Raffreddamento dei processori. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры

 Commenti sull'articolo

I dispositivi di raffreddamento dei moderni componenti dei computer sono strutture complesse che includono un sistema di scambio di calore, un compressore del liquido di raffreddamento, un dispositivo di monitoraggio e controllo e un'unità di collegamento all'oggetto raffreddato. Le caratteristiche tecniche di questi sistemi, di regola, sono assenti e l'utente è costretto a fare affidamento sulla propria esperienza. Questo articolo ti aiuterà a comprendere le complessità della progettazione e dell'utilizzo dei dispositivi di raffreddamento.

Come sapete, Intel limita la temperatura operativa dei suoi processori a +66...78 °C, AMD a +85...90 °C. A +23 °C in una stanza, la temperatura dell'aria all'interno del sistema informatico è di 10...15 °C più alta e quella del processore è di altri 20...35 °C più alta. Di conseguenza, la temperatura del processore può raggiungere +75 °C, e con climi caldi (+35...40 °C) - +92 °C.

Ne consegue che i processori moderni richiedono un raffreddamento efficace a pieno carico e non tutti i dispositivi di raffreddamento possono fornirlo. Per non parlare di coloro che amano spremere tutto ciò che possono dal proprio computer. Per loro, un frigorifero efficiente è una necessità urgente. Pertanto, spesso sorge la domanda: quale dispositivo di raffreddamento scegliere?

Attualmente nel mondo vengono prodotti molti tipi di dispositivi di raffreddamento. Questi includono refrigeratori in cui il refrigerante è aria, dispositivi di raffreddamento ad acqua e termoelettrici apparsi di recente, nonché refrigeratori a tubi di calore e persino quelli esotici come le unità di refrigerazione a compressione di vapore. E i dilettanti stanno persino sperimentando gas liquefatti e ghiaccio secco.

Con l'attuale livello di produzione di calore, i dispositivi di raffreddamento che utilizzano l'aria come refrigerante sono ampiamente utilizzati e affrontano con successo il compito di raffreddare i componenti del computer. In base al tipo di scambio termico si dividono in apparecchi a convezione naturale e a ventilazione forzata. I primi vengono utilizzati in sistemi con rilascio di calore fino a 10...15 W, i secondi - con livelli di rilascio di calore fino a 100 W. Nei raffreddatori del secondo gruppo la potenza termica sottratta è proporzionale alla superficie del radiatore (di seguito si utilizzerà questo termine, come è ormai consolidato nella letteratura informatica), alla differenza di temperatura tra lo stesso e l'ambiente di raffreddamento aria e la velocità del flusso d'aria. I più diffusi sono i radiatori alettati; meno utilizzati sono quelli a spillo e a turbina, più complessi da produrre.

I raffreddatori a turbina, dal noto GoldenOrb ai modelli moderni, si sono affermati per la loro elevata efficienza. Il GoldenOrb, che l'autore utilizza da tre anni, nonostante l'area piuttosto piccola delle alette, si è mostrato solo positivo. È stato scelto per la proprietà di questo design di creare un flusso d'aria che si diffonde dal processore lungo la scheda madre, fornendo un raffreddamento aggiuntivo per i componenti posizionati su di esso. Cosa ne determina l’efficacia? Come risultato dell'analisi, si è scoperto che per i radiatori a turbina con alette di sezione trasversale costante, il canale dell'aria ha una sezione trasversale crescente lungo il flusso d'aria, che garantisce una portata costante ed elevata di aria riscaldata in a bassa potenza della ventola. Inoltre, la corretta direzione di torsione delle alette lungo il flusso d'aria ne riduce la resistenza gasdinamica, la velocità dell'aria di raffreddamento è maggiore (fino a 5 m/s) rispetto ai radiatori alettati (fino a 2 m/s) . Di conseguenza la sua resistenza termica risulta essere paragonabile alla resistenza termica di un radiatore alettato di superficie circa 2,5 volte maggiore. L'uso di un dissipatore in rame di questo modello può essere consigliato per la dissipazione del calore fino a 50 W. Altri refrigeratori di questo tipo, ad esempio con canale a sezione costante (alette trapezoidali), sono meno efficienti.

