Malá škola chlazení

 

 

Pokud jsem v názvu použil slovo škola, pak je jasné, že se budete muset prokousat divnými termíny, jako třeba "tepelná bilance" – jo a taky budete muset přežít pár vzorečků. Pokud se článek dostane do rukou skutečnému odborníkovi, ten možná zešediví z hrubých zjednodušení, která místy používám –  na svou obranu mohu uvést jen to, že i já mám příslušné vysokoškolské vzdělání. Pojednání má tři části:

 

 

1.  Chlazení skříně

2.  Chlazení procesoru

3.  Návrh optimálního technického řešení

 

 

V Ostravě dne 5. 9. 2007

Doplněn odkaz 4.2.2008, na internetu od 21.září 2008

Doplněno Post scriptum 17. listopadu 2009

 

Článek je vedlejším produktem této konstrukce…

 

 

Část 1: CHLAZENÍ SKŘÍNĚ

 

Kalorimetrická rovnice

 

Nejprve si sestavíme celkovou tepelnou bilanci systému na základě obrázku 1:

 

Obr.1

 

Na obrázku je obvyklé uspořádání počítačové skříně z boku – vlevo nahoře je zdroj s velkým ventilátorem zespodu, pod ním je chladič procesoru se samostatným ventilátorem. Vzduch o teplotě 20°C je nasáván vpravo dole. Součástí našeho zadání je, že spotřeba počítače činí 100 W a vzduch vystupující ze zdroje má teplotu 40°C. Jaký je průtok vzduchu přes ventilátor zdroje?

 

Kalorimetrická rovnice:

 

Q = F×CP×ΔT0                                                                     (1)

 

Kde        Q = 100 W = 100 J/s je ztrátový výkon počítače,

CP  =   1,2 J.l-1.K-1 je měrné teplo vzduchu, vztažené na litr vzduchu (konstantní je ovšem měrné teplo vztažené na hmotnost, při přesném výpočtu by bylo třeba zohlednit skutečnost, že množství vzduchu v jednom litru a tedy i tepelná kapacita závisí na teplotě, náš výpočet je tedy jen orientační);

 

ΔT0 = (40 °C – 20 °C) = 20 K,

 

Poznámka k terminologii: Teplotní rozdíl uvádíme v K (Kelviny), ty jsou totožné se stupni Celsiovými, jen počátek teplotní osy je jinde:   °C = K - 273,15

 

Po dosazení vychází průtok vzduchu

 

F = 4,2 l.s-1

 

Závěr: Pokud má počítač spotřebu 100 W a teplota vstupního vzduchu je 20°C, pak při průtoku vzduchu 4,2 litrů za sekundu bude teplota výstupního vzduchu 40°C – a to nezávisle na tom,  jaké je vnitřní uspořádání chlazení!  Takže

 

Poučení číslo 1:

           

 

Pokud vzduch opouští počítačovou skříň jen na jednom místě, pak teplota vzduchu opouštějícího skříň závisí pouze na vstupní teplotě vzduchu a poměru průtoku vzduchu a příkonu počítače.

 

 

 

Do našich úvah nyní zařadíme druhý ventilátor o zhruba stejném výkonu, umístěný do sání vzduchu, viz následující obrázek 2. Dosáhneme dvojnásobného průtoku (8,4 l.s-1) a teplota výstupního vzduchu klesne na 30°C,  jak si snadno odvodíte dosazením do kalorimetrické rovnice…

 

Obr.2

  

….jenže všechno je jinak:

 

Moderní zdroje bývají někdy konstruovány tak,  že automaticky snižují otáčky, pokud teplota vystupujícího vzduchu nedosahuje jisté kritické hranice – tou hranicí u nějakého konkrétního zdroje může být zrovna 40°C – a zdroj ventilátor prakticky vypne. Takže pak průtok vzduchu místo ventilátoru zdroje bude zajišťovat ventilátor skříně a při stejném výkonu teplota ve skříni bude zase 40°C …

 

Zobecnění: Pokud přidáte do skříně další ventilátor, efekt může být nepředvídatelný nebo žádný. A ještě větší zobecnění:

 

 

Poučení číslo 2: 

 

 

Čím méně je ve skříni ventilátorů, tím lépe.

 

 

Pokud se vrátíme zpět k obrázku 1, skříň počítače jsme pokládali za ideálně míchanou nádobu, neboli vycházeli jsme z toho, že ventilátor procesoru  stačí teplo z elektronických obvodů stejnoměrně rozfoukat po celé skříni a že tak má vzduch všude ve skříni výstupní teplotu, v našem případě 40°C. Symbolicky jsme to ilustrovali tak, že jsme zadní víko skříně celé stejnoměrně zabarvili červeně.   

 

On ale může nastat případ, že se nám na výstup počítače pronikne chladný vzduch. Modelová situace je znázorněna na obr. 3, kde je zdroj instalován u dna skříně a chladný vzduch (který je těžší než vzduch teplý) se "plíží" po dně skříně:

 

Obr.3

 

Výkon ventilátoru berme pořád stejný, jako na obrázku 1, tedy 4,2 l.s-1. Z bilance pak plyne, že průměrná teplota výstupního vzduchu musí být stále 40°C.  Předpokládejme,  že polovina průtoku, tedy 2,1 l.s-1 se na ventilátor dostane "zkratkou" při dně skříně; přitom se přece jen trochu promísí a ohřeje, bude tak mít teplotu řekněme 30°C. Aby byla zachována průměrná výstupní teplota 40°C, musí mít druhá polovina vzduchu teplotu vyšší, neboli: teplota vzduchu v nitru skříně u základové desky a procesoru bude o to vyšší, oč nižší je teplota "falešného" vzduchu (v našem modelovém případě matematicky vychází 50°C, tedy zvýšení o 10°). 

