Принципы охлаждения (типы и виды)

На данный момент существует достаточно много систем охлаждения, все они используют общий принцип действия -- перенос тепла от более горячего тела (охлаждаемого объекта) к менее горячему (системе охлаждения). Мы рассмотрим следующие системы:

-- Радиатор;

-- Система жидкостного охлаждения;

-- Система охлаждения на элементах Пельтье;

-- Система фазового перехода;

-- Система экстремального охлаждения на жидком азоте;

Можно использовать и наиболее эффективные установки, в которых совмещаются различные виды перечисленных систем

1. Радиаторы

Радиатор (новолат. radiator, «излучатель») -- теплообменник, служит для рассеивания тепла от охлаждаемого объекта. Механизмом передачи тепла здесь является теплопроводность, способность вещества проводить тепло внутри своего объёма. Все, что нужно -- создать физический контакт радиатора с охлаждаемым объектом, именно поэтому он всегда находится в тесном контакте с тем, что охлаждает. После того, как радиатор принимает на себя часть тепла от охлаждаемого объекта, его задача - рассеять его в окружающий воздух.

Но мало просто обеспечить физический контакт, ведь рано или поздно от постоянно нагревающегося охлаждаемого объекта нагреется и сама система охлаждения. А процесса теплообмена в системе тел с одинаковой температурой быть не может. Чтобы найти выход из данной ситуации и не столкнуться с проблемой перегрева, необходимо организовать подвод какого-то холодного вещества, чтобы охлаждать саму систему охлаждения. Такое вещество общепринято называть хладагентом (холодильный агент, частный случай теплоносителя).

Радиатор является воздушной системой охлаждения, т.е. хладагентом в его случае является холодный воздух из окружения. Тепло от охлаждаемого объекта идет к основанию радиатора, потом равномерно распределяется по всем его рёбрам, а уже после этого оно уходит в окружающий воздух. Такой процесс называется теплопроводностью. Воздух вокруг радиатора постепенно нагревается, из-за чего процесс теплообмена становится все менее эффективным. Эффективность теплообмена можно увеличить, если постоянно подавать холодный воздух к рёбрам радиатора. Для эффективного охлаждения нужна свободная циркуляция холодного воздуха.

Рисунок 1 Радиатор

Такие физические величины, как теплопроводность (скорость распространения тепла по телу) и теплоемкость (количество теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на 1 градус) у радиатора должны быть на высоком уровне. Мы знаем, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. На самом деле это не так - наибольшая теплопроводность у алмаза, и лежит она в диапазоне от 1000 до 2600 Вт/(м·K). Из металлов же лучше всех тепло проводит серебро - его теплопроводность равна 430 Вт/(м·K). После серебра идет медь [390 Вт/(м·K)], потом золото [320 Вт/(м·K)]. Завершает цепочку алюминий [236 Вт/(м·K)].

Наиболее применимыми являются два материала - алюминий и медь. Первый -- из-за низкой стоимости и высокой теплоёмкости (930 против 385 у меди), второй -- из-за большой теплопроводности (к недостаткам меди можно отнести более высокую температуру плавления и сложность ее обработки). Серебро же, за его высокую теплопроводность, иногда используют для изготовления основания радиатора. Еще для изготовления радиаторов может применяться сплав алюминия с кремнием - силумин. Преимущество его использования - дешевле алюминия.

Если радиатор сделан из высокотеплопроводного материала, то температура в любой его точке будет одинакова. Выделение тепла будет одинаково эффективно со всей площади поверхности. Т.к. объект отдаёт тепло со своей поверхности, то это значит, что для достижения наилучшего отвода тепла, площадь поверхности охлаждаемого объекта должна быть максимальной. Существует два способа увеличения площади радиатора -- увеличение площади рёбер с сохранением размеров радиатора и увеличение геометрических размеров радиатора. Второй вариант, понятно, предпочтительней, но это вносит ряд неудобств - например, увеличивает вес и размеры радиатора, что может затруднить монтаж устройства. Ну и цена, соответственно, растет пропорционально количеству израсходованного на изготовления материала. Типов конструкций ребер радиаторов существует огромное множество. Они могут быть толстыми, если были созданы процессом выдавливания. Или наоборот, тонкими - если ребра отливали. Они могут быть прямыми по всей длине радиатора, а могут быть расчерчены поперек. Могут быть плоскими, согнутыми из пластин, вдавленными в основание. Но лучше всего в работе на сегодняшний день себя показывают радиаторы игольчатого типа - в таких радиаторах вместо ребер квадратные или цилиндрические иглы.

