О системах охлаждения уже не раз было сказано и написано. Тема достаточно актуальна и интересна еще и тем, что выбранная система охлаждения может оказывать существенное влияние на стоимость компьютера и его функциональность. В большинстве случаев при охлаждении оборудования затрачивается достаточно много энергии. С другой стороны, если попытаться обойтись без охлаждения, то результат может с большой вероятностью оказаться весьма плачевным для целого ряда приборов. 
О системах охлаждения уже не раз было сказано и написано. Тема достаточно актуальна и интересна еще и тем, что выбранная система охлаждения может оказывать существенное влияние на стоимость компьютера и его функциональность. В большинстве случаев при охлаждении оборудования затрачивается достаточно много энергии. С другой стороны, если попытаться обойтись без охлаждения, то результат может с большой вероятностью оказаться весьма плачевным для целого ряда приборов.
О системах охлаждения уже не раз было сказано и написано. Тема достаточно актуальна и интересна еще и тем, что выбранная система охлаждения может оказывать существенное влияние на стоимость компьютера и его функциональность. В большинстве случаев при охлаждении оборудования затрачивается достаточно много энергии. С другой стороны, если попытаться обойтись без охлаждения, то результат может с большой вероятностью оказаться весьма плачевным для целого ряда приборов. Намного дешевле будет раскошелиться на качественное сопутствующее охлаждающее оборудование, нежели в последствии потратиться на всю связку нового аппаратного обеспечения, вышедшего по тем или иным причинам из строя. В данной статье речь пойдет о новых и старых технологиях охлаждения, не исключая оригинальных новинок, а также несколько полезных советов для их разработчиков.
Как уже говорилось выше, охлаждение, из-за неимоверной скорости прогресса, не просто желательно, а “жизненно необходимо” для современного компьютера. Самым мощным источником тепла в компьютере является процессор. Он состоит из миллионов транзисторов, внутреннюю удельную энергию которых можно сравнивать с ядерным реактором. Транзисторы работают в режиме переключения (из одного устойчивого состояния в другое), то есть вентильном. При этом выделяется большое количество тепла, которое требуется отвести, чтобы процессор не вышел из строя. Необходимо отметить, что на общую “погоду” в системном блоке компьютера влияет не только процессор, но также видеокарта и вообще все задействованные в работе элементы, причем не только полупроводниковые, но и электромеханические, например жесткий диск.
Итак, для охлаждения процессора необходимо на него установить радиатор, а на радиатор – вентилятор (это классический пример активной охладительной установки). Такая комбинация называется “кулером”. Радиатор обладает различными параметрами, от которых зависит качество охлаждения. Его основные характеристики – это материал, из которого выполнен радиатор, а также контакт радиатора и процессора. Как бы не старались заводские сборщики или пользователи, применяя даже специальное оборудование, для того, чтобы прижать, как можно плотнее радиатор к процессору, с целью увеличения теплообмена, все равно из-за всевозможных микроскопических неровностей между процессором и радиатором возникает воздушная прослойка. Как известно, воздух – один из лучших теплоизоляторов. Поэтому, для улучшения теплообмена между кристаллом и радиатором, необходимо ограничить доступ воздуха к поверхностям теплообмена. Широкое практическое применение в этом стремлении получили различные силиконосодержащие термопасты.
Тепломассообмен
Для того чтобы разобраться, какой кулер лучше всего подходит вашему процессору, необходимо немного знать теорию тепломассообмена. Эта дисциплина базируется на первом и втором законах термодинамики. Первый закон – это закон сохранения энергии, а второй можно сформулировать так: теплота не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.
Существует три основных механизма передачи теплоты:
1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение
Теплопроводностью называют процесс передачи теплоты за счет движения микрочастиц тела. В нашем случае именно теплопроводность является основным механизмом переноса теплоты от процессора к радиатору.
Очевидно, для интенсификации процессов теплопередачи необходимо:
1.Увеличить разность температур можно, используя мощные вентиляторы или несколько не очень мощных, что сейчас достаточно широко практикуется. Это не самый эффективный подход, хотя необходимо отметить его достоинство с точки зрения экономии.
2-3.Увеличение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи можно осуществить подбором материала, из которого выполнен радиатор. Эти коэффициенты высоки у серебра, а также золота, но мы говорим об экономии. Широко используются радиаторы из алюминия и комбинированные – с добавлением меди (основание из меди, а охлаждающие ребра из алюминия). На общий экономический эффект, как говорят энергетические менеджеры, системы охлаждения, безусловно, влияет предохранительный колпак процессора. Можно уменьшить диаметр крышки или вообще ее не использовать, но в таком случае мы получим весьма ненадежную конструкцию. Приведенные рекомендации широко применяются при проектировании систем охлаждения. Разумеется, при покупке компьютера необходимо интересоваться глубже такими немаловажными вещами. Увеличению площади теплопередающей поверхности, за счет ребер, уделено меньшее внимание разработчиков. Увеличение площади теплообмена ребер может быть выполнено путем мелкой огранки, что очень эффективно, но надо отметить и опасно. Пыль, которая со временем может накопиться в этих канавках, обладает 100%-й нетеплопроводностью, то есть существует большая вероятность, что процессор просто сгорит.