 

Studený vzduch se ovšem může "plížit" nejenom po dně, ale i po bočnici, pokud jsou v ní otvory. Odstrašujícím příkladem (mluvím ze zkušenosti…) je jinak velmi sympatická EuroCase 3D01 DESKTOP, která má celou jednu stěnu z děrovaného plechu. My si ale probereme běžnější případ, totiž trendové skříně s otvorem na větrný tunel. Taková je třeba skříň, jež byla nedávno recenzovaná na www.svethardware.cz:

 

 

Obr.4

 

V recenzi se píše: "Skříně nám z boku nabízí velmi dobře známé prvky – nahoře kulatý průduch s přimontovaným větrným tunelem a dole obdélníkovou oblast s vyraženými šestihrannými otvory, skrz niž bude proudit čerstvý vzduch ke grafické kartě, tedy především k ní. Plastový větrný tunel je naprosto stejný jako jemu podobné tunely. Otevírá se v čtvercový otvor s 95mm hranou, což je dostatečné, ale jeho minimální výška je však 75mm, takže se pod něj vejdou tak maximálně originální BOX chladiče procesorů, pokud ovšem máte to štěstí a jejich poloha s tunelem lícuje. Proto jej v případě použití jiného chladiče odmontujete." Odmontujete, jenže co se stane?

 

Obr.5

 

Otáčení lopatek ventilátoru procesoru vyvolává podtlak, takže většina čerstvého vzduchu nyní nepřichází dole zprava zdola, nýbrž otvorem pro větrný tunel. Ten čerstvý vzduch je ovšem z velké části rovnou odsáván větrákem zdroje, přičemž z bilance plyne, že průměrná teplota výstupního vzduchu (na obrázku 40°C) musí zůstat zachována. Protože část vzduchu jde zkratkou s teplotou podstatně nižší, musí mít vzduch z prostoru základové desky a procesoru teplotu podstatně zvýšenou. A jak na to zareagují jednotlivé komponenty? Zdroj nijak, ten má teplotu na výstupu pořád 40 °C a tak nemá potřebu měnit otáčky. Ventilátor na procesoru možná zaznamená zvýšenou teplotu a roztočí se rychleji, to ale na "zkrat" mezi otvorem pro vzduchový tunel a nasáváním zdroje nebude mít efekt žádný nebo jen malý. Mnozí z vás se v této situaci rozhodnou pro nákup výkonnějšího chladiče procesoru… což přispěje ke zprůměrnění teplot v počítači, problém zkratu mezi otvorem pro větrný tunel a nasáváním zdroje se takhle nevyřeší, tj. průměrná teplota v nitru skříně nijak zvlášť dolů nepůjde. Správným řešením je instalovat mezi ventilátor procesoru a otvor větrný tunel, a to pěkně na těsno.

 

Poučení číslo 3: 

 

 

Přisávání falešného vzduchu výrazně zvyšuje teplotu uvnitř počítače.

 

 

Než postoupíme dál, podíváme se na potenciálně znamenité řešení, jak je nabízí nová skříň CM Media 281 od společnosti Cooler Master (viz foto na obr.6, převzato z www.svethardware.cz, "Jan Vítek: CM Media 281 – obývákový univerzál", najdete tam úplný popis skříně.)

 

Obr. 6

 

 

Základní deska je namontována k opačné bočnici, než je obvyklé, a tak se pozice procesoru dostala do spodní části skříně, kam není problém nasávat čerstvý vzduch bez toho, aby došlo ke zkratu s výstupními otvory v horní části skříně, což jsou otvor pro zdroj a větrací mříž ve stropu.

 

Na obrázku vidíme již namontovaný ventilátor 120 mm.

 

Tato důmyslná koncepce si sama o sobě zaslouží jedničku s hvězdičkou. Výrobce ji ale pokazil, alespoň podle našeho názoru, dalšími třemi otvory v dolní části skříně. Ty už je podle nás třeba všechny zaslepit, neboť i pro tuto skříň platí výše uvedené Poučení číslo 3. 

 

Pro tuto skříň platí rovněž výše uvedené Poučení číslo 2. Bylo by velmi vhodné ještě demontovat z boxovaného chladiče procesoru ventilátor a chlazení procesoru ponechat je na ventilátoru jež je na fotografii obr.6, nejlépe s nástavcem usměrňujícím vzduch na chladič. Pro lepší představu jsme namalovali obrázek:

 

Obr.7

 

Barevnou šipkou jsme v naší variantě zobrazili chladný vzduch zvenku, procházející žebry chladiče procesoru.

 

Takto pouhým odstraněním ventilátoru z chladiče CPU docílíme poklesu teploty procesoru řádově o 20 K - vytvoříme totiž větrný tunel.

 

Podrobněji to probereme později v části, věnované chlazení procesoru.    

 

Poznámka:  Naše poučení lze úspěšně uplatnit i u skříně v běžném uspořádání, jak dokázal nezávisle na nás Jiří Ptáčník, http://forum.digilidi.cz/super-tiche-pc-s-cooler-master-elite-330-t8.html.

 

Komínový efekt

 

S počítačem je to stejné, jako když chcete doma dobře vyvětrat: dají se otevřít všechna okna, ale mnohem účinnější je vyvolat průvan.

 

Archimédes: "Těleso je ve vodě nadlehčováno silou, která se rovná váze vody tělesem vytlačované." Vzduch uvnitř skříně je rovněž nadlehčovaným tělesem, a to díky poměru měrné hmotnosti vzduchu uvnitř a vně skříně, který je dán převráceným  poměrem absolutních teplot uvnitř a vně skříně.

