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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Refrigeración del procesador. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Компьютеры Los dispositivos de refrigeración de las unidades informáticas modernas son estructuras complejas que incluyen un sistema de intercambio de calor, un soplador de refrigerante, un dispositivo de seguimiento y control y un punto de conexión a un objeto enfriado. Las especificaciones para estos sistemas generalmente no están disponibles y el usuario debe confiar en su propia experiencia. El artículo que se llama la atención de los lectores ayudará a comprender las complejidades del dispositivo y el uso de dispositivos de enfriamiento. Como saben, Intel limita la temperatura de funcionamiento de sus procesadores a +66...78 °С, AMD a +85...90 °С. A +23 °C en la habitación, la temperatura del aire dentro de la unidad del sistema informático es 10...15 °C más alta, y el procesador es 20...35 °C más alta. Como resultado, la temperatura del procesador puede alcanzar los +75 °C, y en climas cálidos (+35...40 °C) - +92 °C. De esto se deduce que los procesadores modernos a plena carga requieren un enfriamiento efectivo, y no todos los enfriadores (enfriador - enfriador) pueden proporcionarlo. Por no hablar de aquellos a los que les gusta exprimir todo lo que pueden de su computadora. Para ellos, un enfriador eficiente es imprescindible. Por lo tanto, a menudo surge la pregunta, ¿qué enfriador elegir? Actualmente, se producen muchos tipos de dispositivos de refrigeración en el mundo. Estos son enfriadores en los que el refrigerante es aire, y recientemente aparecieron dispositivos de enfriamiento por agua y termoeléctricos, y enfriadores en tuberías de calor, e incluso algunos tan exóticos como las unidades de refrigeración por compresión de vapor. Y los aficionados incluso experimentan con gases licuados y hielo seco. Con el nivel actual de producción de calor, los enfriadores que usan aire como refrigerante se usan ampliamente y hacen frente con éxito a la tarea de enfriar los componentes de la computadora. Según el tipo de intercambio de calor, se dividen en dispositivos con convección natural y ventilación forzada. Los primeros se utilizan en sistemas con liberación de calor de hasta 10 ... 15 W, el segundo, en niveles de liberación de calor de hasta 100 W. En los enfriadores del segundo grupo, la potencia térmica extraída es proporcional a la superficie del radiador (en adelante, se utiliza este término, ya que está bien establecido en la literatura informática), la diferencia de temperatura entre este y el aire de refrigeración. y la velocidad del flujo de aire. Los más comunes son los radiadores acanalados, con menos frecuencia usan tipos más complejos de pines y turbinas. Los enfriadores de tipo turbina, desde el conocido GoldenOrb hasta los modelos modernos, han demostrado su eficacia debido a su alta eficiencia. El GoldenOrb, que el autor ha utilizado durante tres años, a pesar del área bastante pequeña de las aletas, se ha mostrado solo en el lado positivo. Se eligió debido a la propiedad de este diseño de crear un flujo de aire que se extiende desde el procesador sobre la placa base, lo que proporciona refrigeración adicional para los componentes ubicados en ella. ¿Cuál es la razón de su eficacia? Como resultado del análisis, resultó que en los radiadores tipo turbina con aletas de sección constante, el canal de aire tiene una sección transversal creciente a lo largo del flujo de aire, lo que garantiza un flujo constante y alto de aire de calefacción en él. baja potencia del ventilador. Además, la dirección correcta de las aletas girando a lo largo del flujo de aire reduce su resistencia dinámica del gas, la velocidad del aire de refrigeración es mayor (hasta 5 m/s) que en los radiadores de aletas (hasta 2 m/s). Como resultado, su resistencia térmica es proporcional a la resistencia térmica de un disipador de calor con aletas con un área aproximadamente 2,5 veces mayor. Se puede recomendar el uso de un enfriador de cobre de este modelo para disipación de calor de hasta 50 W. Otros enfriadores de este tipo, por ejemplo, con un canal de sección transversal constante (nervaduras - forma trapezoidal), tienen una eficiencia menor. Los enfriadores con disipadores de aguja mostraron una alta eficiencia debido a su mayor área de superficie que los disipadores de aletas de las mismas dimensiones. Los enfriadores con disipadores de calor acanalados han encontrado la aplicación más amplia. Son fáciles de calcular y baratos de fabricar. Consideremos las principales dependencias que describen las características de tales dispositivos. En primer lugar, esta es la ecuación de balance de calor:
donde P es la potencia térmica extraída por el radiador; c es la capacidad calorífica específica del aire; p - densidad del aire; V - velocidad del aire en el canal; Escaneo: área de la sección del canal; ΔТ = Тр - Тс - temperatura de calentamiento del aire en el conducto; Tr - temperatura del radiador; Тс es la temperatura del medio (aire); a es el coeficiente de transferencia de calor del radiador; S es el área de la superficie. La resistencia térmica Rp (es numéricamente igual a la temperatura de sobrecalentamiento del disipador por 1 W de potencia de entrada, °C/W) caracteriza la caída de temperatura en el circuito en serie de cualquier elemento en el flujo de calor, y en este caso, la temperatura resistencia del procesador-disipador:
