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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kühlung von Prozessoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Kühlgeräte moderner Computerkomponenten sind komplexe Strukturen, die ein Wärmeaustauschsystem, einen Kühlmittelverdichter, ein Überwachungs- und Steuergerät sowie eine Befestigungseinheit am gekühlten Objekt umfassen. Technische Eigenschaften dieser Systeme fehlen in der Regel und der Benutzer ist gezwungen, sich auf seine eigenen Erfahrungen zu verlassen. Dieser Artikel hilft Ihnen, die Feinheiten des Designs und der Verwendung von Kühlgeräten zu verstehen. Wie Sie wissen, begrenzt Intel die Betriebstemperatur seiner Prozessoren auf +66...78 °C, AMD auf +85...90 °C. Bei +23 °C in einem Raum ist die Lufttemperatur in der Computersystemeinheit um 10...15 °C höher, im Prozessor nochmals um 20...35 °C. Dadurch kann die Prozessortemperatur +75 °C und bei heißem Wetter (+35...40 °C) - +92 °C erreichen. Daraus folgt, dass moderne Prozessoren bei voller Auslastung eine effektive Kühlung benötigen und diese nicht von jedem Kühler bereitgestellt werden kann. Ganz zu schweigen von denen, die gerne alles aus ihrem Computer herausholen. Für sie ist ein effektiver Kühler ein dringender Bedarf. Daher stellt sich oft die Frage, welchen Kühler man wählen soll. Derzeit werden weltweit viele Arten von Kühlgeräten hergestellt. Dazu gehören Kühler, bei denen das Kühlmittel Luft ist, und kürzlich erschienene Wasser- und thermoelektrische Kühlgeräte, Wärmerohrkühler und sogar so exotische wie Dampfkompressionskühlgeräte. Und Amateure experimentieren sogar mit Flüssiggasen und Trockeneis. Bei der aktuellen Wärmeleistung sind Kühler, die Luft als Kühlmittel nutzen, weit verbreitet und meistern erfolgreich die Aufgabe der Kühlung von Computerkomponenten. Je nach Art der Wärmeübertragung werden sie in Geräte mit natürlicher Konvektion und Zwangsbelüftung unterteilt. Erstere werden in Systemen mit einer Wärmeabgabe von bis zu 10...15 W eingesetzt, letztere – bei einer Wärmeabgabe von bis zu 100 W. Bei Kühlern der zweiten Gruppe ist die entnommene Wärmeleistung proportional zur Oberfläche des Kühlers (im Folgenden wird dieser Begriff verwendet, wie er in der Computerliteratur gut etabliert ist), der Temperaturdifferenz zwischen ihm und der Kühlung Luft und die Luftströmungsgeschwindigkeit. Am gebräuchlichsten sind Lamellenstrahler; seltener kommen die aufwendiger herzustellenden Stift- und Turbinenstrahler zum Einsatz. Turbinenkühler vom altbekannten GoldenOrb bis hin zu modernen Modellen haben sich aufgrund ihrer hohen Effizienz bewährt. Der GoldenOrb, den der Autor seit drei Jahren verwendet, hat sich trotz der eher kleinen Fläche der Flossen nur positiv gezeigt. Die Wahl fiel auf die Eigenschaft dieses Designs, einen Luftstrom zu erzeugen, der sich vom Prozessor entlang des Motherboards ausbreitet und so für zusätzliche Kühlung der darauf befindlichen Komponenten sorgt. Was bestimmt seine Wirksamkeit? Als Ergebnis der Analyse stellte sich heraus, dass bei Turbinenkühlern mit Lamellen mit konstantem Querschnitt der Luftkanal entlang des Luftstroms einen zunehmenden Querschnitt aufweist, was einen konstanten und hohen Durchfluss der erwärmten Luft gewährleistet es bei geringer Lüfterleistung. Darüber hinaus verringert die richtige Drehrichtung der Lamellen entlang des Luftstroms den gasdynamischen Widerstand, die Geschwindigkeit der Kühlluft ist höher (bis zu 5 m/s) als bei Lamellenkühlern (bis zu 2 m/s). . Dadurch ist sein Wärmewiderstand vergleichbar mit dem Wärmewiderstand eines Lamellenkühlers mit einer etwa 2,5-fach größeren Fläche. Für eine Wärmeableitung bis 50 W empfiehlt