 

Probereme si teď trochu okrajovou záležitost, přirozený tah v počítači, tedy komínový efekt. Okrajový jev je to za plného provozu, nabude však na důležitosti v pohotovostním režimu či při Cool'n'Quiet (AMD), kdy se nucené větrání ventilátory třeba úplně zastaví. Ještě připomenu, že pro komínový efekt plně platí výše uvedené Poučení číslo 3 – pokud se do komína dostává falešný vzduch, kamna netáhnou.

 

Pokud je v horní části skříně otvor, bude z něj vzduch spontánně proudit rychlostí

 

                                                                                   (2)

 

(Vzorec vyjadřuje přeměnu tlakové energie na energii kinetickou a dá se odvodit z Bernoulliho rovnice.)

 

Kupř. při výšce 37 cm (h=0,37 m, g=9,81 m/s², T0=293 K, ΔT0 = 20 K) vychází docela slušná rychlost:

 

              = 0,7 m/s = 7 dm/s

 

Jak velký by náš otvor v horní části skříně musel být, aby úplně nahradil větrák zdroje v situaci podle obr.1 ?  K zajištění průtoku  4,2  l.s-1 je třeba průřez S

 

                                                                                                          (3)

 

    

 

což je třeba obdélníkový otvor o rozměrech 12×5 cm.

 

V situaci podle obr. 1 tedy ventilátor ve zdroji může plně nahradit průtočný otvor 12×5 cm. Naopak při umístění zdroje podle obr.3 komínový efekt nijak nepomáhá, ventilátor ve zdroji má práci o to těžší.

 

Poučení číslo 4: 

 

 

Nucené větrání skříně by mělo respektovat přirozené proudění teplého vzduchu směrem vzhůru.

 

 

Důležitá poznámka:  

 

Vzorec (2) je ošidný, neboť z něj na první pohled není patrné, že ve skutečnosti teplotní rozdíl ΔT0 závisí na rychlosti v. Ona totiž čím větší je rychlost, tím více tepla proud vzduchu odnáší, tím ovšem teplota ve skříni resp. ΔT0  klesá. Kdo rád počítá, může si zkombinovat rovnice (1), (2) a (3) a řešit je třeba pro neznámou ΔT0 při známém Q s S (příkonu počítače a průtočném průřezu, kde za S lze dosadit třeba průtočný průřez ventilátoru zdroje, když je mimo provoz),

 

                                       (1+2+3)

 

K tomu, co bylo dosud probíráno, uvádíme závěrem tabulku katalogových údajů pro několik neřízených i řízených ventilátorů o rozměru 120×120×25 mm. Průměr 120 mm byl zvolen proto, že tyto ventilátory mají zpravidla při stejném výkonu nižší hlučnost oproti obdobným ventilátorům o menším průměru. Výhodné z hlediska hlučnosti jsou u neřízeného ventilátoru otáčky nejvýše 1000 ot/min, takové ventilátory najdete v naší tabulce na prvních pozicích:  

 

Tabulka 1:       Katalogové údaje několika ventilátorů o velikosti 120×120×25 mm

 

Typ

ot/min

CFM

l/s *)

Cooling SWiF Fan 1200

800

27,1

12,8

Aerocool Turbine 3000

950

37,44

17,7

Arctic-Cooling AF12025L, 120x120mm

1000

37

17,5

Nexus D12SL-12 BW Real Silent case fan

1000

36,87

17,4

Xilence case fan 120 mm blue led | xpf120l.bl

1400

68

32,1

Akasa AK-191BL

1400

49,74

23,5

Thermaltake A1926 Thunderblade 12cm Blue

2000

78

36,8

Arctic-Cooling AF12025PWM, 120x120mm, 400 až 1500 ot/min

1500

56,3

26,6

Scythe SY1225SL12VBL (Blue LED 12cm fan w/VR) 800 – 1600 ot/min

1600

66

31,1

Scythe DFS122512L-PWM, 310 – 1200 ot/min

310

12,38

5,8

stejný, ale nejvyšší otáčky

1200

52,71

24,9

Noctua NF-S12-1200, 600 – 1200 ot/min

600

41 ?

19,3 ?

stejný, ale nejvyšší otáčky

1200

81 ?

38,2 ?

Cooling SWiF Fan 1201, 700 až 1200 ot/min

700

23,5

11,1

stejný, ale nejvyšší otáčky

1200

38,3

18,1

Cooling SWiF Fan 1202, 900 až 1600 ot/min

900

31,8

15,0

stejný, ale nejvyšší otáčky

1600

53,0

25,0

Thermaltake Smart Case Fan Blue LED A2018, 1300 – 2800 ot/min

1300

38,6

18,2

stejný, ale nejvyšší otáčky

2800

93,7

44,2

*) Průtok v litrech za sekundu, přepočteno z CFM – to je kubická stopa (3,048³ litru) za minutu. 

? Údaj označený otazníkem pokládáme za nedůvěryhodný.

 

Připomínáme, že na základě našich analýz stačí u správně navrženého větrání k uspokojivému odvětrání skříně průtok 4,2 l.s-1 na každých 100 W příkonu počítače.

