Системы охлаждения: экспансия продолжается

Уже давно прошли времена, когда единственным принудительно охлаждаемым компонентом настольных компьютеров был блок питания. Рост тактовой частоты и увеличение степени интеграции микросхем повлекли за собой значительное увеличение рассеиваемой мощности и вызвали необходимость применения систем принудительного охлаждения. Сегодня системы охлаждения компьютерных компонентов фактически представляют собой отдельный сегмент рынка, где работают несколько десятков производителей.

Первым элементом (разумеется, за исключением блока питания), потребовавшим использования принудительного охлаждения, стал центральный процессор. Системы охлаждения процессоров постепенно эволюционировали от небольших пассивных радиаторов в сторону сложных систем, состоящих из большого радиатора и одного или нескольких высокоскоростных вентиляторов. Появление графических акселераторов, оснащенных мощными процессорами (многие из которых по своей производительности сравнимы с центральным процессором компьютера, а то и превосходят его), привело к появлению систем охлаждения и на видеокартах. Поначалу это были небольшие пассивные радиаторы, затем их размеры постепенно увеличивались и в конце концов на них начали устанавливать вентиляторы. Для стабильной работы многих современных видеоакселераторов требуется охлаждение не только графического процессора, но и установленной на них памяти.

В последнее время нередко можно увидеть радиаторы (иногда дополненные вентиляторами) и на материнских платах: обычно их устанавливают на микросхему северного моста, ведающего обслуживанием высокоскоростных устройств. Горячими в прямом смысле этого слова являются и модули высокопроизводительной DDR-памяти, многие из которых уже на стадии сборки оснащают теплоотводящими пластинами.

Компания ThermalTake, являющаяся одним из ведущих производителей кулеров, уже освоила выпуск активных (то есть оснащенных вентиляторами) кулеров для модулей памяти.

В общем, количество источников тепла внутри корпуса увеличивается, что заставляет подходить к проблеме охлаждения более тщательно. Связано это прежде всего с тем, что в подавляющем большинстве современных компьютеров применяются системы воздушного охлаждения. Чем больше горячих компонентов находится внутри корпуса, тем сильнее нагревается находящийся в нем воздух. А это, в свою очередь, снижает эффективность работы каждого отдельно взятого кулера. Для поддержания стабильного температурного режима необходимо довольно быстро обновлять воздух внутри корпуса. К сожалению, штатный вентилятор блока питания уже не способен справиться с этой задачей в современных условиях, поэтому для лучшего охлаждения системы внутри корпуса устанавливают один или два дополнительных вентилятора. В последнем случае один вентилятор выдувает нагретый воздух наружу, а другой нагнетает холодный «забортный» воздух внутрь корпуса. Таким образом, проблема охлаждения отдельных компонентов, существовавшая раньше, теперь переросла в комплексную проблему охлаждения компьютерных систем в целом.

Тем не менее, несмотря на имеющиеся проблемы, системы воздушного охлаждения пока остаются наиболее распространенным решением и, видимо, еще довольно долго будут удерживать свои позиции. При всех своих недостатках они обладают весьма важным преимуществом перед имеющимися сегодня альтернативными решениями — гораздо более низкой ценой. Именно поэтому начнем с рассмотрения именно систем воздушного охлаждения.

Воздушное охлаждение

Большинство современных систем охлаждения основывается на конвекционном принципе, то есть на передаче тепловой энергии движущемуся вдоль поверхности охлаждающего элемента (радиатора) газу или жидкости. Поскольку скорость естественной конвекции невелика (особенно при использовании воздуха), то для повышения эффективности такой системы можно прибегнуть к принудительному нагнетанию воздуха вдоль поверхности радиатора — для этого используется вентилятор.

Как уже было упомянуто выше, системы воздушного охлаждения на сегодняшний день являются наиболее распространенным решением, в первую очередь благодаря простоте устройства и доступной цене. В продаже имеется множество самых разнообразных решений — как готовых кулеров, так и отдельных компонентов: вентиляторов, радиаторов, теплопроводящих паст и т.д.

При выборе того или иного решения воздушного охлаждения главной задачей является достижение максимальной эффективности, иными словами — минимально возможной рабочей температуры компонента. Повышения эффективности системы воздушного охлаждения можно добиться двумя способами: увеличением площади рассеяния радиатора и использованием более производительного вентилятора. Существует, правда, еще один вариант решения этой проблемы, заключающийся в использовании радиатора со специальной конструкцией ребер, которые обеспечивают минимальное сопротивление проходящему через них воздушному потоку и не создают турбуленцию.