sich der Einsatz eines Kupferkühlers dieses Modells. Andere Kühler dieser Art, beispielsweise mit einem Kanal konstanten Querschnitts (Trapezrippen), sind weniger effizient. Kühler mit Nadelstrahlern haben aufgrund ihrer größeren Oberfläche als Lamellenstrahler gleicher Größe eine hohe Effizienz gezeigt. Am weitesten verbreitet sind Kühler mit Lamellenkühlern. Sie sind einfach zu berechnen und günstig in der Herstellung. Betrachten wir die wichtigsten Abhängigkeiten, die die Eigenschaften solcher Geräte beschreiben. Zunächst einmal ist dies die Wärmebilanzgleichung:
wobei P die vom Kühler abgeführte Wärmeleistung ist; c ist die spezifische Wärmekapazität von Luft; p - Luftdichte; V – Luftgeschwindigkeit im Kanal; Scan – Kanalquerschnittsfläche; ΔТ = Тр - Тс – Lufterwärmungstemperatur im Kanal; Тр – Kühlertemperatur; Тс – Temperatur des Mediums (Luft); a ist der Wärmeübergangskoeffizient des Heizkörpers; S ist die Oberfläche. Der Wärmewiderstand Rp (er ist numerisch gleich der Überhitzungstemperatur des Heizkörpers pro 1 W Eingangsleistung, °C/W) charakterisiert die Temperaturdifferenz in der Reihenschaltung aller Elemente im Wärmefluss, und in diesem Fall die thermische Widerstand des Prozessor-Kühlkörpers:
wobei Рр die dem Kühler zugeführte und von ihm verbrauchte Leistung W ist; ΔT ist der Temperaturunterschied an der Kontaktfläche. Wenn Sie den Wärmewiderstand für jedes Glied in der Wärmekette kennen, können Sie die Temperaturverteilung entlang dieser Verbindung vom Kühler bis zum Prozessorchip abschätzen:
wobei Tp die Kühlertemperatur ist; Тк – Kristalltemperatur; Rproc – vom Prozessor verbrauchte Leistung; RK_K – Wärmewiderstand des Prozessorkristallgehäuses; RK – Wärmewiderstand des Prozessorgehäuse-Kühlkörpers; Rp – Wärmewiderstand des Strahlermediums. Der Wärmewiderstand der Kontaktfläche bei Verwendung von Wärmeleitpaste zwischen zwei Elementen im Wärmeflussweg lässt sich mit der empirischen Formel abschätzen:
wobei Sn die Fläche der Kontaktfläche ist. Die Kontaktfläche bestehender Prozessoren beträgt ca. 2 bis 15 cm2, der Wärmewiderstand RK liegt bei 1 bis 0,15 °C/W, durch den Einsatz von Wärmeleitpaste sinkt er auf 0,5...0,07 °C/W. Bei der Verwendung von Klebstoffen ohne Füllstoffe ist es möglich, einen RK zu erhalten, der im besten Fall dem Wert entspricht, der trockenen Kontaktflächen entspricht; Klebstoffe mit Füllstoffen ermöglichen es, RK-Werte zu erreichen, die denen bei Verwendung von Wärmeleitmitteln nahe kommen Paste. Tatsache ist, dass sich die nicht trocknende Wärmeleitpaste unter dem Druck des Befestigungsmechanismus ausbreitet und wir eine Schicht mit minimaler Dicke erhalten und die schnell aushärtenden Klebstoffe den bei der Erstinstallation entstandenen Spalt weitgehend beibehalten bestimmt den thermischen Widerstand. Der Hauptnachteil einer solchen Verbindung ist ihre Steifigkeit: Bei Erwärmung übertragen sich die Verformungen des Kühlers in Form von mechanischen Spannungen auf das Prozessorgehäuse, die Folgen können verheerend sein. Natürlich ist die Berechnung der thermischen Bedingungen eines Prozessor-Kühler-Paares viel komplizierter, aber die angegebenen Formeln reichen aus, um die im System ablaufenden Prozesse zu verstehen. Und um Bewertungsberechnungen durchzuführen, können Sie auf spezielle Literatur zurückgreifen (siehe zum Beispiel das REA Designer's Handbook, herausgegeben von R. G. Varlamov. - M.: Sowjetisches Radio, 1980). Flüssigkeitskühler gibt es in zwei Ausführungen: Schwerkraftkühler und Zwangspumpenkühler. Erstere weisen trotz der Verwendung eines Kühlmittels (Wasser) mit einer größeren Wärmekapazität als Luft Eigenschaften auf, die mit denen der besten Luftkühler vergleichbar sind, was