I raffreddatori con radiatori ad aghi hanno mostrato un'elevata efficienza grazie alla loro superficie maggiore rispetto ai radiatori alettati delle stesse dimensioni.

I raffrescatori con radiatori alettati sono quelli più utilizzati. Sono facili da calcolare ed economici da produrre. Consideriamo le principali dipendenze che descrivono le caratteristiche di tali dispositivi.

Prima di tutto, questa è l'equazione del bilancio termico:

dove P è la potenza termica asportata dal radiatore; c è il calore specifico dell'aria; p - densità dell'aria; V - velocità dell'aria nel canale; Scansione: area della sezione trasversale del canale; ΔТ = Тр - Тс – temperatura di riscaldamento dell'aria nel canale; Тр - temperatura del radiatore; Тс - temperatura del mezzo (aria); a è il coefficiente di scambio termico del radiatore; S è la superficie.

La resistenza termica Rp (è numericamente uguale alla temperatura di surriscaldamento del radiatore per 1 W di potenza assorbita, °C/W) caratterizza la differenza di temperatura nel circuito in serie di tutti gli elementi del flusso di calore e, in questo caso, la resistenza termica resistenza del dissipatore di calore del processore:

dove Рр è la potenza fornita al radiatore e da esso dissipata, W; ΔT è la differenza di temperatura sulla superficie di contatto.

Conoscendo la resistenza termica per ciascun anello della catena termica, puoi stimare la distribuzione della temperatura lungo di essa dal radiatore al chip del processore:

dove Tp è la temperatura del radiatore; Тк - temperatura del cristallo; Rproc - potenza dissipata dal processore; RK_K - resistenza termica del case in cristallo del processore; RK - resistenza termica del dissipatore di calore del processore; Rp - resistenza termica del mezzo radiatore.

La resistenza termica della superficie di contatto quando si utilizza pasta termoconduttrice tra due elementi nel percorso del flusso di calore può essere stimata utilizzando la formula empirica:

dove Sn è l'area della superficie di contatto.

La superficie di contatto dei processori esistenti è approssimativamente da 2 a 15 cm2, la resistenza termica RK è da 1 a 0,15 °C/W, l'uso di pasta termicamente conduttiva la riduce a 0,5...0,07 °C/W.

Utilizzando adesivi senza riempitivi è possibile ottenere un RK che, nella migliore delle ipotesi, è commisurato al valore corrispondente alle superfici a secco a contatto; gli adesivi con riempitivi consentono di raggiungere valori RK vicini a quelli ottenuti utilizzando adesivi termoconduttori impasto. Il fatto è che la pasta termoconduttiva non essiccante si diffonde sotto la pressione del meccanismo di fissaggio e otteniamo uno strato di spessore minimo e gli adesivi, indurendo rapidamente, mantengono lo spazio che si è formato durante l'installazione iniziale, e questo in gran parte determina la resistenza termica. Lo svantaggio principale di tale connessione è la sua rigidità: quando riscaldate, le deformazioni del radiatore vengono trasferite sotto forma di sollecitazioni meccaniche al case del processore, le conseguenze possono essere disastrose.

Naturalmente, il processo di calcolo delle condizioni termiche di una coppia processore-dispositivo di raffreddamento è molto più complicato, ma le formule fornite sono sufficienti per comprendere i processi che si verificano nel sistema. E per eseguire calcoli di valutazione, è possibile rivolgersi a letteratura speciale (vedere, ad esempio, il Manuale del progettista REA, a cura di R. G. Varlamov. - M .: Soviet Radio, 1980).

