Компьютерные системы охлаждения. Как выбирать? Часть 1

Компьютерные системы охлаждения для современных технологий являются вещью вроде бы обыденной. К такому важному элементу рабочей системы часто относятся не очень серьезно, вернее, как к чему-то само собой разумеющемуся. Но современные температурные режимы работы компьютерных компонент практически зашкаливают, нередко компьютеры используются в экстремальных условиях, например, длительная работа при жаре и огромной расчетной нагрузке, разгон комплектующих, вентиляторы, решетки радиаторов покрываются слоями пыли и так далее. Мало того, собрав PC из самых передовых комплектующих, редко кто задумывается, какая «температурная каша» будет твориться внутри системного блока. Потом возникают вопросы охлаждения, которые в ряде случаев подразумевают и не совсем дешевые варианты решений. Причем при апгрейде системы охлаждения так или иначе возникнет вопрос места (дорогие системы обычно занимают много пространства, если не говорить о водяных). В общем, вопросов в рамках этой темы очень много… Попытаемся ответить на них полно и доступным языком, без сложных графиков и формул. Дело в том, что вопросы охлаждения и технологии, в нем участвующие, не так просты, как могут казаться на первый взгляд. Но легко и быстро осваиваются.

Scythe Godhand — концепт гигантского кулера, представленный на CeBIT 2009. По существу, конструкторский набор «Юный Сикорский»

Также стоит указать на тот факт, что мы не станем ориентироваться на удивительные дизайнерские находки и «решения для экстремалов». Такие могут и вертолетные лопасти к процессору привинтить, нас интересует только практический аспект.
Плюс к этому основной задачей материала является введение новичков в тему.

Немного физики без формул

Итак, по существу, любой элемент, проводящий электрический ток, в той или иной степени можно сравнить с нагревательным прибором, поскольку он в процессе своей «работы» излучает тепловую энергию. Количество этой энергии зависит, пожалуй, от многих факторов, например, если переводить на комплектующие, то это их структурные элементы, типы используемых материалов, конструкционные особенности и применяемые технологии. В компьютерном отношении также можно привести шуточное правило: кто больше работает, тот больше и нагревается. Главное в данном случае — избежать критических температур, которые могут повлиять на работоспособность того или иного устройства.

Процесс теплообмена подразумевает передачу теплоты от горячего тела к холодному. Но перед нами стоит задача сделать такой обмен наиболее эффективным. Поэтому не вдаваясь в теорию назовем два основных принципа охлаждения, применяемых в компьютерных системах:
1. Увеличение площади взаимодействия между горячим и холодным телами.
2. Адекватное ситуации увеличение разницы температур между горячим и холодным телами.

В качестве «холодного тела» наиболее часто мы используем воздух, а нередко и воду, которые имеют низкие значения теплопроводности, другими словами, их не так просто нагреть или охладить, на что тратится много энергии, а именно это нам в данном случае и нужно.

Рассмотрим первый случай…

Радиатор для северного моста Zalman ZM-NB47J

Радиаторы (или пассивные системы охлаждения)

Основное предназначение радиаторов — увеличение площади теплообмена. У нас есть реальность — сильно нагретая поверхность чипа. Она маленькая по размерам, следовательно, теплообмен между ней и воздухом происходит неэффективно. Как эту площадь расширить? Давайте пока представим себе фигурально и идеально: нужно плотно прикрепить к нагретому элементу большую пластину из материала с высокой теплопроводностью. То есть она быстро и фактически равномерно нагреется, и тем самым у нас уже будет большая площадь для теплообмена с воздухом. Но можно поступить и проще — достаточно сделать конструкцию, включающую множество ребер либо ответвлений других геометрических форм, то есть площадь теплообмена большая, но сама конструкция является компактной. Тем самым мы просто экономим место.

Именно такие конструкции и принято называть радиаторами (в переводе с английского — излучатели). В данном случае стоит отметить важность трех пунктов:
1. Правильный подбор материала (или материалов) радиатора.
2. Расчет конструкции.
3. Обеспечение максимально плотного крепления радиатора к чипу, поскольку если между ними будет воздушная прослойка (а у воздуха, напомним, низкая теплопроводность), то эффективность значительно падает.