Рисунок 2 Современный радиатор

Виды радиаторов

Существуют следующие виды методов производства радиаторов, по которым они классифицируются:

1. Прессованные (экструзионные) радиаторы -- самые дешевые и самые распространенные на рынке. Основным материалом, который используется в их производстве, является алюминий. Радиаторы такого типа изготавливаются путем прессования (экструзии), который позволяет получить достаточно сложные профили поверхностей ребер и достичь хороших теплоотводящих свойств.

2. Складчатые (ленточные) радиаторы -- получаются тогда, когда тонкая металлическая лента, свернутая в гармошку, пайкой прикрепляется на базовую пластину радиатора. Складки ленты-гармошки в данном случае играют роль ребер. Такая технология изготовления позволяет получать компактные изделия по сравнению с прессованными радиаторами, но с примерно такой же тепловой эффективностью.

3. Кованые (холоднодеформированные) радиаторы -- радиаторы, получаемые в результате использования технологии холодного прессования. Эта технология позволяет создавать поверхность радиатора в виде стержней произвольного сечения, а не только стандартных прямоугольных ребер. Как правило, они дороже радиаторов первых двух типов, но их эффективность зачастую гораздо ниже.

4. Составные радиаторы -- близкие родственники «складчатых» радиаторов. Несмотря на это, их отличает существенный момент: в данном типе радиаторов поверхность ребер формируется не лентой-гармошкой, а тонкими раздельными пластинками, которые закрепляют пайкой или стыковой сваркой на подошве радиатора. Радиаторы этого типа немного более эффективны, чем экструзионные и складчатые.

5. Литые радиаторы - в производстве изделий такого типа используется технология литья в пресс-форму под давлением. Применение такой технологии позволяет получать профили реберной поверхности практически любой сложности, значительно улучшающий теплопередачу.

6. Точеные радиаторы -- являются самыми дорогими и продвинутыми радиаторами. Изделия такого типа создаются прецизионной механической обработкой (на специальных высокоточных станках с ЧПУ) монолитных заготовок и отличаются самой высокой тепловой эффективностью. Если бы не производственная стоимость, то радиаторы такого типа давно смогли бы вытеснить своих конкурентов на рынке.

Тепловые трубки

В современных системах перестали быть редкостью применяемые в радиаторах и в кулерах - тепловые трубки или просто теплотрубки.

Рисунок 3 Теплотрубки

Они представляют собой герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешними -- источником и стоком тепла. Тепловая энергия берется на охлаждаемом объекте и затрачивается на испарение теплоносителя, который находится внутри корпуса тепловой трубки. Далее тепловая энергия переносится паром в виде скрытой теплоты испарения далее, на определенном расстоянии от места испарения, где при конденсации пара выделяется в сток. Образовавшийся конденсат снова возвращается в место испарения -- либо под действием капиллярных сил (которые обеспечиваются наличием специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубки), либо за счет действия массовых сил (такая конструкция обычно именуется термосифоном).

Получается, что вместо привычного электронного механизма переноса тепла (путем теплопроводности, что имеет место в сплошном металлическом теплопроводе), в теплотрубке используется молекулярный механизм переноса (точнее, процесс переноса кинетической и колебательной энергии беспорядочного движения частиц пара).

Рисунок 4 Кулер с теплотрубками

Оптимальная площадь

Нужно стремиться к тому, чтобы площадь контакта между радиатором и охлаждаемым объектом была как можно больше - ведь именно через эту площадь тепло от объекта будет поступать на радиатор. Но нужно учитывать то, что при соприкосновении двух даже самых гладких поверхностей, между ними все равно остаются мельчайшие полости и зазоры, заполненные воздухом.