 

 

 

Část 2: CHLAZENÍ PROCESORU

 

Rozdíl elektrického potenciálu, proud, odpor

 

V další části naší malé školy chlazení se budeme věnovat tepelnému toku. Pro názornost při tom využijeme analogie mezi elektrickým proudem a tepelným tokem. Z elektřiny budeme potřebovat Ohmův zákon, pravidlo pro sériové řazení odporů (vycházející z Kirchhoffova zákona) a snad ještě pojem měrného odporu. Ohmův zákon použijeme ve formě

 

              ΔU = R×I                                                                               (4)

 

kde  ΔU je rozdíl elektrického potenciálu,  R je odpor (rezistence) a I je proud. Pokud odpor R zůstává konstantní nezávisle na napětí a proudu, pak mluvíme o ohmickém odporu. U kovových slitin a řady dalších materiálů se dá odpor vyjádřit rovnicí

 

                                                                                             (5)

 

kde ρ je měrný odpor, l délka a A průřez.

 

Konečně k sériovému řazení odporů: při sériovém řazení odporů R = Σ Ri protéká všemi odpory stejný proud, přičemž pro každý z nich platí Ohmův zákon (4), takže pro každý odpor Ri lze psát

 

  ΔUi = Ri×I

 

a pro celkový rozdíl potenciálů mezi oběma konci řetězce odporů psát

 

ΔUn = Rn×I

 
 


           

 

 

 

 


           

 

ΔU = Σ (ΔUi )    = I. Σ (Ri )                                                                             

 

Teplotní rozdíl, tepelný tok, tepelný odpor

 

A nyní přejdeme k tepelnému toku: platí tu naprosto stejné vztahy s tím, že elektrickému proudu odpovídá tepelný tok a hnací silou je namísto rozdílu elektrického potenciálu rozdíl teplot. Ohmovu zákonu - rovnici (4) pak odpovídá vztah

 

  ΔT = RT×Q                                                                                       (6)

 

kde ΔT je celkový teplotní spád v K, Q je tepelný tok ve W,  RT  má pak rozměr [K.W-1].

 

Rovnici (5) odpovídá vztah

 

                                                                                           (7)

 

kde λ je měrná tepelná vodivost.

 

Budeme potřebovat i několik konkrétních hodnot:

 

Tabulka 2:       Měrné tepelné vodivosti několika látek

 

Látka

λ   [W.m-1.K-1]

Hliník

237

Křemík

6,8 – 12

Tuk

0,18

Vzduch

0,025

teplovodivá pasta Arctic Silver - AS5-3,5G 

88% teplovodivých částic (stříbro, oxidy zinku, hliníku a nitrid boru)

>350 000 W.m-2K-1 při vrstvě 0,025 mm (údaj výrobce), což odpovídá 8,75 W.m-1K-1

teplovodivá pasta GeIL High Performance Copper Paste 10% stříbra a 10% mědi

> 1,729 (údaj výrobce)

 


 

Rozbor

 

Obr.8

 

Z mikroprocesoru je odváděn tepelný tok Q do prostředí o teplotě T*.  Vlastní čip (žlutě) je uzavřen v pouzdře, jehož povrch má o ΔT0 nižší teplotu než vlastní čip. Tepelný tok dále prochází přes teplovodivou pastu, v níž se vytváří spád teploty ΔT1. Dále postupuje žebrovaným chladičem, v němž se vytvoří spád teploty ΔT2. Posledním krokem je odvod tepla z povrchu chladiče do okolního vzduchu, kdy se vytvoří spád teploty ΔT3.

 

Číselné zadání: příkon procesoru, čili tepelný tok Q = 60 W; plocha styčné plochy pouzdra procesoru A = 0,0015 (to odpovídá čtverci o hraně zhruba 39 mm). Začneme výpočtem spádu teploty v teplovodivé pastě, tedy ΔT1.

 

Výpočet ΔT1: 

Tloušťku vrstvy odhadujeme 0,000075 m (0,075 mm),  měrnou vodivost λ zvolíme 0,18 W.m-1.K-1, jak odpovídá běžnému mazivu (viz tabulka 2). Dosazením do rovnice (7) a vynásobením tepelným tokem Q podle rovnice (6) dostáváme

 

               

 

To je velice hodně, proto se rozhodneme pro některou speciální teplovodivou pastu s kovovými částicemi; podle tabulky 2 můžeme pak reálně počítat s λ=1,7 W.m-1.K-1. Rázem dospějeme k teplotnímu spádu o řád nižšímu, po dosazení vychází:

 

  ΔT1 = 1,7 K

 

V obou alternativách jsme uvažovali s tloušťkou vrstvy pasty 0,075 mm, což je poměrně pesimistický odhad. Při správném postupu aplikace pasty (k tomu se ještě vrátíme) a běžné kvalitě dosedacích ploch lze počítat s tloušťkou vrstvy poloviční i jen třetinovou (0,025mm), a tak i s běžným mazacím tukem či silikonovou pastou lze dospět zhruba k ΔT= 5 K, se speciálními pastami hluboko pod 1 K.

 

Odhad ΔT0:

Spádem teploty mezi křemíkovým čipem a pouzdrem procesoru ΔT0 se zabývat musíme, protože počítač nám hlásí jako teplotu procesoru to, co naměří teploměrnou diodou, která je přímo součástí čipu. Výrobce má dobré možnosti zajistit těsný tepelný kontakt mezim křemíkovým čipem a kovovým pouzdrem, problémem jsou maličké rozměry křemíkového plátku (kupříkladu "obrovské" čtyřjádrové Opterony mají 0,000283 m², což odpovídá čtverci o hraně 17mm).  Odhadněme

 

ΔT0 = 2 K                                                      (odhad)   

 

Odhad ΔT2:   