donde Рр es la potencia suministrada al radiador y disipada por él, W; ΔT es la diferencia de temperatura en la superficie de contacto. Conociendo la resistencia térmica de cada enlace del circuito térmico, podemos estimar la distribución de temperatura a lo largo del mismo desde el disipador hasta el chip del procesador:
donde Tr es la temperatura del radiador; Tc - temperatura del cristal; Rproc - potencia disipada por el procesador; RK_K - paquete de procesador de cristal de resistencia térmica; RK - resistencia térmica de la carcasa del procesador-radiador; Rp - resistencia térmica radiador-ambiente. La resistencia térmica de la superficie de contacto cuando se usa una pasta conductora de calor entre dos elementos en el camino del flujo de calor se puede estimar mediante la fórmula empírica:
donde Sn es el área de la superficie de contacto. El área de superficie de contacto de los procesadores existentes es aproximadamente de 2 a 15 cm2, la resistencia térmica RK es de 1 a 0,15 °C/W, el uso de pasta conductora de calor la reduce a 0,5...0,07 °C/W. Cuando se utilizan adhesivos sin relleno, es posible alcanzar valores de RK que son, en el mejor de los casos, proporcionales al valor correspondiente a las superficies de contacto secas, los adhesivos con relleno permiten alcanzar valores de RK cercanos a los obtenidos con el uso de pasta termoconductora. El hecho es que la pasta conductora de calor que no se seca se extiende bajo la presión del mecanismo de fijación, y obtenemos su capa de espesor mínimo, y los adhesivos, que se endurecen rápidamente, retienen el espacio que surgió durante la instalación inicial, y determina en gran medida la resistencia térmica. La principal desventaja de tal conexión es su rigidez: cuando se calienta, las deformaciones del radiador se transfieren en forma de tensiones mecánicas a la carcasa del procesador, las consecuencias pueden ser tristes. Por supuesto, el proceso de cálculo del régimen térmico de un par procesador-refrigerador es mucho más complicado, pero las fórmulas anteriores son suficientes para comprender los procesos que tienen lugar en el sistema. Y para realizar cálculos de evaluación, puede consultar la literatura especial (ver, por ejemplo, el Manual del diseñador REE, editado por R. G. Varlamov. - M .: Radio soviética, 1980). Hay dos tipos de enfriadores de líquidos, gravedad y bombeo forzado. Los primeros, a pesar de utilizar un refrigerante (agua) con una capacidad calorífica superior a la del aire, tienen unas características acordes a las de los mejores enfriadores de aire, muy por debajo de lo esperado. Esto se explica por el bajo caudal del refrigerante y la diferencia de temperatura requerida para crear una caída de presión en la unidad de extracción de calor del procesador y el intercambiador de calor. Cuando se utiliza bombeo forzado, la eliminación de calor es más eficiente y la temperatura del procesador es 10...15 °C más baja que en el caso anterior. Pero si la calidad de la conexión de los tubos se puede garantizar solo a través de la precisión, entonces, en presencia de un exceso de presión en los tubos de conexión, los problemas para garantizar la estanqueidad son más difíciles de resolver. No debemos olvidar que el agua tiene un alto coeficiente de expansión volumétrica, por lo que se necesita un recipiente adicional, ubicado sobre el nodo más alto del sistema. De acuerdo con las reglas, este contenedor debe tener un dispositivo que iguale la presión del aire circundante y en el sistema de enfriamiento. En el caso más simple, se trata de un hueco que lo comunica con el medio exterior. Como resultado, el vapor de agua siempre ingresará al volumen de la unidad del sistema. El uso de dispositivos de ecualización de presión sellados reduce la confiabilidad del diseño. También hay dificultades sobre las que los fabricantes no escriben, pero que enfrentaron todos los que trabajaron con sistemas de refrigeración por agua de equipos electrónicos. Estos son microorganismos. Para evitar su crecimiento en condiciones tan cómodas, es necesario tomar medidas especiales y enjuagar el sistema al menos una vez al año. El uso de refrigeradores líquidos es efectivo a potencias superiores a 1000 vatios. No se recomiendan para enfriar procesadores debido a la baja potencia de salida y la complejidad de la operación. Otro tipo de enfriadores son los dispositivos que utilizan elementos termoeléctricos Peltier. Un ejemplo es el refrigerador refrigerado por aire MCX462+T de SwiftTech para cargas térmicas de hasta 100 W. El producto está diseñado para usarse en sistemas donde la refrigeración líquida es inaceptable. Los 127 termoelementos de este enfriador son alimentados por la fuente de alimentación Meanwell S320-12 recomendada por la empresa con un