Chłodzenie mikroprocesorów

Wprowadzenie Dobre i sprawne chłodzenie procesorów jest bardzo ważne ponieważ procesor pracując, bardzo szybko się nagrzewa dla tego im leprze chłodzenie tym procesor wydajniej może pracować. Druga sprawa o której użytkownicy komputerów powinni pamiętać to ustawienie komputera w przewiewnym miejscu żeby wiatrak komputera mógł odprowadzać ciepło na zewnątrz obudowy komputera. Bo sprawna wentylacja komputera jest kluczowym aspektem w chłodzeniu procesora i innych komponentów komputera. Wyróżniamy trzy metody chłodzenia: pasywne, aktywne i cieczą.

Możemy wyróżnić kilka rodzajów chłodzeń -rurki cieplne, -chłodzenie wodne, -ogniwo Peltiera, -chłodzenie freonem, -chłodzenie suchym lodem, -chłodzenie ciekłym azotem,

Chłodzenie pasywne – jest pierwszym stosowanym sposobem ułatwiającym wymianę ciepła poprzez zwiększenie powierzchni wymiany jest radiator. Radiator montuje się na powierzchni procesora za pomocą specjalnej pasty termoprzewodzącej i przy pomocy zatrzasków, które się zapinają na zaczepach gniazda Socket. Chłodzenie pasywne

Rezystancja termiczna Rezystancja między złączem (ang. junction) a otoczeniem, (ang. ambient). Oznacza się ją Rthja (junction – ambience). Sens jest prosty: rezystancja cieplna pokazuje, Jaka będzie różnica temperatur z obu stron danego elementu, przy przepływie przezeń 1W mocy cieplnej. Jeśli powiedzmy przez rezystancję termiczną tranzystora (między złączem a otoczeniem) przepływa 5W mocy cieplnej, a rezystancja termiczna wynosi 20°C/W, to różnica temperatur wyniesie 100°C. Czyli złącze będzie cieplejsze od otoczenia o 100°C. W dużym uproszczeniu można powiedzieć jak bardzo utrudniony jest przepływ Ciepła. Rezystancja termiczna, jednostką jest ° C/W lub K/W Różnica pomiędzy temperaturą złącza a temperaturą otoczenia

Całkowita rezystancja Rthja między złączem a otoczeniem będzie składać się z trzech oddzielnych rezystancji cieplnych: – Rthjc (złącze−obudowa) – Rthcr (obudowa−radiator) – Rthra (radiator−otoczenie)

Zadanie Sprawdź, czy procesor o parametrach (Ptot=125W, Rthjc=1K/W Tjmax=+150°C) może rozproszyć do otoczenia moc 80W z radiatorem o Rthra=1,5K/W, w temperaturze otoczenia +50°C przy użyciu smaru silikonowego (Rthcr=0,15K/W). Liczymy Rthja = Rthjc + Rthcr + Rthra Rthja=1K/W+0,15K/W+1,5K/W=2,6K/W Przy mocy 80W wzrost temperatury złącza wyniesie: ∆T = Rth*P ∆T=80×2,56=212°C Temperatura złącza wyniosłaby więc Tj=∆T + Ta = 212°C + 50°C = +262°C procesor w żadnym wypadku nie może pracować w takich warunkach.

chłodzenie aktywne - w tym sposobie chłodzenia wykorzystuje się radiator z wentylatorem. obracający się wentylator wymusza większy przepływ powietrza. Wentylatory są przykręcane na powierzchni radiatora. Chłodzenie aktywne

CPU_FAN – złącze do podłączenia wentylatora Chłodzenie aktywne

Pasta termoprzewodząca Przewodnictwo cieplne między rdzeniem a radiatorem poprawia się dodatkowo za pomocą pasty przewodzącej, która znacznie usprawnia wymianę ciepła.

Testy past

Rurki cieplne - heat pipe Układ miedzianych lub aluminiowych rurek wypełnionych specjalną cieczą. Pod wpływem ciepła ciecz paruje przemieszczając się do zimniejszego fragmentu rurki, tam skrapla się oddając ciepła przez radiator, a następnie pod wpływem grawitacji spływa ponownie do ciepłej części rurki.