Jedná se o spád teploty mezi rozhraním chladiče u teplovodivé pasty a teploty žeber chladiče na rozhraní s okolním vzduchem. Abychom dostali vůbec nějakou první představu, chladič aproximujeme jako hliníkový špalek o průřezu A = 0,0015 m² (tj. čtverec o hraně zhruba 39 mm) a tloušťce l = 0,02 m (tj. 2 cm), a s hodnotou λ=237 W.m-1.K-1,

 

             

 

U zatím probíraných teplotních spádů ΔT0, ΔT1, ΔT2 šlo o vedení tepla konvencí, v těchto případech lze s dobrou důvěrou předpokládat, že tepelné odpory vykazují "ohmické chování", tedy že jsou nezávislé na teplotě a  ostatních parametrech. Naproti tomu ale ΔT3  je generován odporem proti přestupu tepla z žeber chladiče do proudu plynu, který závisí na celkové ploše žeber, hydrodynamických podmínkách a mohl by záviset i na teplotě. První dva vlivy nás teď - nemusejí znepokojovat: budeme vycházet ze situace, kdy chladič je pořád stejný a ofukujeme jej pořád stejným ventilátorem při pořád stejných otáčkách. U třetího parametru, teplotní závislosti odporu musíme uvážit, že zde hrají roli především vlastnosti vzduchu, a ty závisejí nikoli na teplotě ve °C, ale na absolutní teplotě, a ta se pohybuje kolem 300 K (Kelvín je teplota ve °C navýšená o 273,15). Pokud se ve svých úvahách pohybujeme někde v rozmezí 20 až 70 °C,  můžeme klidně předpokládat, že tepelný odpor bude konstantní (resp. změna odporu s absolutní teplotou zůstane spolehlivě v mezích běžné chyby). Pokud tedy všechny tepelné odpory vykazují "ohmické chování", můžeme hned formulovat

 

Poučení číslo 5: 

 

 

Celkový rozdíl teploty ΔT mezi čipem procesoru a vzduchem přiváděným na chladič je nezávislý na obou teplotách a je přímo úměrný příkonu procesoru (tepelnému toku).

 

 

Doplnění:

 

Příslušná konstanta úměrnosti (tepelný odpor) závisí ovšem na celkovém uspořádání (na typu, tloušťce a způsobu nanesení teplovodivé pasty, na aerodynamických podmínkách – geometrii chladiče, otáčkách ventilátoru…)

 

Většina z vás asi nepřekousla, jak jsem se vypořádal s teplotním spádem na chladiči ΔT2 tím, že jsem pominul žebra a aproximoval ho hladkým špalkem hliníku, vracíme se tedy k výpočtu odporů RT,2 a RT,3 , resp. příslušných teplotních spádů ΔT2 a ΔT3 :

 

Metoda výpočtu ΔT3 existuje (kriteriální rovnice), ale výpočet je značně nespolehlivý. Jsme v situaci, kdy každý bod na žebrech chladiče má trochu jinou teplotu a v každém místě jsou jiné hydrodynamické podmínky. Po pravdě tu máme nekonečný počet paralelních dvojic dílčích odporů RT,2 a RT,3  ( a už tohle konstatování je určitým zjednodušením). Naštěstí každou síť ohmických odporů lze nahradit jediným odporem – a alternativně samozřejmě i dvěma odpory v sérii, jak je to namalováno na obr.8. Pro výpočet ΔT3 vyjdeme z určité experimentální hodnoty celkového teplotního gradientu ΔT = 12K (viz níže tabulku 3). Pak tedy 

 

odhad ΔT3:

ΔT3 = ΔT - ΔT0- ΔT1 - ΔT2 = 12 – 2 – 1,7 – 3,3 = 5 K

 

Teplota procesoru pak bude teplota prostředí navýšená o teplotní gradient,

 

              TPROC = T* + ΔT                                                                    (8)

 

Hodnota ΔT = 12K  pochází z měření na prototypu počítače, který bude popsán ve 3. části tohoto pojednání. Počítač byl osazen procesorem AMD Athlon 64 3200+, frekvence jádra 2.0GHz, jádro Orleans, 90nm, 62W (údaje výrobce), boxovaný s chladičem, nebyl však použit ani původní ventilátor, ani původní umístění ventilátoru na chladiči. Ten počítač jsem omylem provozoval půl hodiny i bez ventilátoru, díky tomu máme k dispozici údaj, že při chlazení pouze komínovým efektem se teplota procesoru ustálí na 69 °C. Další zjištěné hodnoty jsou v následující tabulce a grafu.

 

Obr.9

Tabulka 3:

Závislost teploty procesoru TPROC na otáčkách ventilátoru (T0 = 20 °C)

 

ot/min

TPROC °C

ΔT

0

69

49

1000

32

12

1600

27

7

2100

24

4

 

Deklarované hodnoty ΔT je nutno brát z rezervou v tom smyslu, že teplotu okolí T jsem neměřil, mohla být i o 1 či 2 stupně nižší, rovněž měření teploty procesoru TPROC jistě není bůhví jak přesné, takže hodnota ΔT může být zatížena chybou 2 K i větší. Přesto lze na základě rozboru i naměřených hodnot tvrdit, že

 

Poučení číslo 6: 

 

 

S běžným chladičem lze v počítači bez problému dosáhnout mezi vzduchem foukaným na chladič a teplotou procesoru rozdílu teploty 10 stupňů a méně.