Кулеры Пельтье
Немного истории. Пельтье (Peltier), Жан Шарль Анатаз (1785 -1854) – французский физик и метеоролог. Его основные работы по термоэлектричеству, электромагнетизму, атмосферному электричеству и его роли в образовании осадков и использование этих явлений в электроизмерительных приборах. В 1834 году впервые описал явление Пельтье.
Явление Пельтье – выделение или поглощение тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока. Если из проводников составить термоэлектрическую цепь, то при разности температур между обоими контактами (спаями) появится разность потенциалов:. При прохождении тока через замкнутою электрическую цепь, состоящую из двух различных проводников, один из контактов нагревается, а другой – охлаждается. Именно поэтому элементы Пельтье состоят из последовательных каскадов, реализованных в соответствии с принципом: горячий полюс одного элемента пластинки к холодному полюсу другого. Металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами. Как известно из курса физики, значительно эффективнее термоэлементы из полупроводников, собственно из которых и состоят современные пластинки кулеров Пельтье. C помощью этих пластинок можно реализовать охлаждение не только для процессоров, а также в бытовых холодильниках, но и для различного рода оборудования и научных приборов.
Необходимо помнить, что для высокоэффективной и качественной работы необходимо на высоком уровне реализовать автоматику регулирования, а точнее стабилизации рабочей температуры кулера в допустимых пределах. При этом следует помнить, что, ужесточая пределы допуска, мы повышаем в цене оборудование, а, уменьшая их, снижаем его качество и функциональность. Следовательно, необходим разумный компромисс. Кроме того обязательна эффективная защитная автоматика предохранения процессора от разрушения в случае остановки вентилятора или перегрева от других “форсмажорных” причин. Окончательное слово в поиске новых эффективных схем охлаждения процессора далеко не сказано. Например, использование криогенных охлаждающих устройств в компьютерах – это даже не перспектива, а инженерия и опытное производство сегодняшнего дня.
ВодЯное охлаждение
Водяное охлаждение, точнее жидкостное охлаждение вовсе не является совершенно новым средством стабилизации температуры. Структура, крепеж и принцип действия сходны с системой воздушного охлаждения, а возможностей доработок, очевидно, в жидкостном охлаждении гораздо больше. И если предварительное сравнение проделать до конца, то и по ценам они отличаются. Поскольку жидкостное охлаждение только набирает обороты, то цена может быть как выше, так и ниже цен воздушных кулеров. Сама идея охлаждения жидкостью интересна не только потому, что практикуется конструкторами достаточно давно в различных сферах техники, а и еще не испробованными новыми идеями. Уменьшение габаритов конструкции охлаждающего блока, не использование вентилятора или других до боли знакомых элементов кулеров и т. д. – теперь не мечты, а реальность.
Применять водяное охлаждение в компьютерах не всегда безопасно с точки зрения надежности. Принцип использования циркуляции жидкости в кулере сразу же определяет наличие в нем таких элементов и узлов как трубовод, по которому течет жидкость и водяного насоса, или иначе минипомпы. Однако если система выполнена таким образом, что не допускает утечек, т.е. разгерметизации, то очевидны явные преимущества перед воздушными кулерами. Это высокое качество охлаждения за счет эффективного теплоотвода и значительное снижение шумности аппаратуры. Что касается трубок, по которым течет жидкость, то их чаще изготавливают из силикона, что дает возможность их удобно стыковать и выполнять в самых затейливых конфигурациях. Водяные помпы совершенно не являются какой-либо проблемой. В простейших и недорогих кулерах, это аквариумные водяные насосы, хотя чаще применяются разработки и конструкции под конкретные системы охлаждения. Производительность таких насосов тоже колеблется в достаточно больших пределах – от нескольких единиц до 200 литров в час, а при желании можно и больше. Но минипомпы с низкой производительностью как раз и более желательны, хотя они сложнее и дороже.
Ко всему еще кулер с водяным охлаждением обладает хорошей совместимостью. Его монтаж на платах в аппаратуре прост и не представляет технических сложностей. Единственное о чем следует помнить, что поставку компьютеров с кулерами водяного охлаждения зимой лучше осуществлять в транспортных отсеках, температура которых не опускается ниже 0o. В противном случае неприятностей не избежать.