I raffreddatori di liquido sono disponibili in due tipi: a flusso gravitazionale e a pompa forzata. I primi, nonostante l'utilizzo di un liquido refrigerante (acqua) con capacità termica superiore a quella dell'aria, presentano caratteristiche paragonabili a quelle dei migliori aerorefrigeranti, ovvero molto inferiori alle aspettative. Ciò è spiegato dalla bassa portata del liquido di raffreddamento e dalla differenza di temperatura necessaria per creare una differenza di pressione nell'unità di rimozione del calore dal processore e dallo scambiatore di calore. Quando si utilizza il pompaggio forzato, la rimozione del calore è più efficiente e la temperatura del processore è inferiore di 10...15 °C rispetto al caso precedente. Ma se la qualità del collegamento dei tubi può essere garantita solo attraverso la precisione, allora se nei tubi di collegamento c'è una pressione eccessiva, il problema di garantire la tenuta è più difficile da risolvere. Non dobbiamo dimenticare che l'acqua ha un alto coefficiente di espansione volumetrica, quindi è necessario un contenitore aggiuntivo, posizionato sopra il nodo più alto del sistema. Secondo le regole, questo contenitore deve avere un dispositivo che equalizzi la pressione dell'aria circostante e nel sistema di raffreddamento. Nel caso più semplice, si tratta di un foro che lo collega all'ambiente esterno. Di conseguenza, il vapore acqueo entrerà sempre nel volume dell'unità di sistema. L'uso di dispositivi sigillati di equalizzazione della pressione riduce l'affidabilità del progetto.

Ci sono anche difficoltà di cui i produttori non scrivono, ma che hanno riscontrato tutti coloro che hanno lavorato con sistemi di raffreddamento ad acqua per apparecchiature elettroniche. Questi sono microrganismi. Per impedire la loro crescita in condizioni così confortevoli, è necessario adottare misure speciali e lavare l'impianto almeno una volta all'anno.

L'uso dei raffreddatori a liquido è efficace con potenze superiori a 1000 W. Non sono consigliati per il raffreddamento dei processori a causa della bassa potenza erogata e della complessità del funzionamento.

Un altro tipo di raffreddatori sono i dispositivi che utilizzano elementi termoelettrici Peltier. Un esempio è il dispositivo di raffreddamento ad aria MCX462+T di SwiftTech per carichi termici fino a 100 W. Il prodotto è destinato all'uso in sistemi in cui il raffreddamento a liquido non è accettabile. I 127 elementi termici di questo dispositivo di raffreddamento sono alimentati dall'alimentatore Meanwell S320-12 consigliato dall'azienda con una tensione di uscita di 15,2 V e una corrente di carico di 24 A. Il dispositivo fornisce una capacità di raffreddamento massima di 226 W e una differenza di temperatura di oltre superiore a 67°C. Il suo prezzo senza ventilatore è di circa 90, e per un set completo - 130...170 dollari USA.

In sostanza, l'elemento Peltier è una pompa di calore. Trasferisce il calore dal processore al radiatore, spendendo energia su questo e sommando il proprio calore a quello generato dal processore, che, con un'efficienza di circa il 50%, è paragonabile al calore dissipato, e questo aumenta la dissipazione del calore. nell'unità di sistema.

È inoltre necessario garantire un controllo “intelligente” della batteria termoelettrica in funzione del riscaldamento del processore per evitare un eccessivo abbassamento della sua temperatura e, di conseguenza, la formazione di condensa su di essa. La regolazione della capacità di raffreddamento dei termoelementi consente di monitorare in modo flessibile la dissipazione del calore del processore e ottimizzare il consumo energetico.

I vantaggi dei dispositivi di raffreddamento basati su elementi Peltier includono la capacità di abbassare la temperatura operativa del processore di 67 ° C; gli svantaggi sono l'elevato consumo energetico (fino a 100 W) e la dissipazione del calore, la complessità del design e la mancanza di schede madri dotate di controllo automatico dispositivi di controllo. Senza il controllo della temperatura del processore, esso e la scheda madre potrebbero guastarsi. Questo tipo di dispositivo di raffreddamento, se utilizzato insieme a un dispositivo di controllo, può essere consigliato per esperimenti con microprocessori di "overclocking".

Vorrei metterti in guardia dall'installare tu stesso un dispositivo di raffreddamento del genere: nel caso “migliore” perderai il processore e, nel peggiore dei casi, perderai anche la scheda madre. Il fatto è che per un raffreddamento efficace è necessario accoppiare due coppie di superfici (processore-termoelemento e termoelemento-radiatore) con resistenza termica minima sotto una forza di compressione rigorosamente specificata. Questo può essere fatto con alta qualità solo da uno specialista che ha una vasta esperienza di lavoro con tali dispositivi. Se fallisce, l'utilizzo di un dispositivo di raffreddamento di questo tipo porterà solo ulteriori problemi.