viel geringer ist als erwartet. Dies wird durch die geringe Durchflussrate des Kühlmittels und die erforderliche Temperaturdifferenz erklärt, um in der Wärmeabfuhreinheit vom Prozessor und vom Wärmetauscher einen Druckunterschied zu erzeugen. Bei Verwendung von Zwangspumpen ist die Wärmeabfuhr effizienter und die Prozessortemperatur ist 10 bis 15 °C niedriger als im vorherigen Fall. Wenn die Qualität der Verbindung der Rohre jedoch nur durch Genauigkeit sichergestellt werden kann, ist das Problem der Gewährleistung der Dichtheit bei Überdruck in den Verbindungsrohren schwieriger zu lösen. Wir dürfen nicht vergessen, dass Wasser einen hohen Volumenausdehnungskoeffizienten hat, sodass ein zusätzlicher Behälter erforderlich ist, der sich über dem obersten Knoten des Systems befindet. Gemäß den Vorschriften muss dieser Behälter über eine Vorrichtung verfügen, die den Druck der Umgebungsluft und des Kühlsystems ausgleicht. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein Loch, das es mit der äußeren Umgebung verbindet. Dadurch gelangt immer Wasserdampf in das Volumen der Systemeinheit. Die Verwendung abgedichteter Druckausgleichsvorrichtungen verringert die Zuverlässigkeit der Konstruktion. Es gibt auch Schwierigkeiten, über die Hersteller nicht schreiben, auf die aber jeder gestoßen ist, der mit Wasserkühlungssystemen für elektronische Geräte gearbeitet hat. Das sind Mikroorganismen. Um ihr Wachstum unter solch angenehmen Bedingungen zu verhindern, müssen besondere Maßnahmen ergriffen und das System mindestens einmal im Jahr gespült werden. Der Einsatz von Flüssigkeitskühlern ist bei Leistungen über 1000 W wirksam. Aufgrund der geringen Leistungsabgabe und der Komplexität der Bedienung werden sie nicht zur Kühlung von Prozessoren empfohlen. Eine andere Art von Kühlern sind Geräte, die thermoelektrische Peltier-Elemente verwenden. Ein Beispiel ist der luftgekühlte Kühler MCX462+T von SwiftTech für thermische Belastungen bis 100 W. Das Produkt ist für den Einsatz in Systemen vorgesehen, in denen eine Flüssigkeitskühlung nicht akzeptabel ist. Die 127 Thermoelemente dieses Kühlers werden vom vom Unternehmen empfohlenen Netzteil Meanwell S320-12 mit einer Ausgangsspannung von 15,2 V und einem Laststrom von 24 A betrieben. Das Gerät bietet eine maximale Kühlleistung von 226 W und einen Temperaturunterschied von mehr als 67 °C. Der Preis ohne Lüfter beträgt etwa 90 US-Dollar und für ein komplettes Set 130 bis 170 US-Dollar. Im Wesentlichen ist das Peltier-Element eine Wärmepumpe. Es überträgt Wärme vom Prozessor auf den Kühler, verbraucht dafür Energie und fügt der vom Prozessor erzeugten Wärme seine eigene Wärme hinzu, was mit einem Wirkungsgrad von etwa 50 % mit der abgegebenen Wärme vergleichbar ist und dadurch die Wärmeableitung erhöht in der Systemeinheit. Es ist auch notwendig, eine „intelligente“ Steuerung der thermoelektrischen Batterie in Abhängigkeit von der Erwärmung des Prozessors sicherzustellen, um einen übermäßigen Temperaturabfall und infolgedessen eine Feuchtigkeitskondensation darauf zu verhindern. Durch die Anpassung der Kühlleistung der Thermoelemente können Sie die Wärmeableitung des Prozessors flexibel überwachen und den Stromverbrauch optimieren. Zu den Vorteilen von Kühlern auf Basis von Peltier-Elementen gehört die Fähigkeit, die Betriebstemperatur des Prozessors um 67 °C zu senken; die Nachteile sind hoher Stromverbrauch (bis zu 100 W) und Wärmeableitung, Designkomplexität und das Fehlen von mit Automatik ausgestatteten Motherboards Steuergeräte. Ohne Temperaturkontrolle des Prozessors kann es zu einem Ausfall des Prozessors und des Motherboards kommen. Dieser Kühlertyp kann in Verbindung mit einem Steuergerät