Остановимся на конструктивных особенностях каждого из компонентов подробнее.

Радиаторы

Материал, используемый для изготовления радиатора, должен обладать хорошей теплопроводностью, чтобы с максимальной эффективностью передавать тепловую энергию от площадки контакта с охлаждаемым компонентом к внешней поверхности радиатора. Следует отметить, что площадка радиатора, контактирующая с поверхностью охлаждаемого компонента, должна быть очень плоской и ровной. Однако даже в том случае, когда на радиаторе удается изготовить идеально ровную и гладкую площадку, возможно образование тонкого воздушного слоя между площадкой и поверхностью охлаждаемого элемента. Поскольку теплопроводность воздуха гораздо ниже, чем материала, из которого изготовлен радиатор, то эффективность охлаждающей системы в этом случае может значительно снизиться. По этой причине для заполнения пространства между охлаждаемым элементом и радиатором необходимо использовать специальные материалы, например термопасту.

Большинство современных радиаторов изготовлено из алюминиевых сплавов .

 Это объясняется тем, что данные материалы обладают низкой стоимостью, хорошей теплопроводностью и отличными механическими характеристиками. Обычно чистые металлы обладают лучшей теплопроводностью, чем сплавы, но в отношении алюминия применение сплавов объясняется лучшими механическими свойствами последних.

Многим может показаться довольно странным относительно небольшое количество выпускаемых сегодня медных радиаторов — ведь известно, что теплопроводность меди почти вдвое выше, чем у алюминия. Однако нужно учитывать, что эффективность того или иного радиатора зависит не только от теплопроводности материала, из которого он изготовлен. Поэтому совсем не обязательно, что изготовленный из меди радиатор

будет в два раза эффективнее алюминиевого. Вследствие этого использование значительно более дорогой меди не всегда является оправданным, особенно если учесть присущие данному материалу недостатки — в частности большую удельную плотность (а значит, и вес готового изделия) и меньшую прочность. Кроме того, медь плохо поддается выпрессовке — наиболее распространенной сегодня технология изготовления радиаторов. Можно встретить и радиаторы, при изготовлении которых используются оба упомянутых материала — и медь, и алюминий, причем обычно из меди изготавливается основа, контактирующая с охлаждающим элементом, а из алюминия — рассеивающие ребра.

Помимо используемых материалов, важным моментом, определяющим свойства радиаторов, является технология их изготовления. В настоящее время используется довольно много различных технологических решений; ниже приведены описания лишь наиболее распространенных:

• Выпрессовка — одна из самых популярных в настоящее время технологий.

• Выпрессовка отличается низкой себестоимостью и обеспечивает весьма эффективную структуру ребер радиатора. В процессе производства расплавленный алюминий (или его сплав) выдавливается через специальную форму, имеющую отверстие в виде профиля будущего радиатора. Полученную заготовку охлаждают, а затем разрезают на куски, соответствующие размерам радиатора. Нужно отметить, что использование этой технологии накладывает некоторые ограничения на возможные конфигурации ребер радиатора.
• Изогнутые ребра — ребра радиатора изготавливаются из многократно согнутой тонкой металлической пластины, прикрепляемой к более массивному основанию.

Преимуществом таких радиаторов является наличие больших внутренних полостей, обширная площадь поверхности и минимальное сопротивление проходящему сквозь него воздушному потоку. С помощью этой технологии можно создавать очень легкие, компактные и эффективные радиаторы. Недостатком является довольно высокая себестоимость таких изделий, и именно по этой причине радиаторы по данной технологии изготовляют всего несколько производителей.

• Прикрепляемые ребра — эта технология очень похожа на предыдущую, с той лишь разницей, что прикрепляемые к основанию радиатора ребра изготовлены не из одной, а из отдельных пластин.

• Литье — данная технология предоставляет наибольшую свободу творчества для конструкторов и позволяет изготовлять ребра самых разнообразных конфигураций, в том числе и неосуществимых при использовании выпрессовки.

 Правда, ребра литых радиаторов обычно обладают невысокой эффективностью.

• Холодная ковка — этот довольно редкий способ заслуживает, однако, упоминания хотя бы потому, что именно такая технология используется при изготовлении радиаторов популярных кулеров Alpha.

Стоит отметить, что эта технология хорошо подходит для изготовления радиаторов с большим количеством небольших ребер.