Per valutare le caratteristiche termiche di un raffreddatore ad aria standard con radiatore alettato e la sua efficienza, a seconda del materiale del radiatore (lega di alluminio, rame), è stato eseguito un calcolo concentrandosi sul raffreddatore del processore P4 secondo la metodologia descritta nel libro di consultazione menzionato sopra.

Dati iniziali: radiatore a coste con una superficie soffiata di 1560 cm2, superficie - ruvida, annerita, fissaggio - standard; dissipazione di potenza - 80 W, temperatura dell'aria - +40 °C, velocità di soffiaggio - circa 1 m/s. I risultati del calcolo sono illustrati dalla tabella e dai grafici riportati in figura. Nella tabella vengono utilizzate le seguenti designazioni: ΔТр_кр - differenza di temperatura nella transizione radiatore-cristallo (valore più piccolo - quando si utilizza pasta termoconduttiva, valore più grande - senza di essa); Tcr è la temperatura del cristallo negli stessi casi; Rras - potenza totale dissipata dal radiatore; Ras. cioè nero - potenza dissipata per irraggiamento da un radiatore annerito.

Come si vede dalla figura, un radiatore in lega di alluminio (AI) prevede, a parità di altre condizioni, l'asportazione di circa 77 W di potenza termica alla temperatura del radiatore di +52°C, e dal rame (Cu) - quasi 80 W con una temperatura del radiatore di circa +34,5 °C. In altre parole, nel caso in esame, a parità di potenza termica, la temperatura del radiatore in rame è 1,5 volte inferiore. Ciò ci consente di consigliare l'uso di radiatori in rame nei dispositivi di raffreddamento per il raffreddamento di processori potenti. Affrontano con successo il compito (con uno spessore delle alette superiore a 1 mm), senza avere gli svantaggi dei dispositivi idrici e termoelettrici. La tabella permette di stimare la temperatura dei cristalli per questi punti.

Il radiatore calcolato ha una resistenza termica di contatto RK = 0,2 °C/W con pasta termoconduttrice e 0,4 °C/W senza pasta termoconduttrice. La resistenza termica di un radiatore in lega di alluminio è 0,67 °C/W, del rame - 0,45 °C/W (in entrambi i casi alla potenza nominale)

Analizzando l'equazione del bilancio termico (1) e sulla base dell'esperienza di funzionamento dei sistemi di raffreddamento, possiamo raccomandare:

• utilizzare una ventola nell'unità di sistema. L'utilizzo di uno scarico riduce la pressione nell'unità e pregiudica il raffreddamento di tutti i suoi componenti;
• i componenti ed i cavi devono essere posizionati nell'unità di sistema in modo da fornire spazi liberi per il passaggio dei flussi di aria di raffreddamento verso le unità di generazione del calore e successivamente all'esterno dell'unità di sistema;
• scegli un dispositivo di raffreddamento con l'area ottimale dei canali del radiatore. Deve essere commisurato alla superficie di passaggio del ventilatore; in questo caso il flusso d'aria sarà uniforme e il ventilatore provvederà all'iniezione senza un consumo eccessivo di energia. I depositi di polvere sulla ventola e nei canali del radiatore indicano un aumento di pressione o un flusso d'aria instabile nel punto di accumulo, quindi è necessario regolarne il flusso. È inutile cercare di aumentare la velocità dell'aria, poiché in questo tratto essa è determinata solo dalla caduta di pressione lungo il percorso del flusso. E la pressione creata dai ventilatori assiali non supera i 2...5 mm di colonna d'acqua e praticamente non aumenta con l'aumentare della potenza del suo motore elettrico;
• utilizzare ventilatori con giranti multipale (sette o più);
• abbassare la temperatura nell'unità di sistema, posizionandola il più lontano possibile da fonti di calore (più bassa è la temperatura dell'aria nel luogo in cui è installata l'unità, più bassa è al suo interno e più freddo è il processore);
• scegli un radiatore con l'altezza e lo spessore delle alette ottimali. A causa dell'elevata resistenza termica, la temperatura delle alette molto sottili è molto inferiore alla temperatura di base, quindi l'efficienza di raffreddamento diminuisce nonostante la loro ampia area. Con uno spessore delle alette di circa 1 mm è opportuno privilegiare un radiatore in rame in quanto più efficiente;
• utilizzare radiatori ad aletta la cui forma della sezione trasversale garantisca un'evacuazione del calore pressoché uniforme su tutta la superficie dell'aletta. Tali, ad esempio, sono i radiatori dei dispositivi di raffreddamento Spire 9T207B1H3G di Fanner Tech. In sezione trasversale, le loro nervature sono un trapezio con un rapporto di base di 2:1 (1,2 e 0,6 mm). La temperatura sulla superficie di tale aletta è più uniforme, il che ne aumenta l'efficienza rispetto ad una aletta rettangolare;
• e infine (questo è per sviluppatori e produttori), introdurre la resistenza termica nell'elenco delle caratteristiche del dispositivo di raffreddamento come parametro obbligatorio.

