Обновлено: 02.07.2024

Первый: теплопроводность, способность вещества проводить тепло внутри своего объёма; в этом случае нужно только лишь создать физический контакт некоторого объёма вещества с охлаждаемым объектом. Из доступных веществ наилучшей теплопроводностью обладают металлы; радиаторы и теплообменники систем охлаждения как раз из них и изготавливаются. Среди металлов лучше всех проводит тепло серебро, из менее… Читать ещё >

Системы охлаждения (Компьютера) ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

• 1. Введение
• 2. Общие принципы охлаждения
• 3. Система охлаждения компьютера
  • 3. 1. Какие бывают системы охлаждения для ПК
  • 3. 2. Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов
  • 3. 3. Воздушные системы охлаждения
  • 3. 4. Жидкостные системы охлаждения
  • 3. 5. Системы охлаждения на основе тепловых трубок
  • 3. 6. Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

  Введение

  В последнее время гонка производительности настольных ПК поднялась на новый уровень. Растут тактовые частоты, вычислительные мощности, переход на многоядерную архитектуру и внедрение архитектуры х64 призвано поднять производительность ПК на новый уровень. Но существует обратная сторона медали. Современные процессоры и видеокарты давно перешагнули ту черту, когда для их охлаждения хватало простого вентилятора или примитивного радиатора. Сегодня они превратились в настоящих монстров, потребляющих огромное количество энергии и выделяющих ударные дозы тепла. Не отстают от них и прочие комплектующие ПК в лице оперативной памяти, винчестеров, блоков питания и материнских плат. При увеличении тактовых частот соответствующим образом увеличивается тепловыделение электронных компонентов. Так как у электронных схем работоспособность обеспечивается при узком диапазоне температур, то увеличение тепловыделения не может происходить бесконечно. Для решения этой проблемы можно пойти несколькими путями: во-первых, внедрение новых процессорных архитектур, технологических процессов позволяет снизить тепловыделение, но при появлении старших процессоров семейства это преимущество теряется. Существует второй путь — усовершенствовать системы охлаждения. Именно в этом направлении сейчас идет большинство производителей.

  Общие принципы охлаждения Попробуем разобраться в процессах, которые происходят при охлаждении. Понимая, что творится внутри системного блока, мы сможем грамотно выбрать стратегию модификации системы охлаждения.

  Все системы охлаждения используют общий принцип действия: перенос тепла от более горячего тела (охлаждаемого объекта) к менее горячему (системе охлаждения). При постоянном нагреве охлаждаемого объекта, рано или поздно прогреется также и система охлаждения, температура её сравняется с температурой охлаждаемого объекта, передача тепла прекратится — это вызовет перегрев. Чтобы этого не случилось, необходимо организовать подвод некоего холодного вещества, способного охлаждать саму систему охлаждения. Такое вещество принято называть хладагентом (теплоносителем). Например, будем считать, что вокруг компьютера есть неограниченный запас холодного воздуха: это предположение справедливо, если объём комнаты, в которой установлен один или несколько компьютеров, достаточно велик — воздух в комнате не нагревается существенно при помощи компьютеров. Типичная комната в жилом доме или офисе вполне удовлетворяет этим требованиям (23, "https://referat.bookap.info").

  Существует несколько механизмов переноса тепла.

  Первый: теплопроводность, способность вещества проводить тепло внутри своего объёма; в этом случае нужно только лишь создать физический контакт некоторого объёма вещества с охлаждаемым объектом. Из доступных веществ наилучшей теплопроводностью обладают металлы; радиаторы и теплообменники систем охлаждения как раз из них и изготавливаются. Среди металлов лучше всех проводит тепло серебро, из менее дорогих — медь, затем алюминий; как правило, именно поэтому медные радиаторы имеют большую эффективность, чем алюминиевые. Воздух, кстати, имеет очень невысокую теплопроводность (благодаря этому оконные пакеты в наших домах сохраняют тепло).

  Второй механизм: конвективный, теплообмен с хладагентом, связан с физическим переносом охлаждающего вещества; для эффективного охлаждения нужно организовать свободную циркуляцию воздуха. Категорически не рекомендуется устанавливать компьютер в глухой, закрытый ящик стола; также плохо, если компьютер установлен рядом с радиатором отопления.