Эффективность водЯного охлаждениЯ
Что может быть проще, чем радиатор с прикрученным к нему вентилятором? Разве что просто радиатор? За всё время существования кулеров для PC конструктивно ничего не изменилось. Конечно, мы видели различные конфигурации радиаторов, установку двух вентиляторов и использование всякой электроники для сигнализации. Но так, или ина
че, воздушные кулеры малоэффективны при охлаждении небольших гор
ячих поверхностей, коими и являются процессоры сегодняшних компьютеров. Уже современные медные кулеры с быстрыми вентиляторами отличаются по производительности друг от друга на единицы градусов, потому что предел их способностей уже совсем близко. Порой кажется, что мы прошли этот предел ещё полгода назад и теперь обычные кулеры уже творят чудеса охлаждения, на которые они неспособны по природе. Возможно, так оно и есть. Альтернативой воздушному охлаждению является водяное. Вода чаще используется для охлаждения в повседневной жизни. Вода имеет большую плотность и теплопроводность, чем воздух. При использовании водяного охлаждения мы можем контролировать процесс теплоотдачи на каждом этапе – когда тепло отводится от процессора, когда переносится в теплообменники и переходит в окружающую атмосферу и когда она проходит на второй круг.
Если сравнивать охлаждение по соотношению производительность/шум, то водяные системы, бесспорно, выигрывают у воздушных. Водяная система, кроме того, обладает возможностью вообще не нагревать атмосферу внутри компьютера, чего не может практически ни один воздушный кулер.
В принципе, водяная система может работать полностью бесшумно, если все силовые агрегаты вынести за пределы рабочего места. Конечно же, обычные кулеры этого делать не позволяют. Один и тот же водяной контур, работающий с тем же количеством водяных помп и вентиляторов, может охлаждать полностью весь компьютер – винчестер, процессор, видеокарту, системный чип и даже блок питания. Водяная система охлаждения может работать от независимого источника питания, она может не нагружать ваш блок питания и включаться независимо от компьютера, даже до его запуска, чтобы начать охлаждение до того, как процессор начнёт нагреваться. Это просто необходимо при запуске сильно разогнанного процессора. Водяная система может комбинироваться с термоэлектрическими модулями Пельтье и охлаждать их значительно эффективнее, чем воздушная. Так почему же вы всё ещё не используете воду?
Для кулера чем меньше теплоёмкость, тем хуже. Вот почему медные радиаторы всегда “теплее” алюминиевых. Как видно, вода имеет более чем в десять раз высокую теплоёмкость, чем медь.
Физические свойства воды куда более благоприятные для охлаждения, чем свойства тех же металлов – алюминия, или меди. Для кулера важно, какая у материала охлаждающего тела теплоёмкость и теплопроводность. Теплоёмкость определит, в конечном итоге, насколько нагреется то тело из данного материала. Тут нам надо, чтобы тело забирало как можно больше тепла, а нагревалось при этом слабо.
Если говорить о теплопроводности, то, конечно, у воды она вообще очень низкая. Но всё дело в том, что для устройств водяного охлаждения, где вода циркулирует под действием внешнего нагнетателя, чем ниже теплопроводность – тем лучше. Холодная вода в радиаторе не будет забирать тепло у воды, проходящей через ватерблок. Поэтому её температура в разных частях контура будет различной. В результате, при подходе к ватерблоку, вода будет достаточно холодной. Наглядно температуру воды в системе демонстрирует наша диаграмма.
Если бы мы использовали вещество с высокой теплопроводностью, как у меди, то всё охлаждающее тело во всём контуре имело бы одну среднюю температуру и ни к чему хорошему это бы не привело. Это был бы аналог нашего стандартного кулера. Теплопроводность у газов самая низкая, поэтому чтобы увеличить эффективность охлаждения, надо привести в движение частицы газа, проще говоря, двигать воздух мимо охлаждаемого тела, чем и занимаются вентиляторы на воздушных кулерах.
Почему используют воду при охлаждении, а не другие жидкости? Прежде всего, вода – самая безопасная жидкость. Она не разъедает резиновые прокладки, не вредит помпе и другим пластиковым элементам системы. Вязкость воды относительно низкая для жидкости и уменьшается при повышении температуры, её теплоёмкость наиболее высокая среди известных жидкостей и твердых веществ, её теплопроводность наибольшая среди обычных жидкостей, исключая ртуть. Кроме того, вода – самое дешёвое охлаждающее тело, доступное каждому (не в пустыне живём). Перед употреблением воду рекомендуется очищать через бытовой фильтр, кипятить и давать ей отстояться несколько часов.