voltaje de salida de 15,2 V y una corriente de carga de 24 A. El dispositivo brinda una capacidad de enfriamiento máxima de 226 W y una diferencia de temperatura de más de 67°C. Su precio sin ventilador es de unos $90, y el precio del juego completo es de $130...170. De hecho, el elemento Peltier es una bomba de calor. Proporciona transferencia de calor del procesador al disipador de calor, gastando energía en él y agregando su propio calor al calor generado por el procesador, que, con una eficiencia de alrededor del 50 %, es proporcional a la salida, y esto aumenta la disipación de calor en la unidad del sistema. También es necesario proporcionar un control "inteligente" de la termopila, según el calentamiento del procesador, para evitar una disminución excesiva de su temperatura y, como resultado, la condensación de humedad en ella. Ajustar la capacidad de enfriamiento de los elementos térmicos le permite monitorear de manera flexible la disipación de calor del procesador y optimizar el consumo de energía. Las ventajas de los enfriadores basados en elementos Peltier incluyen su capacidad para reducir la temperatura de funcionamiento del procesador en 67 ° C, las desventajas son el alto consumo de energía (hasta 100 W) y la disipación de calor, la complejidad del diseño y la ausencia de placas base equipadas con automático dispositivos de control. Sin control de temperatura del procesador, éste y la placa base pueden fallar. Este tipo de enfriadores, cuando trabajan junto con un dispositivo de control, pueden recomendarse para experimentos con microprocesadores "overclocking". Me gustaría advertirle que no instale un enfriador de este tipo usted mismo: en el "mejor" caso, perderá el procesador y, en el peor de los casos, también la placa base. El hecho es que para un enfriamiento efectivo es necesario unir dos pares de superficies (procesador-elemento térmico y elemento térmico-radiador) con una resistencia térmica mínima a una fuerza de compresión estrictamente especificada. Con alta calidad, esto solo puede hacerlo un especialista que tenga una amplia experiencia trabajando con dichos dispositivos. En caso de falla, el uso de dicho enfriador solo traerá problemas adicionales. Para evaluar las características térmicas de un enfriador de aire estándar con disipador de aletas y su eficiencia, dependiendo del material del disipador (aleación de aluminio, cobre), se realizó un cálculo con enfoque en el enfriador del procesador P4 de acuerdo con el metodología descrita en el manual de referencia mencionado anteriormente. Datos iniciales: radiador acanalado con una superficie soplada de 1560 cm2, la superficie es rugosa, ennegrecida, la montura es estándar; disipación de potencia - 80 W, temperatura del aire - +40 °С, velocidad de soplado - alrededor de 1 m/s. Los resultados del cálculo se ilustran mediante la tabla y los gráficos que se muestran en la figura. En la tabla se aceptan las siguientes designaciones: ΔTr_cr: diferencia de temperatura en la unión del radiador y el cristal (valor más bajo, cuando se usa pasta conductora de calor, más grande, sin ella); Тcr - temperatura del cristal en los mismos casos; Рras es la potencia total disipada por el radiador; Rras. izl. negro: potencia disipada a través de la radiación de un radiador ennegrecido.
Como puede verse en la figura, un radiador de aleación de aluminio (AI) proporciona (ceteris paribus) aproximadamente 77 W de potencia calorífica a una temperatura del radiador de +52 °C, y cobre (Cu), casi 80 W a una temperatura del radiador de aproximadamente +34,5, 1,5°C. Es decir, en el caso que nos ocupa, con la misma potencia térmica, la temperatura del radiador de cobre es 1 veces menor. Esto permite recomendar el uso de disipadores de calor de cobre en los refrigeradores para enfriar procesadores potentes. Hacen frente con éxito a la tarea (con un grosor de aleta de más de XNUMX mm), sin las desventajas de los dispositivos de agua y termoeléctricos. La tabla permite estimar la temperatura del cristal para estos puntos.
El radiador calculado tiene una resistencia térmica de contacto RK = 0,2 °С/W con pasta conductora de calor y 0,4 °С/W sin ella. La resistencia térmica de un radiador de aleación de aluminio es de 0,67 °C/W, de cobre - 0,45 °C/W (en ambos casos a potencia nominal) Analizando la ecuación de balance de calor (1) y basándonos en la experiencia operativa de los sistemas de refrigeración, podemos recomendar:
Y una recomendación general, que no se pudo discutir por su manido, pero la práctica demuestra que no todos los profesionales se adhieren a ella. Aplicar correctamente la pasta térmica, facilitará el funcionamiento del procesador. Al retirar el enfriador, debe verse una fina capa de pasta casi transparente en toda la superficie de contacto. Repetidamente tuve que ver solo una bofetada en el centro. Tal uso de la pasta solo empeora las condiciones de enfriamiento. Resumamos. Para comprender cómo se elimina la energía térmica del procesador, debe conocer algunas disposiciones y dependencias:
Autor: A.Sorokin, Raduzhny, región de Vladimir
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