  Третий механизм: тепловое излучение, его величина пренебрежимо мала в рассматриваемых процессах.

  Пример готового реферата по предмету: Электротехника

  Содержание

  2.Общие принципы охлаждения

  3.Система охлаждения компьютера

  3.1. Какие бывают системы охлаждения для ПК

  3.2. Пассивные системы охлаждения на основе радиаторов

  3.3. Воздушные системы охлаждения

  3.4. Жидкостные системы охлаждения

  3.5. Системы охлаждения на основе тепловых трубок

  3.6. Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

  4. Альтернативные системы охлаждения

  Выдержка из текста

  В последнее время гонка производительности настольных ПК поднялась на новый уровень. Растут тактовые частоты, вычислительные мощности, переход на многоядерную архитектуру и внедрение архитектуры х

  6. призвано поднять производительность ПК на новый уровень. Но существует обратная сторона медали. Современные процессоры и видеокарты давно перешагнули ту черту, когда для их охлаждения хватало простого вентилятора или примитивного радиатора. Сегодня они превратились в настоящих монстров, потребляющих огромное количество энергии и выделяющих ударные дозы тепла. Не отстают от них и прочие комплектующие ПК в лице оперативной памяти, винчестеров, блоков питания и материнских плат. При увеличении тактовых частот соответствующим образом увеличивается тепловыделение электронных компонентов. Так как у электронных схем работоспособность обеспечивается при узком диапазоне температур, то увеличение тепловыделения не может происходить бесконечно. Для решения этой проблемы можно пойти несколькими путями: во-первых, внедрение новых процессорных архитектур, технологических процессов позволяет снизить тепловыделение, но при появлении старших процессоров семейства это преимущество теряется. Существует второй путь — усовершенствовать системы охлаждения. Именно в этом направлении сейчас идет большинство производителей.

  Общие принципы охлаждения

  Попробуем разобраться в процессах, которые происходят при охлаждении. Понимая, что творится внутри системного блока, мы сможем грамотно выбрать стратегию модификации системы охлаждения.

  Все системы охлаждения используют общий принцип действия: перенос тепла от более горячего тела (охлаждаемого объекта) к менее горячему (системе охлаждения).

  При постоянном нагреве охлаждаемого объекта, рано или поздно прогреется также и система охлаждения, температура её сравняется с температурой охлаждаемого объекта, передача тепла прекратится — это вызовет перегрев. Чтобы этого не случилось, необходимо организовать подвод некоего холодного вещества, способного охлаждать саму систему охлаждения. Такое вещество принято называть хладагентом (теплоносителем).

  Например, будем считать, что вокруг компьютера есть неограниченный запас холодного воздуха: это предположение справедливо, если объём комнаты, в которой установлен один или несколько компьютеров, достаточно велик — воздух в комнате не нагревается существенно при помощи компьютеров. Типичная комната в жилом доме или офисе вполне удовлетворяет этим требованиям.

  Существует несколько механизмов переноса тепла.

  Первый: теплопроводность, способность вещества проводить тепло внутри своего объёма; в этом случае нужно только лишь создать физический контакт некоторого объёма вещества с охлаждаемым объектом. Из доступных веществ наилучшей теплопроводностью обладают металлы; радиаторы и теплообменники систем охлаждения как раз из них и изготавливаются. Среди металлов лучше всех проводит тепло серебро, из менее дорогих — медь, затем алюминий; как правило, именно поэтому медные радиаторы имеют большую эффективность, чем алюминиевые. Воздух, кстати, имеет очень невысокую теплопроводность (благодаря этому оконные пакеты в наших домах сохраняют тепло).

  Второй механизм: конвективный, теплообмен с хладагентом, связан с физическим переносом охлаждающего вещества; для эффективного охлаждения нужно организовать свободную циркуляцию воздуха. Категорически не рекомендуется устанавливать компьютер в глухой, закрытый ящик стола; также плохо, если компьютер установлен рядом с радиатором отопления.