Całość działa na zasadzie pompy cieplnej. Jeden koniec rurki zazwyczaj jest przymocowany do procesora, który ma za zadanie odebrać ciepło z grzejącego się elementu i przekazać je rurce. Ta, nagrzewając się na jednym końcu, powoduje ogrzanie, a następnie parowanie wewnątrz umieszczonej cieczy. Pod wpływem ciśnienia i rozszerzalności przemieszcza się ona w stronę drugiego końca rurki, który zazwyczaj jest zaopatrzony w specjalny radiator, który ma za zadanie schłodzić ten koniec, gdzie para oddając ciepło skrapla się i wraca z powrotem do ciepłego końca (pod wpływem grawitacji bądź efektu kapilarnego). Rurki cieplne - heat pipe

Wzdłuż długości rurki wyróżnia się trzy charakterystyczne strefy: – pierwsza do której dostarczane jest ciepło powodujące odparowanie cieczy, –druga (adiabatyczna) w której odbywa się transport ciepła bez wymiany z otoczeniem, –trzecia w której ciepło oddawane jest na zewnątrz a para w rurce ulega skropleniu. Rurki cieplne - heat pipe

Heat Pipe mają mniejszą wydajność cieplną niż metale takie jak srebro lub złoto. Powodem tego jest fakt, że w ich przypadku mamy do czynienia z dwufazowym przenikaniem (transportem) ciepła (ciało które chłodzimy -> miedziana rurka -> ciecz -> miedziana rurka -> radiator). Dla przykładu - rurka Heat Pipe o długości 10 cm ma wydajność około 100 W. Natomiast, dla tej samej wydajności sama miedziana rurka musiałaby mieć długość 3x większą! Wydajność rurki ciepła zależy od zastosowanej cieczy i długości rurki. Rurki cieplne - heat pipe

Rurki ciepła w płycie głównej

Chłodzenie wodne chłodzenie wodne – składa się z pompki wodnej, pojemnika na płyn, wymiennika ciepła i zestawu rurek i złączek (układ może chłodzić zarówno procesor, kartę graficzną, mostki itp.). Wadą jest podatność na korozję oraz możliwość zalania komputera. Płyny jakie się stosuje nie przewodzą prądu elektrycznego. Wylanie jest rzadkością.

Pompa Pompa, tak jak serce człowieka pompuje płyn i zapewnia jego ciągłe krążenie. Wybór tego elementu jest bardzo ważny, gdyż zainstalowanie słabej, mało wydajnej pompki w rozbudowanym układzie może spowodować trudności lub całkowite uniemożliwienie wprawienia cieczy w ruch. Nie warto również kupować pompki na wyrost, czyli takiej, która bez problemu poradzi sobie z układem nawet trzy razy bardziej rozbudowanym od naszego. Taka pompka jest często dużo głośniejsza.

Płyn do chłodzenia

Bloki Bloki na procesor i kartę graficzną. Można również stosować bloki na pamięci RAM czy mostki południowy i północny.

Złączki i węże

Chłodnica – odprowadza ciepło

Rezerwuar Rezerwuar to jeden z nieobowiązkowych elementów układu. Służy za zbiornik wyrównawczy, sprawia, że początkowe napełnianie układu, uruchamianie go, jak również późniejsze uzupełnianie płynu będą znacznie łatwiejsze oraz mniej stresujące. Rezerwuar zapewni bowiem stały dopływ cieczy do pompki (o ile wcześniej zostanie napełniony ;)), co wyeliminuje na przykład ryzyko jej zatarcia.

Rodzaje układów chłodzenia Układ otwarty Układ zamknięty Układ z trójnikiem zamiast rezerwuaru

Prosty układ chłodzenia

Rozbudowany układ chłodzenia

Chłodzenie wodne

Chłodzenie freonem Kompresor – zapewnia sprężenie gazu do takiego ciśnienia, aby uległ on skropleniu w skraplaczu.– im mniejsze ciśnienie ssania, tym mniejsza temperatura w parowniku, Odciążnik cieplny – oddaje tzw. „pierwsze ciepło” oraz redukuje drgania układu wywołane pracą kompresora. Zazwyczaj jest to kilka zwojów spiralnie zwiniętej miedzianej rurki o wewnętrznej średnicy 6 mm Skraplacz – intensywnie chłodzony powietrzem element, w którym skrapla się nagrzany na skutek sprężenia gaz. Dobór właściwej mocy skraplacza jest elementem decydującym o poprawnej pracy całego układu Filtr – wyłapuje różne „ciała obce”, które mogły się do niego przedostać oraz usuwa wilgoć. Kapilara – jest to rurka miedziana z wewnętrznym otworem o średnicy około 0,8 mm. Pełni rolę zaworu rozprężającego, wywołując różnicę ciśnienia, dzięki czemu skroplony gaz rozpręża się w parowniku. Parownik – zapewnia odbiór ciepła z procesora, zazwyczaj jest wykonany z miedzi, Odsysacz –wykonana ze stali nierdzewnej elastyczna rurka, z wlutowanymi końcówkami z rurki miedzianej, umożliwiająca swobodną manipulację parownikiem