 

 

 

Diskuse k chlazení procesoru

 

Takto poučeni přistupme nyní k rozboru záslužného testu, který byl nedávno zveřejněn na www.svethardware.cz , "Jan Vítek: Sedm teplovodivých past v testu". Procesorem byl Athlon 64 FX55, 2,6 GHz se zvýšeným napětím na 1,55 V (původně 1,5 V),  chladič a ventilátor: Thermalright XP90C + Papst 3412 N/2GLE (92 mm, 1600 ot/min). Teploty procesoru dosažené s různými teplovodivými prostředky jsou uvedeny v následující tabulce:

 

Tabulka 4:       Naměřené teploty procesoru při aplikaci různých teplovodivých past

Pramen: Jan Vítek

 

Prostředek

TPROC, °C

Δ(ΔT1) *)

Arctic Cooling MX-1

54

1,5

Arctic Cooling MX-2 (vyhodnocen jako nejlepší) 

53,5

1

Arctic Silver 5 (λ viz výše tab. 2)

54,5

2

Coollaboratory Liquid Pro (tekutý kov)

52,5

0

Coollaboratory MetalPad (plátek nízkotavitelného kovu)

55,5

3

GeIL High Performance Copper Paste (λ viz výše tab. 2)

57

4,5

Zalman ZM-STG1

56,5

4

Cooler Master High Performance (silikonová pasta)

56

3,5

*) Poslední sloupec jsme doplnili my, vysvětlení níže

 

Jak jsme viděli v tabulce 2, u našeho prototypu při 1600 ot/min byla teplota procesoru 27°C a ΔT byla 7 K. Lze předpokládat, že spotřeba dvoujádrového procesoru resp. tepelný tok je oproti našemu rozboru dvojnásobný, pak ΔT může činit 14 K, při běžné teplotě nasávaného vzduchu (20 °C) by tedy teplota procesoru měla být 20 + 14 = 34°C, ale ve skutečnosti bývá o 20 K vyšší… Důvod si lze domyslet: na rozdíl od našeho prototypu, v běžném počítači ventilátor se na chladič procesoru nedostává čerstvý vzduch, ale vzduch z vnitřku skříně - je to situace podle obr.1, při teplotě ve skříni 40 °C vychází 40 + 14 = 54 °C. Závěr je jednoznačný:

 

Poučení číslo 7:  

 

 

Ofukování chladiče ventilátoru čerstvým vzduchem zvenku, kupříkladu pomocí větrného tunelu, lze snížit teplotu procesoru řádově o 20 K. Nasávání vnějšího vzduchu na procesor je tak daleko účinnější opatření, než jakékoli čarování s teplovodivými pastami.

 

 

Poznámka:

 

Procesor není jediná součástka, která se v počítači může přehřát, v nedávném testu na svethardware.cz "Petr Popelka: Gigabyte GA-MA69G-S3H - AMD 690G pro každého" naměřili při zatížení teplotu Northbridge 76 °C a Southbridge 51 °C (teplota v místnosti 24 až 25 °C, spotřeba sestavy včetně dvou pevných disků 130 W). Těm teplotám můžeme věřit a nemusíme, hlavní je ale si uvědomit, že procesor není jediná tepelně zatížená součástka na desce a větrný tunel garantuje snížení teploty pouze u procesoru, na teploty jiných součástek ale instalace větrného tunelu může mít vliv jak kladný, tak i záporný.

 

Poznámka k poznámce:

 

Northbridge 76 °C… rád bych vám vnukl zdravou skepsi při posuzování teplot naměřených na tepelně zatížených součástech – a bylo by dobré, kdybyste si teď položili ruku dlaní na nějakou rozsvícenou žárovku a během čtení následujících řádků ji tam podrželi: Plotýnka elektrického sporáku mívá při průměru 15 cm (= 177 cm²) nejvyšší výkon Q = 1200 W, což je měrný tepelný tok q = Q/A = 1200/177 = 6,8 W/cm²; pokud výkon vařiče přepneme na nižší stupeň 700W, bude to q = 700/177 = 4 W/cm². V naší analýze jsme brali procesor o celkem nízkém příkonu,  Q = 60W a plochu teplovodivé pasty A = 15 cm². Z toho vychází měrný tepelný tok stejný jako přes plotýnku vařiče, q = 60/15 = 4 W/cm². Když přiložíte teploměrné čidlo na povrch takto tepelně zatížené elektronické součástky, tepelný tok se musí vydat jinudy a teplota v daném místě prudce vzroste (pokud vás dlaň položená na žárovce pálí čím dál tím víc, není to jen subjektivní pocit…), vzroste samozřejmě i teplota součástky celkově. Pokud naopak by kontakt tepelného čidla s měřeným povrchem nebyl dostatečný, naměřili byste místo teploty součástky teplotu vzduchu ofukujícího chladič. Měření teploty je opravdová věda a běžnému smrtelníku nezbývá než se spolehnout na údaj z teploměrné diody, co je součástí čipu – za předpokladu, že ten údaj dokáže BIOS správně tlumočit.  

 

Zpět k vlastnímu porovnání teplovodivých past v testu zveřejněném na svethardware.cz:

 

Jelikož teplovodivé pasty byly aplikovány na jinak stále stejnou sestavu, je nutno pozorované změny v TPROC připsat změnám v ΔT1. V posledním sloupci tabulky 4 jsou uvedeny rozdíly ΔT1 vůči hodnotě pro Coollaboratory Liquid Pro – pro tu je tam proto uvedena nula. Za předpokladu, že ΔT1 pro Coollaboratory Liquid Pro činí jen pár desetin stupně, představují údaje v posledním sloupci zjištěné hodnoty ΔT1 (nutno ale přičíst těch pár desetin stupně…). Nelze než souhlasit s hlasy z diskuse k uvedenému článku, že si obyčejná silikonová pasta nevedla právě nejhůř. Jak napsal v diskusi jeden čtenář, "rozdíly o 3-4 stupně celsia jsou dle mého názoru minimální a v konečném výsledku provozu PC zanedbatelné. Proto zůstávám u své oblíbené pasty a cením si toho, že práce s ní je bezproblémová."