  Третий механизм: тепловое излучение, его величина пренебрежимо мала в рассматриваемых процессах.

  Итак, для начала сформулируем основные принципы эффективного отвода тепла от источника. Это:

  Эффективный подвод холодного теплоносителя к источнику тепла.

  Эффективный теплообмен между источником тепла и теплоносителем.

  Эффективный отвод горячего теплоносителя от источника тепла.

  И посмотрим, как они реализуются в существующих традиционных системах охлаждения, условно классифицируя последние по типу применяемого теплоносителя.

  Нитрогенные системы (жидкий азот)

  
  

  
  Фото 1. Система охлаждения на жидком азоте (иллюстрация сайта )

  И отвод горячего теплоносителя тоже не является проблемой, поскольку все происходит само собой — азот быстро и с шумом испаряется. Но в этом подходе при массе его достоинств остается одна непроходимая проблема — собственно сам жидкий азот, который нужно будет покупать в огромных количествах и регулярно доливать в ту ужасную, покрытую инеем и туманом конструкцию, бывшую когда-то вашим персональным компьютером.

  Гидрогенные системы (водяное охлаждение)

  На кристалле процессора монтируется герметично закрытый теплоотвод, имеющий входную и выходную трубки (так называемые штуцеры). Вне корпуса или в его свободной области устанавливается теплообменник с вентилятором, похожий на автомобильный радиатор. Вместе с водяным насосом эти устройства трубками соединяются в замкнутую цепь, которая заполняется теплоносителем (водой). Насос прокачивает холодную воду через теплоотвод на процессоре, где она забирает тепло и нагревается. Этим обеспечивается поступление холодного теплоносителя и теплообмен с источником тепла. По трубкам вода поступает далее в теплообменник вне корпуса, где охлаждается и возвращается опять к теплоотводу (фото 2).

  
  

  
  Фото 2. Система водяного охлаждения Thermaltake Aquarius II

  В целом здесь соблюдены все принципы эффективного теплоотвода, однако опять же количество теплоносителя является ограниченным, поэтому возникает необходимость его повторного использования, то есть предварительного охлаждения. Вот если бы входную трубку теплоотвода воткнуть в холодную трубу водопроводных коммуникаций, а выходную трубку — в канализацию… :) Водяное охлаждение позволяет, образно говоря, вынести кулер на процессоре из корпуса, при некотором падении КПД. При цене порядка $100, системы водяного охлаждения дают выигрыш примерно в 10°C по сравнению с продвинутыми кулерами с нормально организованной системой продува воздуха внутри корпуса.

  Криогенные системы (фреон)

  
  

  
  Фото 3. Система испарительного охлаждения Asetek Vapochill (иллюстрация сайта Extreme Overclocking )

  В итоге получается своего рода минихолодильник на процессоре. При стандартном тепловыделении 70 Вт температура может поддерживаться в районе 5°C. Эффективность выше, но и стоимость — как минимум, несколько сотен долларов.

  Аэрогенные системы с элементами Пельтье (воздух)

  
  

  
  Фото 4. Кулер с термоэлектрическим модулем Пельтье - Thermaltake SubZero4 (иллюстрация сайта 3DVelocity )

  Традиционные схемы воздушного охлаждения

  Перейдем теперь к традиционному аэрогенному (воздушному) охлаждению. При всех его недостатках, оно обладает главным преимуществом — простотой и дешевизной реализации. Определенные же доработки позволяют по-новому взглянуть на дальнейшие перспективы воздушного охлаждения применительно к охлаждению все более мощных процессоров.

  Итак, на рис.1 приведена традиционная схема отвода тепла от микропроцессора, отражающая положение вещей в подавляющем большинстве системных блоков.

  
  

  
  Рис.1. Традиционная схема отвода тепла от процессора

  Самые распространенные корпуса сегодня — различные xTower, в которых материнская плата расположена вертикально. Находящийся сверху вентилятор (установленный в блоке питания) высасывает воздух из корпуса, и создающееся разрежение заполняется воздухом, поступающим из отверстий внизу корпуса (если нет других отверстий). Этим создается элементарное поступление потока холодного воздуха внутрь корпуса. Вентилятор на процессоре нагнетает воздух в теплоотвод, подсасывая его из внутрикорпусного пространства. Игольчатые теплоотводы практически не применяются в кулерах, гораздо более распространены пластинчато-ребристые теплоотводы, и их ребра направлены либо вертикально (как в нашем случае), либо горизонтально.