Chłodzenie ogniwem Peltiera Wykorzystuje się zasadę, że na złączu dwóch różnych metali przy przepływie prądu w określonym kierunku wydziela się ciepło, a przy przepływie prądu w odwrotnym kierunku złącze pochłania ciepło. Jak się łatwo domyślić, ilość wydzielanego lub pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu; zależy także od zastosowanych materiałów. W przypadku złącza wykonanego z dwóch różnych metali ta ilość ciepła jest bardzo mała, dlatego w Praktycznych zastosowaniach wykorzystuje się inne materiały. Aby zwiększyć moc cieplną trzeba albo radykalnie zwiększać natężenie prądu, albo zastosować większą ilość takich ogniw. W praktyce stosuje się właśnie połączenie większej liczby elementarnych ogniw. Moduł Peltiera jest tylko pompą cieplną transportującą ciepło w kierunku zależnym od kierunku prądu.

Skutkiem ubocznym wydajnego chłodzenia może być gromadzenie się pary kondensacyjnej, co grozi korozją i zwarciem. Dlatego ogniwo, procesor i gniazdo procesora należy odpowiednio uszczelnić. W tym celu używa się np. masy silikonowej, którą wypełnia się również otwór gniazda procesora, a całe gniazdo zabezpiecza np. pianką Neoprenową (kauczukowa). Spodnią stronę płyty głównej pryska się np. pianką uretanową. W ten sposób odcina się dostęp powietrza z otoczenia do zimnych elementów procesora i płyty głównej. Chłodzenie ogniwem Peltiera

Chłodzenie freonem Chłodzenie, które zapewnia stałą ujemną temperaturę CPU na poziomie kilkudziesięciu stopni, Zazwyczaj ta metoda chłodzenia określana jest jako FC (Freon Cooling). Zasada działania jest banalnie prosta: sprężony i następnie rozprężający się gaz obniża swoją temperaturę. Proces ten odbywa się w tzw. parowniku, którego konstrukcja umożliwia przymocowanie go do CPU i trwałe jego chłodzenie. Jest to możliwe, ponieważ gaz w układzie jest na przemian sprężany i rozprężany, przechodząc nieustannie przez przemiany fazowe powodujące zmiany jego stanu skupienia. W praktyce układ jest dość skomplikowany i musi spełniać dość ostre kryteria techniczne, Do napełnienia układu najczęściej stosuje się propan, zapewniający uzyskanie temperatury około -42°C, ale stosowane są i inne gazy, umożliwiające osiąganie niższych temperatur. Dlaczego więc nie stosuje się gazów dających najniższą temperaturę? Odpowiedź jest prosta: im niższa temperatura wrzenia gazu, tym niższej potrzebujemy temperatury aby go skroplić, co jest niezbędnym wymogiem trwania ciągłego procesu chłodzenia.

Chłodzenie freonem

Chłodzenie suchym lodem DI (Dry Ice) Suchy lód to sprasowany dwutlenek węgla ( CO2 ) do postaci stałej. Po zetknięciu z powietrzem przechodzi on z ciała stałego w gaz. Suchy lód charakteryzuje się tym że jest bez zapachowy, bez smakowy, nie wydziela oparów trujących, obojętny, bakteriostatyczny a jego temperatura wynosi -78,5°C. Przy chłodzeniu elementów komputera wykorzystywany jest głównie granulat, który ze względu na swoją „sypkość” dopasowuje się do kształtu pojemnika. Wadą jest to że po pewnym czasie trzeba uzupełnić materiał chłodzący.

Skroplony Azot ( LN2 ) w otwartym naczyniu wrze w temperaturze -196°C. Jest on otrzymywany poprzez syntezę amoniaku w procesie Habera, przez co jest bardzo tani. Ze względu na szybkie wrzenie musi być trzymany w specjalnych pojemnikach zwanych naczyniami Dewara. Sam proces chłodzenia odbywa się w zasadzie podobnie jak w przypadku suchego lodu. Do chłodzenia potrzebny jest parownik, który będzie odbierał ciepło z chłodzonego układu, zapinka parownika, dobra izolacja oraz sam azot. Niestety pod obciążeniem procesora ciekły azot strasznie szybko wrze więc potrzebne jest ciągłe dolewanie. Istnieją też inne gazy takie jak ciekły wodór, ciekły tlen, ciekły argon, ciekły hel które z powodzeniem mogłyby być stosowane podczas chłodzenia jednak ze względów bezpieczeństwa nie są używane. Chłodzenie ciekłym azotem LN (Liquid Nitrogen)

Chłodzenie ciekłym azotem