Завершая рассмотрение радиаторов, остановимся на еще одной проблеме — цвете. Из курса физики известно, что черное тело рассеивает тепло наиболее эффективно. Значит ли это, что самые эффективные радиаторы обязательно должны быть черными? Вовсе нет. Дело в том, что при использовании принудительной конвекции (проще говоря, при установке вентилятора) цвет радиатора несущественен. При сравнении двух одинаковых радиаторов, окрашенных в разные цвета, результаты различаются очень незначительно. Поэтому основная причина, по которой производители применяют анодирование, — это просто улучшение внешнего вида изделий. Сегодня вы можете встретить в продаже радиаторы различных цветов: черного, серебристого, голубого, зеленого, золотого и пр., однако это не оказывает сколь-нибудь существенного влияния на их производительность.

Вентиляторы

Большинство современных кулеров оснащаются вентиляторами, от характеристик которых зависит эффективность охлаждения. В настоящее время выпускаются два вида вентиляторов, различающихся типом установленных в них подшипников.

Подшипники трения (sleeve bearing) обычно применяются в недорогих изделиях и не отличаются высокой надежностью. Их устройство предельно просто: обычно это небольшая втулка, изготовленная из пористого материала и пропитанная специальной смазкой. Внутри втулки вращается вал электродвигателя, приводящего в движение вентилятор.

Подшипники качения (ball bearing) гораздо дороже и иногда более шумные, чем подшипники трения, но отличаются от последних гораздо более высокой надежностью. Они имеют гораздо более сложное внутреннее устройство и состоят из двух металлических колец (обойм), между которыми по специально сделанному углублению катятся небольшие шарики, отделенные друг от друга сепаратором.

Необходимо иметь в виду, что надпись «Ball bearing» на коробке с вентилятором не всегда означает использование в его конструкции только подшипников качения. В большинстве небольших вентиляторов (с диаметром крыльчатки до 50 мм) обычно используется один подшипник трения и один подшипник качения. В вентиляторах больших размеров могут использоваться два подшипника качения, что обычно отмечается надписями «Two ball» или «Dual ball bearing» на упаковке.

Если вы приобретаете вентилятор или кулер самостоятельно, лучше отдать предпочтение модели с подшипниками качения, даже если она будет намного дороже. Дело в том, что большинство подшипников трения выходит из строя примерно через полгода эксплуатации. Справедливости ради стоит отметить, что в последнее время некоторые производители начали использовать в своих изделиях высококачественные подшипники трения с тефлоновым покрытием, срок службы которых значительно больше, чем у традиционных. Правда, и стоят они дороже.

Наиболее распространенная единица измерения производительности вентиляторов — CFM (Cubic Feet per Minute), то есть количество кубических футов воздуха, перекачиваемых вентилятором за одну минуту. Можно использовать (хотя это и менее удобно) и метрическую единицу — м³/мин (кубометров в минуту). Вентиляторы с размерностью 50×10 мм (первая цифра — диаметр крыльчатки вентилятора, вторая — ее толщина вдоль оси вращения) обычно позволяют достичь показателей порядка 10 CFM, для вентиляторов размерностью 60×25 мм нормальные показатели лежат в пределах от 20 до 30 CFM, а для больших вентиляторов 80×25 мм — от 30 до 40 CFM. Производительность используемых в некоторых корпусах 120-миллиметровых вентиляторов может превышать 100 CFM.

При выборе кулера стоит обратить внимание на вибрации — у хорошего вентилятора их быть не должно. Если взять незакрепленный работающий вентилятор в руку, то не должно ощущаться заметных вибраций, в противном случае лучше не приобретать данную модель.

Мощный воздушный поток, нагнетаемый вентилятором, создает много шума — это неизбежное зло воздушных систем охлаждения. И даже очень качественный кулер может быть очень шумным. Однако следует отметить, что чаще всего шум создается именно воздушным потоком, а не электродвигателем вентилятора. Разумеется, полностью устранить этот шум невозможно, но можно попробовать его минимизировать. Например, при равной производительности вентилятор большего диаметра, вращающийся с меньшей скоростью, создает меньше шума, чем маленький вентилятор, работающий на высоких оборотах. Так что, в конечном счете, выбор вентилятора — это поиск компромисса между производительностью и низким уровнем шума.