 

Za povšimnutí stojí, že "pořadí" ΔT1 pro různé teplovodivé pasty neodpovídá příliš papírovým předpokladům, což jen podtrhuje důležitost správné aplikace. Správná aplikace musí vyloučit bublinky vzduchu v teplovodivé vrstvě, neboť ty mají zničující efekt (viz hodnota λ pro vzduch v tab. 2) a vrstva pasty nesmí být silnější, než je nezbytně třeba.

 

Poučení číslo 8:  

 

 

Nesprávnou aplikací lze investici do drahé pasty úplně znehodnotit.

 

 

V testu byly teplovodivé pasty nanášeny a roztírány špachtlí, což podle mne není nejšťastnější postup. Šéfredaktor www.svethardware.cz pak uvedl v rámci diskuse k uvedenému článku odkaz na klasický postup známý každému, kdo kdy bastlil v elektronice: (následující text a obrázky přebíráme doslova z návodu pro Arctic Cooling MX-1)

 

Krok 1:

 

Naneste teplotní pastu doprostřed čistého povrchu CPU. Použijte zhruba 8 % náplně (Arctic Cooling MX-1)

 

Pastu neroztírejte.

 

Krok 2:

 

Instalujte chladič podle návodu k montáži.

 

Po dokončení montáže celým chladičem trochu pootáčejte, jak naznačují šipky na obrázku. Tím zajistíte, že pasta bude stejnoměrně rozprostřena a nebudou do ní zachyceny bublinky vzduchu.

 

Konec návodu k Arctic Cooling MX-1.

 

K tomu jenom dodáváme, že pokud moc tlačíte, ujede vám ruka a vy chladič přes hranu odtrhnete, je třeba před opětovným přiklopením doprostřed nanést další pastu !!! A nedejte se mýlit tím, že se pasta třeba zdá příliš hutná: ona se poddá. Je to něco podobného, jako když rozmícháváte klůckem lak v plechovce: nejprve to jde ztuha, pak je lak najednou tekutý. Když to řeknu učeně, správný lak vykazuje rheologické vlastnosti nenewtonovské kapaliny (a je to známka kvality, takový lak po nanesení nestéká). S naší pastou to bude podobné, ale v žádném případě pak už nesmíte chladič zvedat, jen jej nakonec zajistíte sponou. Na pastu (zvláště silikonovou) nesahat holou rukou!

 

 

Část 3: NÁVRH OPTIMÁLNÍHO TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ

 

Název této části je trochu neskromný, optimálních řešení je celá jistě řada. Zde popíšeme prototyp, o kterém byla řeč již v předešlé části. Prototyp a jeho popis jsem zveřejnil na serveru www.svethardware.cz , "PC ve dřevě aneb účelovost na prvním místě" ; obr.10 a 12 jsou dvě z fotografií, které článek doprovázely. ¨

 

Počítač byl řešen jako šikmý pultík k umístění na stůl (obr. 10 až 13. (oproti obr. 10 na obr.12 na stolku ještě není dečka a monitor je bez dřevěného rámečku).)

 

Obr.10

 

Obr.11

                                                          

 

Základní deska (modře) o standardním rozměru microATX 245 × 245mm je montována "vzhůru nohama" v šikmé poloze, kopíruje tedy sklon horní desky pultíku. Jednou z technických výhod tohoto uspořádání je, že se na součástkách a v žebrech chladiče neusazuje prach. Červeně jsou zakresleny: čtyři paměťové moduly a televizní karta (v posledním slotu). Šikmá poloha desky také do jisté míry podporuje "komínový efekt", tedy přirozené větrání, postupující přes součástky na desce zepředu dozadu. Hlavní chlazení obstarává zepředu ventilátor 120×120×25 mm, který slouží současně jako ventilátor skříně i jako ventilátor procesoru. Procesor je opatřen původním boxovaným chladičem, žebra chladiče byla zepředu poněkud seříznuta, aby se před ně ventilátor šikmo vešel. Máme tu tedy "kobercové" větrání postupující zepředu dozadu, kdy čerstvý vzduch o teplotě místnosti přichází přímo na moduly paměti, chladič procesoru a napěťové regulátory, kobercový proud vzduchu však účinně chladí i ostatní součástky na základové desce - to je základní výhoda této koncepce. Dosažené teploty procesoru jsme uvedli v tabulce 3; otáčky ventilátoru obecně řečeno mají být dost nízké, aby ventilátor nepůsobil velký hluk, ale zároveň dostatečné pro chlazení. V prototypu byl osazen ventilátor o konstantních otáčkách 1000 ot/min, který je z hlediska hluku přijatelný. Pro "zimní" teplotu místnosti (20 – 22 °C) by postačil ventilátor s podstatně nižšími otáčkami; graf na obr.7 napovídá, že by postačovalo kolem 500 ot/min a pro "letní provoz" s teplotami místnosti 30 °C nejvýše 800 ot/min – obojí pro udržení teploty procesoru pod 50 °C.

 

Ještě zmíníme ostatní komponenty: pro pevné disky byla zvolena poloha vzadu uprostřed, oproti obrázkům 11 a 13 byl ve skutečnosti osazen jen horní disk. Zdroj je instalován zboku; byl zvolen typ s nasáváním zezadu, takže zdroj účinně přispívá k chlazení pevných disků. Jednotka DVD je instalována v šikmé poloze; v této věci jsem korespondoval s výrobcem (Samsung) a dostalo se mi ujištění, že takováto poloha je přípustná.  Je výhodné mít u pravé ruky konektor USB, zde je to řešeno jako "prodlužovák" vykukujícího pod zdrojem.