  В случае вертикального расположения (рис.1) имеет место очевидное короткое замыкание воздушных потоков. Выдуваемый вниз теплоотвода теплый воздух под действием конвекции поднимается вверх и опять засасывается вентилятором (имеет место так называемая рециркуляция). В этом случае не выполняются два необходимых условия — подвод и отвод теплоносителя. Соответственно, КПД кулера существенно падает. Элементарное перекрытие нижнего потока на теплоотводе позволяет выиграть пару градусов, однако остается открытым вопрос: почему производители печатных плат все-таки продолжают делать сокеты с таким расположением? Горизонтальное расположение несколько улучшает ситуацию, и на данный момент является оптимальным при прочих равных условиях.

  Thermaltake в свое время вышла на рынок, предложив радиальное расположение ребер — весьма интересное решение для горизонтального расположения материнской платы в корпусе. Но опять же, в GoldenOrb вентилятор был расположен внутри теплоотвода, отъедая львиную долю его полезной площади, поэтому, даже несмотря на дикий шум, эффективность его была очень далека от революционной. Странным оказалось решение этой проблемы в DragonOrb: вентилятор вынесли наружу, но вместо того чтобы продолжить обрубки теплоотвода вовнутрь, там расположили круговой ряд убогих торчащих медных пластинок. Многие производители подхватили инициативу и предложили вполне приличные кулеры с радиальными медными ребрами (т.е. расходящимися от центра к краям). Хотя, в последнее время подобных решений не так уж и много, а нынешние флагманские кулеры от Thermaltake и вовсе забросили былые начинания.

  Компания Zalman, известная в кругах компьютерных энтузиастов, предложила идею псевдопассивного кулера с веерным расположением ребер, обдуваемых вентилятором на отдельном кронштейне. Опять же для традиционного корпуса с вертикальным расположением кулера решение спорное, но его вполне приличная эффективность подтверждается практикой. С другой стороны, и цена кусается. :)

  Подытоживая рассмотрение ситуации, которая сложилась на сегодняшний день, хочется отметить, что принципиально ничего не изменилось. Все старания производителей систем воздушного охлаждения процессоров направлены в сторону второго принципа эффективного охлаждения — улучшения теплообмена теплоносителя с источником тепла. В то же время задача подвода холодного воздуха (теплоносителя) и отвода отработавшего воздуха целиком возлагается на остальные компоненты — вентилятор в блоке питания, а также системный выдувной и системный вдувной вентиляторы (если таковые вообще имеются). Установка вентиляторов в места, предусмотренные в корпусе, дает зачастую только усиление шума вместо ожидаемого охлаждения перегретого процессора. А иногда, за счет смещения воздушных потоков внутри корпуса, температура процессора становится даже выше. Производители системных блоков стараются вовсю, подготавливая по 2-3 вентиляторных места на вдув и выдув, вырезая дырки в корпусах напротив процессорного кулера. Но толку обычно мало…

  Системы охлаждения компьютера: пассивная, активная, жидкостная, фреоновая, ватерчиллер, открытого испарения, каскадная, система охлаждения на элементах Пельтье

  В процессе работы компьютера некоторые из его компонентов сильно нагреваются, и если образующееся тепло достаточно быстро не отводить, то компьютер просто не сможет работать в силу нарушения нормальных характеристик его главных полупроводниковых составляющих.

  Отвод тепла от нагревающихся частей компьютера является важнейшей задачей, которую решает система охлаждения компьютера, представляющая собой набор специализированных средств, функционирующих непрерывно, системно и слаженно на протяжении всего времени, пока компьютер активно используется.

  
  

  В ходе работы системы охлаждения компьютера утилизируется тепло, образующееся при прохождении рабочих токов через ключевые элементы компьютера, особенно через элементы его системного блока. Количество выделяемого при этом тепла зависит от вычислительных ресурсов компьютера и от его текущей загруженности по отношению ко всем имеющимся в распоряжении машины ресурсам.