Теплопроводные материалы

Как уже было сказано выше, для заполнения пространства между поверхностью охлаждающего компонента и контактной площадкой радиатора используются специальные теплопроводные материалы — так называемые тепловые интерфейсы. В настоящее время наибольшее распространение получили специальные пластичные смеси — термопасты. Однако, поскольку использование термопаст связано с определенными проблемами (в частности, с довольно трудоемким процессом ее нанесения), многие производители радиаторов комплектуют свои изделия специальной прокладкой, используемой вместо термопасты. Недорогие модели радиаторов обычно снабжаются графитовыми прокладками, имеющими характерный серебристо-серый цвет. Для такого решения характерна низкая себестоимость и простота установки, но меньшая эффективность по сравнению с термопастами. Тем не менее стоит отметить, что наличие графитовой прокладки хотя и ненамного, но все же улучшает эффективность установленного с ней радиатора. Для элементов, рассеивающих относительно небольшую тепловую мощность, выпускаются термопрокладки с самоклеящимися поверхностями, которые заодно используются для закрепления радиатора.

Но вернемся к термопастам. Одной из важнейших характеристик термопаст является тепловая проводимость², измеряемая в ваттах на метр-кельвин (Вт/м•К, W/m•K). Чем выше этот показатель, тем эффективнее данная паста. Вполне понятно, что чем больше тепла выделяет нагревающийся компонент, тем более высокой должна быть тепловая проводимость применяемой пасты. Стоит также учитывать, что тепловая проводимость изменяется в зависимости от того, какие пары материалов контактируют между собой. Например, при контакте двух металлических поверхностей она будет выше, чем в случае контакта керамической и металлической поверхностей. Из этого следует, что при охлаждении компонента с керамической поверхностью использование термопасты более важно.

Что касается химического состава современных термопаст, то наиболее недорогие и широко распространенные из них изготавливают на основе силикона. Поскольку чистый силикон имеет невысокую теплопроводность, его смешивают с оксидом цинка. Кстати, именно это вещество придает смеси белый цвет. Более эффективные термопасты обычно изготавливают без использования силикона: в качестве основного наполнителя в них добавляют нитрид или оксид алюминия, а также нитрид бора; пластичность смеси обеспечивают входящие в ее состав специальные синтетические масла.

Относительно недавно появились очень эффективные пасты, изготовленные на основе измельченного серебра. Как известно, этот материал обладает очень высокой тепловой проводимостью; правда, оборотной стороной медали является его довольно высокая цена. В качестве наиболее характерного примера можно привести Arctic Silver 3 : более 70% ее удельного веса составляют микрочастицы серебра очень высокой чистоты (99,9%), измельченного по специальной технологии. Помимо серебра в состав Arctic Silver 3 входит нитрид бора и полисинтетические масла.

Тепловая проводимость паст на силиконовой основе лежит в пределах от 0,7 до 0,9 Вт/м•К. Аналогичный показатель более качественных паст, изготовленных без применения силикона, может достигать 2-3 Вт/м•К и более. Что касается серебросодержащих термопаст, то их тепловая проводимость на порядок выше силиконосодержащих смесей: например, у упомянутой выше Arctic Silver 3 данный показатель превышает 9 Вт/м•К.

Помимо тепловой проводимости, важными характеристиками термопасты являются ее пластичность и стабильность. Очень важно правильно определить оптимальный состав смеси: с одной стороны, она не должна быть слишком жидкой, чтобы избежать ее вытекания из-под радиатора, а с другой — должна быть достаточно мягкой, чтобы наилучшим образом заполнить микрорельеф на контактирующих поверхностях. При этом состав пасты должен сохранять свои пластичные свойства на протяжении всего срока эксплуатации — в противном случае (если, например, смесь начнет засыхать) ее тепловая проводимость резко снизится. Многие современные высококачественные пасты обладают изменяемыми свойствами: первоначально они обладают некоторым избытком пластичности (это позволяет наилучшим образом заполнить микрорельеф поверхностей контактных площадок радиатора и охлаждаемого компонента), а через 50-200 часов работы становятся чуть менее пластичными, обеспечивая оптимальную тепловую проводимость.

Дополнительная вентиляция корпуса

Поскольку сегодня внутри компьютера имеется сразу несколько мощных источников тепла, то организацию воздушного охлаждения следует рассматривать как комплексную проблему. Дело в том, что воздух, находящийся внутри корпуса, постепенно нагревается, что, в свою очередь, приводит к снижению эффективности охлаждения каждого отдельно взятого компонента. Конечно, можно попытаться решить данную проблему локально, установив в каждом из радиаторов температурный датчик, связанный с управляющим устройством, которое с ростом температуры будет автоматически повышать частоту вращения соответствующего вентилятора. Однако следует учитывать, что, во-первых, любой вентилятор имеет предел производительности, а во-вторых, повышение частоты вращения приведет к увеличению шума. Для того чтобы решать проблему наиболее эффективно, необходимо бороться не со следствием, а с причиной — обеспечить отвод нагретого воздуха за пределы корпуса и нагнетание холодного воздуха извне с определенной скоростью.