 

Zezadu je mřížka pro druhý ventilátor 120×120×25, který ovšem  nebyl osazen, protože je zbytečný. Ta mřížka je součástí plechu, který kryje pravou část zezadu a zespodu, levá část (zdroj a jednotka DVD) nebyla zezadu a zespodu zakryta.

 

Obr.12

 

Obr.13

 

V diskusi k uvedenému článku se mi dostalo tvrdé kritiky za řemeslné provedení, což poněkud odvedlo pozornost diskutujících od funkčních výhod, které toto řešení přináší. Abych se tedy zalíbil i těm, kdo nemají rádi uvolněný design, představuji nový exemplář.

 

Obr.14

 

Monitor má tentokrát 20", v čelní liště jsou zabudovány reproduktory s kovovou membránou, nad nimi pás leštěného hliníku, zbytek obstarává grafitová metalýza v kombinaci se zeleným suknem. Efektní je světlo skrytých modrých kontrolek, jak se odráží v mramorování na dně nasávacích otvorů. Celé je to v barvách těch pitomých Windows Vista.  

           

Obr.15  

 

           

…souhrn…

 

Průměrná teplota T vzduchu opouštějícího skříň je teplota nasávaného okolního vzduchu T0 plus teplotní diference ΔT0

 

            T  = T0  +  ΔT0 ,  kde ΔT0 je dáno poměrem výkonu procesoru Q a průtoku vzduchu F,

 

ΔT0 = Q / F / CP   (přičemž konstanta úměrnosti CP je měrné teplo vzduchu)

 

Teplota procesoru TPROC je součtem teploty vzduchu na chladiči T* a teplotního spádu ΔT

 

            TPROC =  T* + ΔT                    T* záleží na uspořádání skříně:

 

Dokonale míchaná skříň (míchaná ventilátorem procesoru)

Pístový tok

(větrný tunel)

Nedokonalé míchání

(zkrat – nasávaný vzduch jde zčásti přímo na výstup)

Q

F

 

 
                   

 T0                            T

 

 

 

 

 

 

 


T* = T

 

Q

F

 

 
                   

 T0                            T

 

 

 

 

 

 

 


T* = T0

 

Q

F

 

 
                   

 T0                            T

 

 

 

 

 

 

 


T* zpravidla vyšší než T

Dokonale míchaná skříň, teplota ve skříni je stejná jako výstupní teplota

Chladič procesoru zařazen do proudu čerstvě nasávaného vzduchu

Na některých místech ve skříni je teplota vyšší než teplota výstupní

 

TPROC = T* + ΔT0 + ΔT1 + ΔT2 + ΔT3

 

Teplotní spád ΔT závisí na příkonu procesoru, při 60 W:

 

ΔT3 závisí na umístění ventilátoru a jeho otáčkách, lze jej stáhnout až na 2 K

 

ΔT2 dané tvarem a materiálem chladiče, činí zpravidla do 3 K

 

ΔT1 závisí na tloušťce a materiálu pasty, pro špatně nanesený silikon v silné vrstvě může činit 15 K, u speciálních past a tenké vrstvě se lze dostat pod 1 K 

 

ΔT0 vnitřní spád teploty v pouzdru procesoru, patrně pod 2 K

 

VÝSTRAHA

 

Procesor zdaleka není jediná součást, která se ve skříni může přehřívat !!!

 

 

 

P.S. "Nešťastná" EuroCase 3D01 DESKTOP

 

O jinak sympatické EuroCase 3D01 DESKTOP jsme dříve prohlásili, že je z konstrukčního hlediska přímo odstrašující, děrované víko (na snímku vpravo) znemožňuje účinně řídit průtok vzduchu. My do skříně dáme desku ATX s integrovanou grafikou a jednojádrovým procesorem 45 W, takže požadavky na chlazení nebudou nijak dramatické. Řešení je na následujícím obrázku:

 

 

Ze skříně jsme odstranili dvojici malých větráčků, co byly u mřížek na zadní stěně a také z chladiče procesoru jsme odstranili původní větrák. Tyhle ventilátory na procesoru mívají tendenci "zadupávat" nečistoty na dno žebrování chladiče procesoru a navíc mívají malý průměr, rychle se točí a tedy hlučí. Tedy celkem tři ventilátory jsme nahradili jediným ventilátorem o zhruba dvojnásobném průměru. Na rozdíl od toho původního ventilátoru chladiče, ten náš fouká na žebra chladiče procesoru poněkud zboku, nečistoty do chladiče nezadupává, ale naopak odfukuje. Při velkém průměru 120 mm ventilátor ofukuje současně vlastně celou základní desku (ATX čili přibližně 240×240 mm). Ventilátor má řízené otáčky, přičemž procesor jej drží hluboko pod 1000 otáčkami za minutu, provoz je téměř nehlučný. Z pedagogických důvodů bych měl vzduch na ventilátor přivádět od mřížek v zadní stěně větrným tunelem - prakticky to ale není třeba, díky řízení otáček procesorem na nízký výkon přehřátí nemůže nastat, ani když technicky nebráníme jistému zpětnému přisávání vzduchu. Ještě poznámka, ta už se ale netýká meritu věci: kromě větráku má skříň ještě jednu atypickou úpravu, jeden z harddisků je upevněn u zadní stěny – tedy na snímku, ve skutečnosti je to poloha vodorovně nad dnem, neboť skříň je provozována na výšku (překlopená dozadu).