E una raccomandazione generale, sulla quale non si può discutere perché è banale, ma la pratica dimostra che non tutti i professionisti vi aderiscono. Utilizzare correttamente la pasta termoconduttrice; faciliterà il funzionamento del processore. Quando si rimuove il radiatore, su tutta la superficie di contatto dovrebbe essere visibile un sottile strato di pasta quasi trasparente. Molte volte ho visto solo uno schiaffo al centro. Questo uso della pasta non fa altro che peggiorare le condizioni di raffreddamento.

Riassumiamo. Per capire come viene rimossa la potenza termica dal processore, è necessario conoscere alcune disposizioni e dipendenze:

1. Il consumo energetico è sempre maggiore della potenza termica generata dal processore.
2. La potenza termica dissipata dal processore cambia durante il suo funzionamento e dipende dal suo carico, quindi ha componenti statiche e dinamiche. Il primo di questi è la potenza dissipata dal processore in modalità standby, che dipende solo dal modello del processore (la sua struttura interna) e non è zero per i moderni processori AMD e Intel. La seconda varia durante il funzionamento del processore, dipende solo dal suo carico e rappresenta la differenza tra la potenza termica totale e la sua parte statica.
3. Parte della potenza termica generata dal processore viene dissipata dal dispositivo di raffreddamento tramite irraggiamento.
4. L'efficienza di qualsiasi refrigeratore è caratterizzata dalla sua resistenza termica.

Autore: A.Sorokin, Raduzhny, regione di Vladimir

Vedi altri articoli sezione Компьютеры.

Leggere e scrivere utile commenti su questo articolo.

<< Indietro

Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica:

Macchina per diradare i fiori nei giardini 02.05.2024

Nell'agricoltura moderna si sta sviluppando il progresso tecnologico volto ad aumentare l'efficienza dei processi di cura delle piante. Presentata in Italia l'innovativa macchina per il diradamento dei fiori Florix, progettata per ottimizzare la fase di raccolta. Questo attrezzo è dotato di bracci mobili, che permettono di adattarlo facilmente alle esigenze del giardino. L'operatore può regolare la velocità dei fili sottili controllandoli dalla cabina del trattore tramite joystick. Questo approccio aumenta significativamente l'efficienza del processo di diradamento dei fiori, offrendo la possibilità di adattamento individuale alle condizioni specifiche del giardino, nonché alla varietà e al tipo di frutto in esso coltivato. Dopo due anni di test della macchina Florix su diverse tipologie di frutta, i risultati sono stati molto incoraggianti. Agricoltori come Filiberto Montanari, che utilizza una macchina Florix da diversi anni, hanno riscontrato una significativa riduzione del tempo e della manodopera necessari per diluire i fiori. ... >>