  Также существуют системы жидкостного охлаждения, когда тепло сначала перемещается теплоносителем, а затем опять же утилизируется в атмосферу. Существуют системы открытого испарения, в которых отвод тепла происходит благодаря фазовому переходу теплоносителя.

  Итак, по принципу отведения тепла от нагревающихся частей компьютера, системы охлаждения бывают: воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, фреоновые, открытого испарения и комбинированные (на базе элементов Пельтье и ватерчиллер).

  
  

  Пассивная система воздушного охлаждения

  Нетеплонагруженная аппаратура вовсе не требует никаких особых систем охлаждения. К нетеплонагруженной относится такая аппаратура, у которой тепловой поток с одного квадратного сантиметра нагреваемой поверхности (плотность теплового потока) не превышает 0,5 мВт. В данных условиях перегрев разогретой поверхности относительно окружающего воздуха не окажется выше 0,5 °C, обычный максимум для подобного случая +60 °C.

  Но если тепловые параметры компонентов в обычном режиме их работы превышают данные значения (при сохранении тепловыделения, однако, относительно низким), то на такие компоненты устанавливают исключительно радиаторы, то есть приспособления для пассивного отвода тепла, системы так называемого пассивного охлаждения.

  При невысокой мощности чипа или при постоянной ограниченности требований к вычислительной емкости системы, как правило хватает просто радиатора, даже без вентилятора. Радиатор подбирается в каждом случае индивидуально.

  Принципиально пассивная система охлаждения работает следующим образом. Тепло передается непосредственно от нагревающегося компонента (чипа) к радиатору, благодаря теплопроводности материала либо при помощи тепловых трубок (термосифон или испарительная камера представляют собой разновидности принципиальных решений с тепловыми трубками).

  Функция радиатора — излучать тепло в окружающее пространство посредством ИК-излучения и передачи тепла просто благодаря теплопроводности окружающего воздуха, способствующей возникновению естественных конвекционных потоков. Чтобы тепло излучалось по всей площади радиатора как можно более интенсивно, поверхность радиатора делают черной.

  
  

  Более всего на сегодняшний день (в различной технике, включающей и компьютеры) распространена именно пассивная система охлаждения. Такая система весьма универсальна, ведь радиаторы легко монтируются на большинство компонентов, обладающих интенсивным тепловыделением. Чем больше эффективная площадь рассеивания радиатором тепла — тем эффективнее осуществляется охлаждение.

  Немаловажными факторами, влияющими на эффективность охлаждения, являются скорость проходящего через радиатор воздушного потока и температура (особенно — разность температур относительно окружающей среды).

  Многие знают, что прежде чем монтировать радиатор на компонент, необходимо нанести на сопрягаемые поверхности теплопроводную пасту (например КПТ-8). Это делается для увеличения теплопроводности в пространстве между компонентами.

  Изначально проблема состоит в том, что поверхности радиатора и компонента, на который он устанавливается, после заводского изготовления и шлифовки все равно имеют шероховатости порядка 10 мкм, и даже после полировки около 5 мкм шероховатостей остается. Данные неровности мешают сопрягаемым поверхностям прижаться друг к другу максимально плотно, без зазора, в итоге образуется воздушная щель с низкой теплопроводностью.

  Радиаторы наибольшей величины и активной площади устанавливаются обычно на центральный и графический процессоры. Если необходимо собрать бесшумный компьютер, то учитывая низкую скорость прохождения воздуха, необходимы специальные очень большие радиаторы, отличающиеся повышенной эффективностью отвода тепла.

  Активная система воздушного охлаждения

  
  

  Чтобы улучшить охлаждение, сделать прохождение воздушного потока через радиатор более интенсивным, дополнительно применяют вентиляторы. Радиатор оснащенный вентилятором называется кулером. Именно кулеры ставят на графический и центральный процессоры компьютера. Если на какой-то из компонентов, вроде жесткого диска, установить радиатор не удается или это не целесообразно, то применяют просто обдув вентилятором без радиатора. Этого бывает вполне достаточно.