Чтобы избавиться от вредного воздуха и позволить радиатору работать с максимальной отдачей, применяют различные тепловые интерфейсы, чаще всего это термопроводная паста (термопаста). Она имеют большую теплопроводность [благодаря использованию в своем составе таких веществ, как алюминий и серебро (до 90% содержания)] и за счет текучести заполняет собой все неровности в соприкасающихся поверхностях.

Термопаста поставляются в комплекте с большинством брендовых кулеров и радиаторов. Бывает в виде шприца или небольшого тюбика-пакетика. Рекомендуется избегать попадания термопасты на электрические элементы компьютера.

Одним из параметров термопаст является продолжительность периода, когда она выходит на максимальную эффективность. В среднем это время составляет около недели. Компания Coolink недавно произвела первую термопасту с добавлением наночастиц - ее преимуществом является то, что никакого периода ожидания нет.

Помимо термопасты есть и другой вид теплового интерфейса - проводящие прокладки. Суть их работы та же, но используются они по-другому - кладутся на поверхность контакта и при тепловом воздействии меняют свое агрегатное состояние, заполняя неровности и вытесняя воздух.

Итог по радиаторам

Несмотря на всевозможные вариации, самое главное преимущество радиатора то, что он не является источником какого-либо шума. К минусам можно отнести относительно низкую эффективность, отсутствие потенциала для разгона системы и зачастую крупные габариты.

Если доверять охлаждение современных видеокарт и процессоров пассивным радиаторам достаточно опасно, то охлаждение модулей памяти, жестких дисков, чипсета, цепей питания - возможно.

 

3. Кулеры

Кулер (англ. cooler -- охладитель) совокупность радиатора и вентилятора, устанавливаемого на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением. Самая главная задача устройства -- снижение температуры охлаждаемого объекта и поддержание ее на определенном уровне. Достигается это за счет непрерывного потока воздуха, обдувающего радиатор. То есть менее эффективный процесс излучения превращается в более эффективный -- конвекцию. Кулеры -- это самый простой, самый быстрый, доступный и, в большинстве случаев, достаточный способ охлаждения компонентов компьютера -- воздухом охлаждается все.

Кулеры бывают разных размеров - обычно от 40х40мм до 320х320мм.

Рисунок 5 Кулер

Самой важной частью любого кулера является его вентилятор. Именно он шумит у нас в системном блоке. А если быть более точным, то шум этот появляется при столкновении воздушного потока с радиатором. Особенно этот шум ощутим на дешевых моделях кулеров, т.к. над их дизайном никто не работает.

Вентилятор состоит из крыльчатки (в ней по внутреннему диаметру расположен магнит) и электромотора, который этот магнит вместе с крыльчаткой вращает. Через центр вентилятора идет осевой штырь, который размещается в центре мотора. Для большей плавности хода крыльчатки могут использоваться три вида подшипников (срок службы которых производители указывают в тысячах часов на упаковке):

-- Подшипник скольжения (sleeve bearing ) -- наиболее дешевый и наименее надежный вариант, создающий при работе высокий уровень шума.

-- Один подшипник скольжения (sleeve bearing ) и 1 подшипник качения (ball bearing) -- комбинированный подшипник- более долговечная конструкция, работающая в среднем в два раза дольше, чем на подшипнике скольжения.

-- Два или четыре подшипника качения (ball bearing) -- наиболее надежные варианты с низким уровнем шума, но стоят такие вентиляторы существенно дороже первых двух.

-- Игольчатые и NCB (наномиллиметровые керамические) подшипники -- устанавливаются в вентиляторы ограниченным числом производителей. Они отличаются низким уровнем шума, невысокой стоимостью и очень большим сроком службы.

Если срок службы указан в 40-50 тысяч часов (почти 5 лет, хотя бывает и больше -- до 300 000 часов), это вовсе не значит, что вспомнить о кулере в следующий раз придется только через это время. Нет, это число нужно делить на два-три, и все равно время от времени производить профилактические действия - протирать от пыли, продувать, смазывать. Если не ухаживать за кулером, он может начать шуметь, а если совсем про него забыть - то и остановиться.