Радиатор для охлаждения винчестера TITAN TTC-HD92

Материалы выбираются по значению теплопроводности, например, будет интересна следующая небольшая таблица:
Материал |Теплопроводность Вт/м*К
Серебро |430
Золото |320
Медь |382-390
Алюминий |202—236
Никель |90
Сталь |47

По сравнению с этим, отметим, что теплопроводность воздуха составляет 0,024-0,031 Вт/м*К, а воды — 0,6 Вт/м*К.
Итак, внимательно рассмотрев таблицу, понимаем, что наиболее доступными в ценовом плане с подходящими характеристиками теплоемкости являются алюминий и медь. Именно они чаще всего и используются. Медь лучше, алюминий — дешевле.

Конструкции радиаторов бывают различными, и выполнены также по разным технологиям: выдавливания, полностью отливаются, делаются спайкой. Если говорить об устройствах радиаторов для видеоплат, процессоров и некоторых других компонент, то нередко ребра и основание могут подразумевать две отдельные детали. И часто в таких случаях имеет место комбинирование материалов: основание — медь, ребра — алюминий. Ну а третий пункт из нашего списка требований вынесем в отдельный подраздел.

Литой радиатор игольчатого типа Zalman ZM-RHS88 максимизирует площадь поверхности для превосходного охлаждения

Термоинтерфейсы: термопрокладки и термопаста

Эффективность охлаждения чипа зависит от опять же площади соприкосновения охлаждаемого тела с радиатором. То есть нужно обеспечить максимальную плотность прилегания одного к другому таким образом, чтобы не появлялось воздушных фрагментов. Для этих целей используются две технологии: специальные термопрокладки и термопасты (теплопроводные пасты).

Термопрокладки внешне выглядят как полимерные резиноподобные пленочные пластинки и чаще всего уже прикреплены к основанию радиатора. Они обеспечивают достаточно плотное прилегание, плюс в некоторых вариантах материалов при нагреве приходят в аморфное состояние и заполняют все неровности соединения. Также распространены варианты из графита. Вообще, сейчас в силу более высокой теплопроводности наиболее часто используются термопасты.

Новинка этого года Thermalright HR-03 GT видеокарт GeForce GTX 480 и GTX 470.

Термопаста — это специальное проводящее вещество, которое при прижиме заливает все неровности и вытесняет воздух. В ее состав входят материалы с высокой теплопроводностью, в том числе нередко алюминий и серебро, а также угольная сажа, графит, никель, вольфрам, угольные нити, нанотрубки, микропорошки алмаза, металлический индий. Причем все это должно быть очень сильно измельчено для того, чтобы заполнить самые мелкие пустоты. Термопаст выпускается много, различных как по своим характеристикам (например, одной из основных является вязкость), так и по наполнителю. Есть отдельная разновидность термопаст — термоклеи, это фактически те же пасты, но с клеящим эффектом. Применение оных не совсем оправданно, поскольку при замене охлаждающей системы вы серьезно столкнетесь с вопросами очистки.

Вообще, эти самые вопросы очистки после использования старых термоинтерфейсов одни из самых краеугольных.

Обобщим

Если рассматривать радиаторы в качестве отдельных пассивных систем, то они хорошо подходят для элементов, требующих незначительного охлаждения. Для более эффективного варианта при использовании большого количество ребер в конструкции и их близком расположении друг к другу, эффективность этого самого охлаждения ухудшается, потому как в пазах будет находиться нагретый воздух, то есть для его обновления нужно реализовать смену воздушного потока.

Новинка этого года Thermalright HR-03 GTX видеокарт GeForce GTX 480 и GTX 470.

В дальнейшем за радиаторами без использования каких-либо ноу-хау по изменению температурного состояния мы закрепим названия пассивных систем охлаждения, остальное отнесем к активным, за исключением одного «но», которое также подразумевает системы пассивного типа.

Тепловые трубки

Нередко в системах охлаждения можно встретить такой элемент, как тепловые трубки. В ряде стандартных решений они встраиваются в радиаторы (проходят насквозь), хотя есть и ряд других конструкторских вариантов, но в любом случае они (эти трубки) должны быть в плотном контакте с охлаждаемой поверхностью.

Изначально это было довольно интересным и стандартным по идее ноу-хау, подразумевающим использование замкнутого цикла. В трубках, чаще всего сделанных из меди, находится легко испаряющаяся жидкость.