für Experimente mit der „Übertaktung“ von Mikroprozessoren empfohlen werden. Ich möchte Sie davor warnen, einen solchen Kühler selbst zu installieren: Im „besten“ Fall verlieren Sie den Prozessor, im schlimmsten Fall auch das Motherboard. Tatsache ist, dass es für eine effektive Kühlung notwendig ist, zwei Oberflächenpaare (Prozessor-Thermoelement und Thermoelement-Kühler) mit minimalem Wärmewiderstand unter einer genau festgelegten Kompressionskraft zu koppeln. Dies kann nur von einem Fachmann mit hoher Qualität durchgeführt werden, der über umfassende Erfahrung im Umgang mit solchen Geräten verfügt. Wenn dies fehlschlägt, bringt der Einsatz eines solchen Kühlers nur zusätzliche Probleme mit sich. Um die thermischen Eigenschaften eines Standard-Luftkühlers mit Lamellenkühler und seinen Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Kühlermaterial (Aluminiumlegierung, Kupfer) zu bewerten, wurde eine Berechnung mit Schwerpunkt auf dem P4-Prozessorkühler gemäß der im Nachschlagewerk beschriebenen Methodik durchgeführt oben erwähnt. Ausgangsdaten: Rippenheizkörper mit einer geblasenen Oberfläche von 1560 cm2, Oberfläche – rau, geschwärzt, Befestigung – Standard; Verlustleistung - 80 W, Lufttemperatur - +40 °C, Blasgeschwindigkeit - ca. 1 m/s. Die Berechnungsergebnisse werden durch die in der Abbildung gezeigte Tabelle und Grafiken veranschaulicht. In der Tabelle werden folgende Bezeichnungen verwendet: ΔТр_кр – Temperaturunterschied am Strahler-Kristall-Übergang (kleinerer Wert – bei Verwendung von Wärmeleitpaste, größerer Wert – ohne diese); Tcr ist in den gleichen Fällen die Temperatur des Kristalls; Rras – Gesamtleistung, die vom Kühler abgegeben wird; Rras. izl. Schwarz – Energie, die durch Strahlung eines geschwärzten Strahlers verloren geht.
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sorgt ein Heizkörper aus einer Aluminiumlegierung (AI) (unter sonst gleichen Bedingungen) für die Entfernung von ca. 77 W Wärmeleistung bei einer Heizkörpertemperatur von +52 °C und aus Kupfer (Cu). - knapp 80 W bei einer Heizkörpertemperatur von ca. +34,5 °C. Mit anderen Worten: Im betrachteten Fall ist die Temperatur des Kupferkühlers bei gleicher Wärmeleistung um das 1,5-fache niedriger. Daher empfehlen wir den Einsatz von Kupferkühlern in Kühlern zur Kühlung leistungsstarker Prozessoren. Sie bewältigen die Aufgabe erfolgreich (mit einer Lamellendicke von mehr als 1 mm), ohne die Nachteile von Wasser- und thermoelektrischen Geräten zu haben. Mithilfe der Tabelle können Sie die Kristalltemperatur für diese Punkte abschätzen.
Der berechnete Heizkörper hat einen Kontaktwärmewiderstand RK = 0,2 °C/W mit Wärmeleitpaste und 0,4 °C/W ohne. Der Wärmewiderstand eines Heizkörpers aus Aluminiumlegierung beträgt 0,67 °C/W, der von Kupfer - 0,45 °C/W (in beiden Fällen bei Nennleistung) Durch Analyse der Wärmebilanzgleichung (1) und basierend auf den Erfahrungen beim Betrieb von Kühlsystemen können wir Folgendes empfehlen:
Und eine allgemeine Empfehlung, die nicht diskutiert werden konnte, weil sie abgedroschen ist, aber die Praxis zeigt, dass sich nicht alle Fachleute daran halten. Wärmeleitpaste richtig verwenden, sie erleichtert die Bedienung des Prozessors. Beim Abnehmen des Kühlers sollte auf der gesamten Kontaktfläche eine dünne, nahezu transparente Pastenschicht sichtbar sein. Oft habe ich nur eine Ohrfeige in der Mitte gesehen. Durch die Verwendung von Paste werden die Kühlbedingungen nur verschlechtert. Fassen wir zusammen. Um zu verstehen, wie dem Prozessor Wärmeleistung entzogen wird, müssen Sie einige Bestimmungen und Abhängigkeiten kennen:
Autor: A.Sorokin, Raduzhny, Oblast Wladimir
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