэрогенные системы

Воздушное охлаждение, при всех его недостатках, обладает главным преимуществом - простотой и дешевизной реализации. Определенные же доработки позволяют по-новому взглянуть на дальнейшие перспективы воздушного охлаждения применительно к охлаждению все более мощных процессоров.

Рисунок 2. RevoltecFreezeTower (иллюстрация сайта Hotline.ru).

Есть куда стремиться и создателям моторов, и дизайнерам лопастей. И в плане повышения эффективности основной функции и в плане снижения шума. В области традиционных кулеров вообще есть еще к чему стремиться. Тут и сочетания различных материалов в одном радиаторе, когда, допустим, основа делается из одного материала, а ребра - из другого, и вентиляторы с повышенной в разы мощностью, и пьезоэлектрические ребра охлаждения (рис.2).

Рисунок 3. ScytheKATANACu (иллюстрация сайта Hotline.ru).

В настоящее время в этой области многое изменилось - добрая половина моделей переместилась в разряд неактуальных, на рынке появились системы охлаждения с оригинальными конструкциями и улучшенными характеристиками.

Энергопотребление и, как следствие, тепловыделение представителей многочисленного семейства c архитектурой Intel Core оказалось гораздо ниже самых оптимистичных прогнозов. Почти все современные процессоры AMD изначально отличались умеренным энергопотреблением, а теперь пользователям предлагаются еще и более экономичные модели Energy Efficient. Поэтому производители кулеров сегодня много внимания уделяют не только эффективности своих решений, но и улучшению внешнего вида и шумовых характеристик систем охлаждения, а также обеспечению максимальной совместимости продуктов с различными процессорными разъемами. Некоторые компании даже возвращаются к проверенным конструктивным решениям, лишь слегка их модернизировав (рис.3). С выходом Core 2 Duo требования к эффективности охлаждения во время их работы в штатном режиме значительно снизились. Однако для раскрытия частотного потенциала понадобится улучшенный отвод тепла, да и появление четырехъядерных процессоров возобновляет интерес к альтернативным системам охлаждения.

Рисунок 4. Zalman CNPS8000 (иллюстрация сайта Hotline.ru).

Сегодня при производстве большинства систем охлаждения в конструкции массово используются тепловые трубки, которые позволяют снизить общую массу радиатора при сохранении его высокой эффективности, улучшить теплопередачу от основания радиатора к ребрам, применять относительно дешевый алюминий вместо меди (рис.4,5).

Рисунок 5. ThermaltakeBeetle (иллюстрация сайта Hotline.ru).

Аэрогенные системы с элементами Пельтье

Есть и еще один любопытнейший интерфейс между чипом и радиатором, основанный на открытом еще в первой половине 19-го века эффекте, по имени его первооткрывателя получившего название эффекта Пельтье. Эффект заключается в том, что напряжение, поданное на два противоположных друг другу материала вызывает разницу температур. Перетекая в один, электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, поглощая тепло, возвращаясь в другой, они это тепло высвобождают. Типичный термоэлектрический модуль, таким образом, состоит из двух хорошо пропускающих тепло керамических пластинок, являющихся его оболочкой, и расположенных между ними пар из прилегающих друг ко другу P и N легированных материалов полупроводника теллурида висмута (Рис.6).

Рисунок 6. Элемент Пельтье.

При подаче напряжения одна из сторон охлаждается, другая - нагревается. Это ни в коем случае не средство охлаждения, как зачастую относятся к элементам Пельтье не разбирающиеся в теме люди. Это тепловой насос, который не превращает тепло в холод, а просто, фактически, эффективно передает его с одного своего конца на другой. Объем совершаемой работы, естественно, полностью зависит от напряжения и силы тока и в существующих сегодня на рынке моделях, разница между холодной и горячей сторонами элемента может составлять весьма внушительную величину. До 65-70 градусов в случае использования одной пары термоэлектриков, и еще больше - если такие пары в одном элементе накладываются друг на друга (рис.7).

Рисунок 7. Кулер с термоэлектрическим модулем Пельтье - Thermaltake SubZero4 (иллюстрация сайта 3DVelocity).