Схема работы тепловой трубки

В классическом варианте описания самого метода, разработанного еще в далеких 40-х годах прошлого века, как мы знаем, пар поднимается вверх, там охлаждается и потом вновь стекает вниз. Следовательно, требуется некая конструкция, гарантирующая вертикальное расположение.

В современных вариантах технология тепловых трубок претерпела некоторые изменения, а именно, для циркуляции используется не сила тяжести, как в примере, что мы рассказали выше, а капиллярные силы.

Внутри основной трубки вставлена другая, имеющая капиллярную структуру (сделана из специальных материалов, будь то пористая керамика или что-то подобное). Испарившаяся в нагретой части жидкость начинает распространяться по внутреннему пустотному каналу, а в охлаждаемой части происходит конденсация, и жидкость передается в нагретую область по капиллярному каналу. В этом варианте строгое вертикальное расположение не требуется. Причем в ряде случаев для охлаждающей части предусмотрен специальный радиатор, а для функционирования устройства (вернее, такого ноу-хау), достаточно соблюсти разницу температур между нагретой и охлаждаемой частями примерно в 15 градусов.

Популярная система охлаждения на тепловых трубках Zalman ZM80D-HP для видеокарты

Что касается легко испаряемой жидкости, то тут есть несколько вариантов в диапазоне от +20 до +80 градусов по Цельсию, продемонстрированных в таблице:

Вещество |Температура испарения (градусов по Цельсию)
Ацетон |56,2
Бензол |80,2
Сероуглерод |46,2
Спирт этиловый |78,3
Спирт пропиловый |96
Спирт метиловый |64,7
Эфир этиловый |34,6
Вода |100
Сложные составы |30-45

Причем, как вы можете заметить, мы сюда включили воду и тот же пропиловый спирт, температура кипения которых выше необходимого диапазона. Дело в том, что температуру кипения можно менять, то есть подстраивать, изменив давление. Например, уменьшив его до 0,05 кг/см2, мы получим точку кипения для той же воды на 30 градусах по Цельсию. Также нередко используются определенные смеси из названных материалов, подобранные в определенных пропорциях. К слову сказать, известны данные, что в ряде устройств не экспериментируют с давлением, а все решают химическим путем, используя смеси.

Также ранее очень модно было одевать винчестер в «корсет» с тепловыми трубками Zalman ZM-2HC1

Плюсы использования тепловых трубок очевидны, учитывая и тот факт, что они начинают эффективно работать в определенном диапазоне температур, когда уже появляется испарение от кипения. А минусы могут проявиться при критически высоких температурах и недостаточном охлаждении для конденсации, когда по сути вся жидкость превратится в пар. Но это уже крайний случай, причем производители также хорошо продумывают такие вопросы.

Радиаторы с тепловыми трубками можно отнести к пассивным системам охлаждения весьма условно, с одной стороны, вы установили устройство, и оно не требует никакого питания, нормально функционирует и так далее. С другой, мы уже имеем определенный активный метод по отводу тепла, во многом схожий по концепции с водными системами охлаждения, о которых мы расскажем чуть позже.

Вентиляторы

Не смотря на кажущуюся простоту вопроса, изготовление вентиляторов для компьютерных систем охлаждения — это целая наука. Ведь данные устройства должны обладать длительным сроком эксплуатации, малым уровнем шума, минимумом вибрации и так далее.

Вентилятор 80x80 Arctic Cooling Arctic F8 Pro TC. Тип подшипника гидродинамический, скорость вращения 500-2000 об/мин, воздушный поток 28 CFM, уровень шума 0.3 Sone, датчик температуры на конце провода

Структурно обычный «компьютерный» вентилятор состоит из корпуса в виде рамки, непосредственно электродвигателя и крыльчатки (системы с лопастями). Крыльчатка закреплена на одной оси с двигателем в большинстве случаев посредством подшипников. Срок эксплуатации вентилятора обычно упирается в один ключевой элемент — подшипник (или система из них). Подшипники могут использоваться нескольких видов, а именно: качения, скольжения (также смешанные варианты из двух) и гидродинамические. Последние являются самыми надежными и долговечными.