Любой современный настольный компьютер оснащается хотя бы одним вентилятором, установленным в блоке питания. В корпусах АТХ возможны два варианта расположения вентилятора блока питания: либо воздух, проходящий через корпус и блок питания, выдувается наружу, либо вентилятор нагнетает воздух, поступающий снаружи и проходящий через блок питания, внутрь корпуса (обычно в том направлении, где расположен центральный процессор). Следует отметить, что последний вариант был рассчитан на использование пассивных радиаторов на центральном процессоре и совершенно неприемлем для мощных систем. Так что при выборе корпуса предпочтение лучше отдать моделям, у которых вентилятор блока питания выдувает воздух наружу. Однако сегодня в большинстве случаев штатный вентилятор не может обеспечить требуемую скорость обновления воздуха внутри корпуса. Следовательно, возникает потребность в установке дополнительных вентиляторов внутри корпуса. Каким же образом следует их разместить, чтобы добиться оптимального результата?

К сожалению, дать универсальный рецепт нельзя — очень много зависит от конструктивных особенностей имеющейся в вашем распоряжении модели корпуса, в частности от его топологии и наличия крепежных отверстий либо фиксаторов для установки дополнительных вентиляторов. Тем не менее можно привести общее правило: оба вентилятора должны дуть в одном и том же направлении. Здесь возможны две основные схемы: дополнительный вентилятор либо выдувает горячий воздух со стороны задней стенки корпуса, либо нагнетает холодный воздух извне со стороны передней стенки.

 Если же изменить направление вращения дополнительного вентилятора, то в первом варианте получится «воздушное короткое замыкание» (воздух будет циркулировать по короткому пути, охватывающему лишь малую часть корпуса), а во втором вентиляторы будут мешать друг другу, создавая пониженное давление внутри корпуса .

Элементы Пельтье

Элементы Пельтье, иногда также называемые термоэлектрическими кулерами или тепловыми насосами, получили свое название по имени Жана Пельтье — французского физика и первооткрывателя этого эффекта. Суть эффекта Пельтье заключается в том, что при прохождении электрического тока через границу двух проводников, изготовленных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Количество выделяемого или поглощаемого тепла зависит от материалов, из которых изготовлены проводники, а также от силы протекающего по ним тока.

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется при использовании полупроводников p- и n-типов.

 Объединение большого количества пар полупроводников, соединенных последовательно и размещенных в одном корпусе, позволяет создавать достаточно мощные охлаждающие элементы.

 Одна сторона такого элемента будет холодной, а другая — горячей; при изменении полярности питающего напряжения стороны меняются местами. Современная технология позволяет создавать элементы Пельтье, обеспечивающие разность температур между холодной и горячей стороной порядка 40-50 °С. Для повышения производительности несколько элементов Пельтье можно собрать на манер вафли, присоединяя горячую сторону одного к холодной стороне другого.

Разумеется, сам по себе элемент Пельтье

 может обеспечить только отвод тепла от нагревающегося компонента. Чтобы эффективно рассеивать это тепло, необходимо устанавливать на горячую сторону элемента довольно мощный кулер. Таким образом, элемент Пельтье является своеобразной прослойкой, устанавливаемой между нагревающимся компонентом и основанием радиатора. При выборе кулера стоит учитывать, что помимо тепла, отводимого от охлаждаемого элемента, модуль Пельтье и сам выделяет довольно большое количество тепла.

Следует отметить, что использование элемента Пельтье хотя и дает определенный выигрыш, позволяя понизить рабочую температуру охлаждаемого компонента, но влечет за собой целый ряд проблем. Во-первых, элементы Пельтье потребляют довольно большой ток, и надо заранее позаботиться об установке блока питания необходимой мощности. Во-вторых, сам по себе элемент Пельтье обладает низкой тепловой проводимостью и в случае выхода его из строя существует вполне реальный риск перегрева компонента, на котором он установлен. В-третьих, при снижении температуры (например, при переходе системы в режим Standby) на холодной стороне элемента Пельтье может образоваться конденсат (думаю, вполне понятно, чем грозит появление влаги внутри работающего компьютера).

В общем, на сегодняшний день элементы Пельтье скорее можно отнести к разряду экзотики, ориентированной прежде всего на любителей экстремального разгона.

Реквизиты для контактов