Да, мы спокойно можем сделать температуру стороны, прилегающей к процессору, скажем, 0 градусов по Цельсию. Весь вопрос в том, каких затрат энергии нам это будет стоить, и какова будет температура горячей стороны, которую придется охлаждать привычными методами. Элемент Пельтье способен несколько облегчить жизнь чипу, поскольку, будучи малой площади, способен отвести непосредственно от чипа куда больше тепла, чем любой радиатор куда более крупных размеров, но количество тепла в системе чип-радиатор он снизить не может по определению. Это всего лишь тепловой насос.

Гидрогенные системы

Так что дальше с отводом тепла придется сражаться либо все тому же классическому кулеру, либо же чему-нибудь несколько более мощному. Мощному - читай, имеющему лучшую теплопроводность, чем воздух. Да, речь идет о жидкостном охлаждении во всех его проявлениях. За счет своей более высокой теплопроводности жидкость лучше поглощает тепло от его источников, а принудительное ее охлаждение в отведенном для этого месте может не ограничиваться доведением ее до комнатной температуры, тогда как в случае с воздухом нам приходится пользоваться тем, что дают.

Рисунок 8. Система с жидкостным охлаждением.

Классическая схема в этом случае выглядит следующим образом: с чипом соприкасается полая металлическая пластина, через которую протекает охлаждающая жидкость. Поглотив тепло от стенок пластины, нагретых чипом, она попадает в специальный резервуар. Из него, с помощью насоса, нагретая жидкость перемещается в теплообменник, где у нее производится отъем тепла помощью воздуха. Вновь охлажденная жидкость попадает все в ту же пластину, соприкасающуюся с чипом (рис.8,9).

Рисунок 9. Система водяного охлаждения Thermaltake Aquarius II.

Криогенные системы

Эти системы отличаются от гидрогенных только тем, что в качестве теплоносителя вместо воды используется термальный агент - фреон. Соответственно, контур полностью и обязательно герметичен, а насос и теплообменник отличаются улучшенным качеством (рис.10).

Рисунок 10. Система испарительного охлаждения Asetek Vapochill (иллюстрация сайта Extreme Overclocking).

В итоге получается своего рода минихолодильник на процессоре. При стандартном тепловыделении 70 Вт температура может поддерживаться в районе 5°C. Эффективность выше, но и стоимость - как минимум, несколько сотен долларов.

Циклические тепловые трубки

Тем не менее, никто не запрещает использовать в теплообменнике более комплексные технологии охлаждения - это исключительно вопрос стоимости системы. Например, можно рассмотреть такой вариант, как пульсирующие тепловые трубки, они же - циклические.

Берем тонкую трубку, и изгибаем ее так, чтобы она создавала множество U-образных переходов. Трубка заполнена жидкостью не полностью, а так, что остается свободное место. В результате того, что одной стороной вся эта система примыкает к источнику тепла, а другую ее сторону охлаждает воздушный поток, внутри начинаются испарения и осаждения жидкости, с образованием пузырьков пара и превращением их обратно в жидкость по мере постоянного пульсирующего изменения давления в системе. Эти процессы и являются единственной движущей силой внутри системы, перемещающей жидкость от теплого ее конца к холодному, и обратно! То есть, ряд лишних в данном случае вещей, вроде гидравлического насоса, мы просто-напросто вычеркиваем (рис.11).

Эта технология пока что еще изучена довольно слабо для доведения ее до массового использования, но перспективы, судя по первым опытам, у нее самые что ни на есть оптимистические. Вот такая вот ажурная "коронка", установленная на основе 80х80х2 мм, способна пропускать через себя до 450 Вт тепла при разнице температур на разных своих сторонах до 40 градусов, будучи обдуваемой потоком воздуха со скоростью всего в 3 м/с.

Рисунок 11. Циклические тепловые трубки.

Можно вспомнить и о других интересных и, возможно, перспективных методах отвода тепла. Например, чем-то похож на только что описанный процесс метод переноса жидкостью тепла внутри пластины радиатора, когда в ней используется капиллярная структура, по которой жидкость переносит тепло от нагретого конца пластины к холодному, возвращаясь затем обратно. В результате снижается термосопротивление пластины по сравнению с тем, если бы она была сделана из чистого металла, в результате чего улучшается перенос тепла с одной стороны на другую. Это позволяет некоторым производителям видеокарт делать решения с подобными радиаторами, не нуждающиеся в принудительном охлаждении потоком воздуха.