Уровень шума зависит от множества факторов: размеров устройства, крыльчатки (создаваемого ею аэродинамического шума), типа подшипников, типа двигателя и скорости. Это те факторы, которые проверяются производителями в рамках более-менее идеальных условий для приведения данных в спецификации к устройству. В реале цифры другие, но ненамного. В основном за счет изменения аэродинамического шума, который во многом зависит от препятствий (их конфигурации), расположенных на выходе и выходе вентилятора.

Вентилятор Cooler Master Blade Master 80 R4-BM8S-30PK. Скорость вращения: 800-3000 об/мин, воздушный поток 10.9-40.8 CFM, номинальный ток 0,26А (макс.), уровень шума: 13-28 дБ, размеры вентилятора 80x80x25 мм, питание 4pin, вес 77 г

На всякий случай укажем, что, например, приведенное значение в 20 дБ соответствует уровню громкости шепота, 30 дБ — тиканья часов, 40 дБ — приглушенной речи. Единственное, на что стоит обратить внимание: не рекомендуется брать дешевые поделки, там не только наврут в спецификации (если она будет), но и впечатление от работы устройства останутся соответствующими.

Специально для студий звукозаписи выпускаются малошумящие вентиляторы, подразумевающие ряд ноу-хау, но и стоят они соответствующе.

А в общем и целом, вам укажут:
. Размер.
. Тип подшипника.
. Диапазон RPM (оборотов в минуту).
. Воздушный поток в кубических футах в минуту (CFM, cubic feet per minute). Также часто указывается диапазоном.
. Уровень шума.
. Электрические характеристики.
. Вес.
. Многие современные модели имеют термодатчики, это указывается.

Также если вы берете вентиляторы отдельно, например для блока питания, либо просто хотите поместить в системный блок еще один, внимательно присмотритесь к качеству изготовления. Материал корпуса должен быть сделан из соответствующей пластмассы, не слишком мягкой и не слишком жесткой, поверхность лопастей должна быть идеально гладкой.

Вентилятор для охлаждения HDD Titan TTC-HD11 Ball Bearning

Что касается способов подключения, то их, как известно, несколько, хотя отдельно стоит сказать, что на материнских платах есть разъемы, через которые можно программно управлять скоростью вращения вентиляторов. Поэтому внимательно прочитайте мануал к системной плате. Управление скоростью вращения может производиться с устройствами, подключенными к трехштырьковому разъему Molex. В рамках коммутации к нему мы можем увидеть три входящих провода: черный (земля), красный (плюс) и желтый (сигнальный). Как раз по сигнальному поступает информация о скорости вращения, в результате чего можно менять напряжение, подаваемое на красный провод. При этом стоит отметить, что мануал прочитать нужно, потому как не все подобные разъемы могут подразумевать управление. В некоторых платах даже есть ситуация, когда изменять скорость вентиляторов можно только через определенные Molex.

Если вы приобрели вентилятор с подключением по стандартному четрехштырьковому разъему PC-Plug и хотите управлять скоростью его вращения, то, конечно, можно приобрести на рынке или в фирме переходник PC-Plug – Molex, но следует учитывать, что к материнской плате лучше не подключать вентиляторы мощнее 6 Вт.

Также, выбирая вентилятор, следует обратить внимание на отсутствие критической вибрации. Если мы покупаем такое устройство, имеет смысл попросить продавца его подключить, потом просто поставим устройство на стол либо положим на ладонь и посмотрим, есть ли ярко выраженная вибрация. То есть, вибрация в любом случае существует, но наличие чего-то ярко выраженного может прямо указать на артефакты рабочей части, то есть системы — двигатель, подшипники, крыльчатка.
По мере работы вентиляторы шумят все сильнее. Как минимум этому способствует наличие пыли на лопастях и ее появление в ребрах радиаторов, но есть и некоторые отличительные черты, которые можно ощутить на слух и по ним определить, что вентилятор неисправен. Как минимум это появление каких-нибудь ярко выраженных тонов в области низких и средних частот.

Вообще, вентилятор — это такая недорогая вещь, на которой не стоит экономить, поэтому выбирать лучше брендовых производителей.

Промежуточное завершение

На самом деле тема очень обширна, и тут одним небольшим материалом все не опишешь. Например, в следующей части мы поговорим о системах водяного охлаждения и приступим к обзору актуальных моделей кулеров.

Продолжение следует…

Кристофер christopher@tut.by