  Жидкостная система охлаждения

  Система жидкостного охлаждения работает по принципу переноса тепла от охлаждаемого компонента на радиатор при помощи циркулирующей в системе рабочей жидкости. Такой жидкостью обычно выступает дистиллированная вода с бактерицидными и антигальваническими добавками, либо антифриз, масло, прочие специальные жидкости, а в некоторых случаях и жидкий металл.

  Такая система обязательно включает в себя: насос для обеспечения циркуляции жидкости и теплосъемник (водоблок, головка охлаждения) для отбора тепла у нагревающегося элемента и передачи его к рабочей жидкости. Далее тепло рассеивается радиатором (активной или пассивной системы).

  Кроме того в системе жидкого охлаждения имеется резервуар с рабочей жидкостью, обеспечивающий компенсацию ее теплового расширения и увеличивающий тепловую инерцию системы. Резервуар удобно заправлять, также через него удобно сливать рабочую жидкость. Необходимые шланги и трубы обязательно присутствуют в такой системе. Опционально может иметься и датчик потока жидкости.

  
  

  Рабочая жидкость обладает достаточно высокой теплоемкостью, чтобы при низкой скорости ее циркуляции обеспечить высокую эффективность охлаждения, и большой теплопроводностью, что сводит к минимуму перепад температур между поверхностью испарения и стенкой трубки.

  Фреоновая система охлаждения

  При экстремальном разгоне процессора необходима отрицательная температура на охлаждаемом элементе при его непрерывной работе. Для этого и нужны фреоновые установки. Данные системы представляют собой холодильные установки, у которых испаритель устанавливается прямо на компонент, от которого необходимо отводить тепло с очень высокой скоростью.

  
  

  Недостатками фреоновой системы, помимо ее сложности, являются: необходимость теплоизоляции, обязательная борьба с конденсатом, трудность охлаждения одновременно нескольких компонентов, высокое энергопотребление и дороговизна.

  Ватерчиллер

  
  

  Ватерчиллером называется система охлаждения, сочетающая в себе фреоновую установку и жидкостное охлаждение. Здесь циркулирующий в системе антифриз дополнительно охлаждается в теплообменнике при помощи фреоновой установки.

  В системе такого рода отрицательная температура получается при помощи фреоновой установки, а жидкость может охлаждать одновременно несколько компонентов. Обычная фреоновая система охлаждения такого не позволяет. Недостатки ватерчиллера — необходимость теплоизоляции всей системы, а также сложность и высокая стоимость.

  Система охлаждения открытого испарения

  
  

  В системах охлаждения открытого испарения используется рабочее тело - хладагент, такой как гелий, жидкий азот или сухой лед. Рабочее тело испаряется в открытом стакане, устанавливаемом прямо на нагревающемся элементе, который необходимо очень быстро охлаждать.

  Каскадная система охлаждения

  
  

  Под каскадной системой охлаждения подразумевается одновременное последовательное включение двух и более фреоновых установок. Чтобы достичь более низких температур, применяют фреон с пониженной температурой кипения. Если фреоновая машина однокаскадная, то приходится повышать рабочее давление мощными компрессорами.

  Но существует и альтернатива — охлаждение радиатора фреоновой установки еще одной подобной установкой. Таким образом рабочее давление в системе может быть понижено, и высокая мощность от компрессоров уже не потребуется, можно применять обычные компрессоры. Каскадная система, несмотря на ее сложность, позволяет достичь более низкой температуры чем с обычной фреоновой установкой, и в сравнении с системой открытого испарения такая установка может работать непрерывно.

  Система охлаждения на элементах Пельтье

  
  

  В системе охлаждения с элементом Пельтье он устанавливается своей холодной стороной на охлаждаемую поверхность, в то время как горячая сторона элемента требует во время его работы интенсивного охлаждения какой-нибудь другой системой. Система получается относительно компактной.

  Читайте также:

    
  • Глина в строительстве реферат
    
  • Реферат на тему неврастения
    
  • Архитектура беларуси 9 13 века реферат
    
  • Технологическая фаза научного исследования реферат
    
  • Техника в системе общественных отношений реферат