Альтернативные системы охлаждения

Среди разнообразных экспозиций выставки, прошедшей в сентябре этого года в рамках Форума Intel для разработчиков (Intel Developer Forum, IDF) в Сан-Хосе (шт. Калифорния), наше внимание привлек стенд компании THERMACORE (http://www.thermacore.com/), посвященный системам охлаждения процессоров, в которых отсутствует вентилятор. Именно о таких альтернативных системах охлаждения и пойдет речь в этой статье.

Современные компоненты компьютеров, такие как процессоры, чипсеты, видеокарты и даже модули памяти, становятся с каждым годом все более быстродействующими. Рост тактовой частоты и напряжения неизбежно приводит к увеличению потребляемой мощности и, как следствие, налагает жесткие требования к охлаждению этих устройств.

К примеру, современный процессор Intel Pentium 4 c тактовой частотой 2,8 ГГц потребляет мощность приблизительно в 70 Вт. Если не принять мер по рассеиванию выделяемого процессором тепла, то в результате неизбежного перегрева процессор просто не сможет работать.

Традиционно в качестве теплоотводящих устройств для процессоров используются так называемые кулеры, состоящие из радиатора и вентилятора. Однако воздушные кулеры уже сейчас практически исчерпали свои возможности, и для процессоров следующего поколения их использование может оказаться неприемлемым. Это заставляет производителей искать новые альтернативные подходы к системе охлаждения. Оставив в стороне такие экзотические системы охлаждения, как криогенные установки с жидким азотом, системы водяного охлаждения и системы, основанные на элементах Пельтье, остановимся на системах охлаждения, основанных на эффекте тепловой трубы.

Собственно, сам термин «тепловая труба» (Heat Pipe) далеко не новый. Впервые идея использования тепловой трубы в качестве устройства с высокой теплопроводностью была предложена Голгером еще в 1942 году, однако такие трубы в радиаторах процессоров пока еще распространены мало.

Итак, остановимся прежде всего 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 (герметизуют).

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 вам, наверное, 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. Для того 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 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 десятков лет 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 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 капиллярный пористый 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 теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты 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 удовлетворять определенным условиям. 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 обладать высокой теплопроводностью, 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.

Итак, после столь утомительного описания принципа действия тепловых трубок перейдем к основанным на нем системам охлаждения.

Как уже отмечалось, компания THERMACORE представляет широкий спектр систем охлаждения для процессоров и прочих электронных компонентов. Одним из таких устройств является Therma-Sink, или термопоглотитель.

Термопоглотитель основан на эффекте тепловых труб (Heat Pipe) и может использоваться для охлаждения процессоров серверов и рабочих станций. В приведенном на рисунке выше- термопоглотителе используются три тепловые трубы, которые соединяются в зоне парообразования и объединяются единым радиатором в зоне образования конденсата. Этот термопоглотитель имеет термосопротивление 0,35 °С/Вт при рассеиваемой мощности 90 Вт и скорости воздушного потока 2 м/с.

Впрочем, коль скоро речь заходит о конкретных цифрах и физических величинах, характеризующих радиатор, необходимо сделать небольшое отступление.

Для сравнения любых теплоотводящих устройств необходимо ввести количественную характеристику, определяющую эффективность теплоотвода. Такой характеристикой является тепловое сопротивление, которое определяется из закона Фурье. Согласно закону Фурье величина теплового потока q, то есть количество теплоты, передаваемое за единицу времени через поверхность, расположенную перпендикулярно к оси распространения тепла z, прямо пропорциональна площади этой поверхности S и градиенту температур в направлении z:

.

Возможно, данная формула, в которой присутствует производная, может показаться довольно сложной, но на самом деле все очень просто. Чем больше рассматриваемая поверхность, тем больше тепла проходит через нее в единицу времени. Кроме того, скорость теплоотдачи зависит от разницы температур между зоной нагрева и зоной, в которой фиксируется количество выделяемой теплоты. Эта разница и определяет так называемый градиент температуры . Поскольку тепло всегда передается в сторону уменьшения температуры, в формуле стоит знак «минус».

Коэффициент прямой пропорциональности k в этой формуле называется коэффициентом теплопроводности. Этот коэффициент является характеристикой теплоотводящей системы, так как отражает способность системы проводить тепло, и измеряется в . В принципе, в качестве численной характеристики для сравнения теплоотводящих систем можно было бы использовать коэффициент теплопроводности, однако на практике используют другую величину, называемую термосопротивлением. Термосопротивление связано с коэффициентом теплопроводности соотношением: , то есть термосопротивление является обратным коэффициентом теплопроводности. Используя термосопротивление, закон Фурье можно переписать в виде:

.