Microscopio infrarosso avanzato 02.05.2024

I microscopi svolgono un ruolo importante nella ricerca scientifica, consentendo agli scienziati di approfondire strutture e processi invisibili all'occhio. Tuttavia, vari metodi di microscopia hanno i loro limiti e tra questi c'è la limitazione della risoluzione quando si utilizza la gamma degli infrarossi. Ma gli ultimi risultati dei ricercatori giapponesi dell'Università di Tokyo aprono nuove prospettive per lo studio del micromondo. Gli scienziati dell'Università di Tokyo hanno presentato un nuovo microscopio che rivoluzionerà le capacità della microscopia a infrarossi. Questo strumento avanzato consente di vedere le strutture interne dei batteri viventi con sorprendente chiarezza su scala nanometrica. In genere, i microscopi nel medio infrarosso sono limitati dalla bassa risoluzione, ma l’ultimo sviluppo dei ricercatori giapponesi supera queste limitazioni. Secondo gli scienziati, il microscopio sviluppato consente di creare immagini con una risoluzione fino a 120 nanometri, ovvero 30 volte superiore alla risoluzione dei microscopi tradizionali. ... >>

Trappola d'aria per insetti 01.05.2024

L’agricoltura è uno dei settori chiave dell’economia e il controllo dei parassiti è parte integrante di questo processo. Un team di scienziati dell’Indian Council of Agricultural Research-Central Potato Research Institute (ICAR-CPRI), Shimla, ha trovato una soluzione innovativa a questo problema: una trappola per insetti alimentata dal vento. Questo dispositivo risolve le carenze dei metodi tradizionali di controllo dei parassiti fornendo dati sulla popolazione di insetti in tempo reale. La trappola è alimentata interamente dall'energia eolica, il che la rende una soluzione ecologica che non richiede energia. Il suo design unico consente il monitoraggio sia degli insetti dannosi che utili, fornendo una panoramica completa della popolazione in qualsiasi area agricola. “Valutando i parassiti target al momento giusto, possiamo adottare le misure necessarie per controllare sia i parassiti che le malattie”, afferma Kapil ... >>

Notizie casuali dall'Archivio Gli alberi crescono più velocemente di notte 23.02.2024 Uno studio condotto da un team internazionale di scienziati ha fatto luce sul processo di crescita degli alberi, rivelando che il periodo principale di crescita attiva avviene di notte. Hanno osservato 170 alberi in diverse regioni della Svizzera e hanno scoperto che le piante crescevano anche in condizioni di siccità moderata, purché l'aria fosse umida. È interessante notare che l’esposizione all’aria secca ha avuto un effetto più forte sulla crescita rispetto al terreno asciutto. L'aria secca portava a una traspirazione più intensa, che portava alla perdita di umidità dalle piante. Quando le piante perdono più acqua di quanta ne assorbono, la loro capacità di trattenerla si riduce, causando un arresto della crescita. Gli scienziati hanno raccolto un’enorme quantità di dati, tra cui 60 milioni di misurazioni del raggio del tronco e dell’umidità dell’aria e del suolo, che li hanno aiutati a comprendere meglio la relazione tra le condizioni ambientali e la crescita delle piante. In definitiva, queste scoperte potrebbero aiutare a comprendere meglio i processi naturali che si verificano nelle foreste e nei giardini e come ottimizzare la cura delle piante nei diversi climi.

Altre notizie interessanti:

▪ Il dispositivo Feelreal completerà i caschi VR con un generatore di odori

▪ Anomalia termica rilevata nell'oceano

▪ Auto sportiva a motore centrale di Toyota e Suzuki

▪ Fotocamera a stilo

▪ Calcestruzzo per costruire su Marte

News feed di scienza e tecnologia, nuova elettronica

Materiali interessanti della Biblioteca Tecnica Libera:

▪ sezione del sito Radio - per principianti. Selezione di articoli

▪ articolo La mano ossuta della fame. Espressione popolare

▪ articolo Come sono apparse le arance snocciolate? Risposta dettagliata

▪ articolo Aspirapolvere per olio. Trasporto personale

▪ articolo LED indicatore di tensione. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

▪ articolo Amplificatore trunk per sintonizzatori TV satellitari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Lascia il tuo commento su questo articolo:

Tutte le lingue di questa pagina

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Homepage | Biblioteca | Articoli | Mappa del sito | Recensioni del sito

www.diagram.com.ua
2000-2024