Производительность вентилятора (расходная характеристика) - пожалуй, основная его характеристика. Измеряется она в количестве кубических футов воздуха, перегоняемых им в минуту, сокращенно -- CFM (Cubic Feet per Minute). Эта характеристика главным образом зависит от площади вентилятора, профиля лопастей и скорости их вращения. Чем больше это значение, тем выше эффективность охлаждения и, как правило, тем выше уровень шума, создаваемый вентилятором при работе.

Питание кулеров

Перегонять кубометры воздуха кулер может своими лопастями на скорости до 8000 оборотов в минуту (для сравнения, двигатель обычного легкового автомобиля выдает 5-8 тысяч оборотов, двигатель болида «Формула-1» -- до 22 000 оборотов). Но понятное дело, что при такой скорости шум от работы кулера будет ощутимым. Поэтому предпочтительнее брать кулеры с термодатчиками - которые «анализируют» температуру и в зависимости от ситуации могут увеличивать или уменьшать количество оборотов. Чаще всего это положительно сказывается на шуме от работы.

Все компьютерные кулеры питаются от постоянного тока, напряжение которого чаще всего составляет 12В. Для подключения к питанию они используют Molex-коннекторы (для Smart-вентиляторов) или PC-Plug-коннекторы. PC-Plug имеет четыре провода: два чёрных (земля), жёлтый (+12В) и красный (+5В).

Разъёмы Molex на материнских платах используются для того, чтобы система сама могла контролировать скорость вращения вентилятора, подавая на красный провод различное напряжение (обычно от 8 до 12 В). По жёлтому (сигнальному) проводу система узнает от кулера сведения о скорости вращения его лопастей. Использование Molex имеет один весомый недостаток: опасно цеплять вентиляторы с потребляемой мощностью более 6Вт. PC-Plug - выдерживает десятки Ватт. Но при подключении к нему Вы не сможете узнать, работает Ваш вентилятор или нет. Найти переходник с одного разъема на другой сейчас не составляет никакого труда - они часто идут в комплекте. Так же для снижения шума кулер иногда переводят на 5В или 7В. Шлейфы округляют, провода заплетают в косички или обтягивают оплеткой и убирают в укромное местечко - чтобы не мешали продуманной воздушной циркуляции.

О шумах

Все кулеры классифицируются по уровню шума, издаваемому от их работы на следующие классы (чем ниже уровень шума, тем более комфортной будет работа за компьютером):

-- Условно бесшумный. Уровень шума такой системы охлаждения составляет менее 24 дБ. Этот показатель ниже типового фонового шума в тихой комнате (в вечернее или ночное время суток). Таким образом, кулер не вносит практически никакого существенного вклада в шумовую картину. Обычно это значение достигается при минимальном числе оборотов вентилятора для систем с регулятором скорости вращения.

-- Малошумный. Уровень шума от такой системы охлаждения лежит в пределах от 24 до 30 дБ включительно. Кулер вносит еле ощущаемый вклад в акустику ПК.

-- Эргономичный. Уровень шума такой системы охлаждения лежит в диапазоне от 37 до 42 дБ включительно. Шум от такого кулера по всей вероятности будет заметен в большинстве пользовательских конфигураций компьютера.

-- Не эргономичный. Уровень шума рассматриваемой системы охлаждения больше 42 дБ. В таких условиях кулер будет являться основным «генератором» шума компьютера практически любой конфигурации. Домашнее применение такого кулера неоправданно - он больше подойдет для производственных и офисных помещений с фоновым шумом более 45 дБ.

Итог по кулерам

К плюсам кулеров относятся их распространенность, универсальность, доступность. Небольшую стоимость тоже можно отнести к плюсу, но стоит учитывать, что на хороший кулер жадничать не стоит - ведь это, по сути, второе сердце компьютера - нельзя, чтобы остановилось.

К минусам можно отнести возможные шумы, которые рано или поздно появятся на любом кулере.

Подводя итог вышесказанному. На данный момент кулер - самая распространенная система охлаждения, охладить которой можно что угодно - от процессора до винчестера и памяти. Вопрос заключается в выборе и подборе нужного кулера - ведь их существует великое множества от десятков производителей.