Безопасность
Человек, как и большинство животных, боится огня и воды. Века эволюции притупили страх воды, и теперь мы покорили эту стихию, заставив её вырабатывать электроэнергию, резать камни и согревать наши дома. Пришло время заставить воду сослужить нам ещё одну службу – охладить новейшие процессоры, видеокарты и материнские платы. Но мы всё ещё боимся воды, потому что для электроники компьютера присутствие воды опасно и смертельно. Вода в открытом виде, попадая влагой, испарениями, или просто сливаясь с потолка, от затопившего вас соседа, при попадании на рабочий компьютер вызовет короткое замыкание его цепей. Хороший ATX блок питания плюс хорошая материнская плата, конечно, могут успеть отключить компьютер при КЗ, но успешность отключения зависит от того, куда попала влага. А если отключение произойдёт слишком поздно, то четырёхсотдолларовая видеокарта может просто умереть. И по гарантии её не обменяют. Вот почему многие из нас потенциально боятся пускать воду внутрь компьютера. Если заключённая в трубки, она вырвется наружу – ваш компьютер, скорее всего, понесёт тяжёлые потери. Объяснить, что вода может быть безопасна для использования рядом с электроникой легко, но заставить поверить в это намного сложнее. И даже самые дорогие комплектующие системы водяного охлаждения не гарантируют на 100% безопасность системы.
Производители водЯного охлаждениЯ
Систему водяного охлаждения можно сделать самому. Полностью производить её невыгодно, поэтому ни один из производителей не делает комплекты водяного охлаждения сам, от и до. Многие из известных нам имён производителей водяных кулеров (Danger Dan, Swiftech, Innovatek) выпускают только водяные блоки и если и продают комплекты, то составляют их из частей, купленных на стороне. Но даже те, кто заявляет, что они сделали водяной кулер сами и полностью, скорее всего, просто обманывают, потому что на создание водяных помп уйдёт столько производственных мощностей, сколько на всё остальное вместе взятое. А водяная помпа – основной компонент системы охлаждения. Поэтому производители закупают их на стороне, укладывают в свою упаковку и продают в тридорого. Среди таких компаний-производителей систем водяного охлаждения особенно выделяется Senfu, тайваньский производитель, ставший символом ватерклокинга.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, существует ли проблема охлаждения процессора? Нет, конечно. Однако есть проблема несоответствия, точнее, отставания конструкторских и дизайнерских решений блоков охлаждения ЭВМ. С методичной постоянностью совершаются прорывы в области расширения памяти и быстродействия последних, при этом оперативно решаются технологические задачи компоновки и эргономики. А время революции идей в конструировании кулеров пока не наступило. Однако в отсутствие революции, работающая с неумолимой силой в техническом прогрессе, эволюция видов Дарвина, не только позволяет нам, захватив дух созерцать в стремительном темпе умирание устаревших и рождение более совершенных, современных и отвечающих дню сегодняшнему компьютеров, но и обязательно скорректирует такие их функции, как снижение шумности и энергоемкости. А это возбудит более пристальный интерес к новым нестандартным и, может быть, совершенно неожиданным решениям задач охлаждения отдельных узлов и аппаратуры в целом.
Hitachi выпустит ноутбук
с водяным охлаждением
Системы водяного охлаждения процессоров, применяющиеся пока только в суперкомпьютерах и серверах или в единичных экземплярах создаваемые умельцами, могут вскоре выйти на массовый рынок. Можно вспомнить, что с 1999 года компания Kryotech выпускает корпуса для ПК с системами охлаждения, но она не делает погоды на рынке персональных компьютеров: из-за весьма высокой цены в такой продукции заинтересованы лишь отдельные любители экстремального разгона. В Hitachi же разработали прототип ноутбука на базе процессора Pentium 4 и с водяным охлаждением.
Представитель Hitachi Нанако Учияма раскрыл некоторые технические подробности новой системы. Длина трубок, в которых течет охлаждающая жидкость, составляет, в общей сложности, около 2 метров. Объем жидкости насчитывает примерно 100 мл, она прокачивается со скоростью 10 миллилитров в минуту. Температура охлаждающей жидкости может достигать 60 градусов по Цельсию. Горячая жидкость для охлаждения направляется в крышку ноутбука. Там же, позади дисплея, находится ее резервуар.
Несмотря на то, что водяные системы охлаждения, в целом, эффективнее своих воздушных аналогов, препятствиями на пути их внедрения в ПК были постепенная потеря охлаждающей жидкостью своих свойств и ее постепенное испарение. В Hitachi заявляют, что разработали свой состав жидкости и специальное покрытие для водяных трубок, предотвращающее коррозию.
Самое главное, что размер и цена ноутбуков с водяным охлаждением будет такой же, как и у обычных ноутбуков. Ненамного выше будет и расход энергии, а шум при работе – ниже. Срок работы водяной системы, говорит Учияма, будет в 1,7 раза дольше, чем воздушной.
Владимир Зимин
©Internet News
30 july 2004