Пассивные и активные аэрогенные системы охлаждения.

Это наиболее распространенный способ охлаждения ЦП и ГП. Пассивные теплообменные конструкции – радиаторы, предназначены для увеличения площади теплоотдачи в окружающую среду, благодаря «развитости» поверхности радиатора, вследствие чего улучшается теплообмен между ядром процессора и окружающей средой. Принцип действия пассивного радиатора описывается конвективным теплообменом, использующим естественное движение газа, возникающее вследствие различных плотностей горячего и холодного воздуха. Этот процесс описывается законом Ньютона и существенно зависит от давления окружающей атмосферы и направления поверхностей (верхняя, боковая или нижняя) стенок радиатора.

Одной из модельных характеристик пассивного воздушного охлаждения является термическое сопротивление – величина, позволяющая оценить эффективность системы охлаждения.

Термическое сопротивление в системе «ядро процессора–окружающий воздух» (R_CA) выражается простым соотношением:

, где                                                 (1)

– термическое сопротивление системы «процессор–окружающий воздух»;

– температура поверхности теплораспределителя процессора;

– температура окружающего воздуха;

– тепловая мощность, выделяемая ядром процессора;

В реальной ситуации термическое сопротивление R_CA складывается из двух

термических сопротивлений:

, где                                                (2)

– термическое сопротивление теплопроводящей пасты, обусловленное её теплопроводностью, толщиной промежутка «кристалл – радиатор» и площадью их соприкосновения; 

– термическое сопротивление системы «радиатор–окружающий воздух»;

            Рис. 1. Схема пассивной системы охлаждения с радиатором

Чем ниже результирующее тепловое сопротивление, тем выше эффективность отвода тепла радиатором от ядра процессора. На практике термическое сопротивление конвективной составляющей R_CA во многом зависит от площади оребренной поверхности радиатора, скорости потока воздуха, технологии изготовления и материалов, применяемых для изготовления радиатора. 

Для интенсификации конвективного теплообмена применяют искусственное охлаждение, конструктивно реализуемое в виде системы «радиатор-вентилятор – окружающее пространство». Главным компонентом таких систем активного воздушного охлаждения является вентилятор. На практике применяются осевые (аксиальные) вентиляторы, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения крыльчатки, а также вентиляторы турбинного типа (бловеры), которые формируют боковой воздушный поток.

Элементы Пельтье

В первой половине 19-го века французским ученым Пельтье был открыт эффект заключающийся в том, что напряжение, поданное на два противоположных друг другу по проводимости материала вызывает разницу температур. В зоне поглощения тепла (охлаждаемый объект) электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, поглощая тепловую энергию. Перетекая в зону с низким энергетическим состоянием, электроны отдают тепло (радиатор). Типовой термоэлектрический модуль, таким образом, состоит из нескольких десятков (сотен), так называемых термопар, образованных полупроводниками различной проводимости p и n.

Рис. 2. Схема системы охлаждения на основе эффекта Пельтье

Все термопары герметично запаяны в две керамические пластины. При подаче напряжения одна из сторон охлаждается, вторая нагревается. По сути, элемент Пельтье является тепловым насосом, который увеличивает интенсивность теплообмена между ядром процессора и кулером. Элемент способен поддерживать разность температур до 40¸70 ºС в случае использования одного слоя термопар. Радиатор кулера при этом нагревается более равномерно, чем в случае простого кулера, при этом существенно снижается тепловое сопротивление охлаждающей системы, что повышает ее производительность. Однако в системе с элементом Пельтье существуют три серьезные проблемы:

· Первая – это конденсация влаги на компонентах охлаждающей системы ЦП и ГП до температур близких к 0^оС или ниже. При попадании на незащищенные электрические проводники это может вывести из строя всё устройство.

· Если на элемент Пельтье установлен массивный радиатор, то при выключении системы, он может «испечь» процессор, на который установлен.

· Элемент Пельтье необходимо подбирать по мощности процессора, т.к. для заметного эффекта теплового насоса мощность элемента должна превосходить мощность процессора в 1,5¸2 раза (с учетом КПД модуля). Так мощность элемента на процессор Pentium 4 3.2 ГГц должна быть не ниже 120-180 Вт (чем мощнее элемент, тем ниже температура ядра процессора).