При такой форме записи становится понятным смысл названия введенной величины: тепловой поток через поверхность S прямо пропорционален площади поверхности и градиенту температуры и обратно пропорционален термосопротивлению.

Термосопротивление измеряется в и показывает, насколько изменится температура радиатора при рассеивании в нем мощности в 1 Вт.

Впрочем, введенная нами характеристика термосопротивления — это еще не совсем то, что нужно. В технике принято измерять термосопротивление в несколько иных единицах, а именно в . При таком определении термосопротивление уже зависит от пройденного теплом пути и определяется формулой:

,

где W — количество теплоты, рассеиваемое в единицу времени через единичную поверхность.

Ну вот и все. На этом с формулами можно закончить, так как все необходимые величины мы уж определили. Отметим только, что для воздушных кулеров термосопортивление редко бывает выше 0,4 °С/Вт. В этом смысле устройство Therma-Sink эффективнее, чем традиционные кулеры, состоящие из радиаторов с вентиляторами.

Другим примером термопоглотителя с использованием тепловых трубок является кулер для процессора Intel Xeon, разработанный компанией THERMACORE .

В этом кулере используются две тепловые трубки и радиатор. Такой кулер рассчитан на теплоотвод в 50 Вт с рабочим диапазоном температур от 20 до 60 °С. Кулер нормально функционирует при минимальной скорости потока воздуха 2 м/с. Максимальная температура воздуха внутри корпуса сервера не должна быть больше 55 °С. В этих условиях термосопротивление кулера будет составлять 0,45 °С/Вт, то есть будет аналогично тому, на что способны кулеры с вентиляторами.

Для мощных серверов предлагается термопоглотитель несколько иного дизайна.

Собранный на основе трех тепловых трубок и с мощным рассеивающим радиатором, этот термопоглотитель рассеивает мощность в 90 Вт в рабочем диапазоне температур от 15 до 55 °С. При скорости воздушного потока в 0,9 м/с этот термопоглотитель обладает термосопротивлением в 0,28 °С/Вт.

Другой разновидностью радиаторов с использованием тепловых трубок являются так называемые термобашни (Therma-Tower). В них используется одна тепловая трубка и многослойный радиатор.

Термобашня предназначена для работы в вертикальном положении и может использоваться в серверах с соответствующей толщиной корпуса.

Такая конструкция термобашни позволяет рассеивать 110 Вт и обладает термосопротивлением 0,295 °С/Вт при скорости теплового потока 2 м/с.

Еще одной интересной конструкцией радиатора с тепловыми трубками является радиатор Therma-Base. По своему внешнему виду он мало отличается от обычных радиаторов, однако за счет использования нескольких горизонтально расположенных тепловых трубок и тепловых полостей он значительно эффективнее традиционных цельных радиаторов.

По конструкции радиаторы Therma-Base бывают двух типов. В первом типе несколько тепловых трубок встраиваются в подложку радиатора, соприкасающуюся с поверхностью процессора. Во втором случае вместо нескольких трубок делается целая тепловая полость, принцип действия которой аналогичен принципу действия тепловой трубки. При таком подходе важно, чтобы размер всего радиатора был больше размера нагревательного элемента, а сам нагревательный элемент размещался по центру подложки радиатора. В этом случае образующийся в зоне нагрева пар поступает в горизонтальном направлении во все стороны и, достигнув зоны конденсации, возвращается по капиллярной структуре обратно.

Для сравнения эффективности теплоотвода обычного цельного радиатора и радиатора Therma-Base  показано распределение температуры в обоих случаях.

Кроме теплоотводящих систем без использования вентиляторов, компания THERMACORE предлагает также кулеры с вентиляторами, которые, в отличие от традиционных, используют все тот же эффект тепловых труб. Примером такого кулера может служить Therma-Vent для процессора Intel Pentium 4 на основе алюминиевого радиатора.

Радиатор этого кулера построен по такому же принципу, что и Therma-Base, то есть использует тепловую полость. Такой кулер весит всего 191 г и обладает термосопротивлением 0,338 °С/Вт.

 Сергей Пахомов

Реквизиты для контактов