что находится в трубках радиатора охлаждения процессора
Перспективные типы кулеров на тепловых трубах
Тепловая труба. Принцип действия
Тепловая труба (рис.1) — это герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешними — источником и стоком тепла. Тепловая энергия воспринимается от источника и затрачивается на испарение теплоносителя, заключенного внутри корпуса тепловой трубы. Затем она переносится паром в виде скрытой теплоты испарения и далее, на определенном расстоянии от места испарения, в зависимости от тех или иных способов теплосъема, при конденсации пара выделяется в сток. Образовавшийся конденсат возвращается в зону испарения либо под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубы, либо за счет действия массовых сил (последняя конструкция обычно именуется термосифоном). Таким образом, вместо электронного механизма переноса тепла путем теплопроводности, что имеет место в сплошном металлическом теплопроводе, в тепловой трубе используется молекулярный механизм переноса (иными словами, если говорить более точно — процесс переноса кинетической и колебательной энергии хаотического движения частиц пара).
Рис.1. Принципиальная схема тепловой трубы
Итак, что же конкретно привлекает конструкторов в тепловых трубах? В первую очередь, это возможность передачи сотен ватт и даже киловатт — скрытая теплота испарения характеризуется очень солидными величинами (тысячами джоулей на грамм вещества). И если испарять массу жидкости порядка нескольких граммов в секунду, то с паром будет переноситься тепловой поток, оцениваемый киловаттами или десятком киловатт. Другая интересная особенность — это возможность концентрации тепловой энергии (системы тепловых труб могут работать в комплексе с большим количеством тепловых источников и гибко конфигурироваться под различные задачи). А в компьютерной области применения тепловых труб актуальной становится возможность развить большую площадь теплоотдающей поверхности далеко за пределами теплонагруженной области.
К слову, тепловые трубы, при всей своей новизне для компьютерного сектора, в других областях народного хозяйства зарекомендовали себя уже давно и очень хорошо. Так, например, современные космические аппараты связи проектируются на основе специальных несущих панельных конструкций, которые буквально на каждом сантиметре пронизаны тепловыми трубами. Очень широкое применение тепловые трубы получили также и в различных приборах и системах электронной и медицинской техники, в энергетике и химической отрасли.
Конструктивные особенности и характеристики тепловых труб
В зависимости от поставленной задачи, тепловые трубы могут иметь различные конфигурации и внешние оребрения (рис.2).
Рис.2. Конструкции тепловых труб
Пользователям ПК наиболее знакомы тепловые микротрубы (диаметр ТТ до 6 мм) (рис.3), которые широко используются в известных кулерах китайских производителей. Такие ТТ пусть и обладают весьма слабыми тепловыми характеристиками, работая на мощностях порядка 100 Вт практически на пределе, однако, по габаритам полностью отвечают требованиям современной компьютерной техники. Эти микротрубы классический, если можно так сказать, вариант конструкций тепловых труб.
Рис.3. Тепловые микротрубы фирмы Fujicuru
Другой вариант если конденсат возвращается в зону испарения только за счет массовых сил, тогда мы имеем конструкцию тепловой трубы, называемую термосифоном (ТС) (рис.4). В такой конструкции ТТ, при определенных условиях, не обязательно иметь капиллярную структуру внутри корпуса (об этом чуть позже).
Вполне реально наблюдать работу термосифона и связанные с этим процессы в обычных домашних условиях. Для этого достаточно поставить на плиту прозрачную стеклянную кастрюлю (Рис.4,б). В таких условиях хорошо видно как жидкость испаряется (либо кипит), пар поднимается вверх и конденсируется — образуются капельки жидкости на внутренней части крышки кастрюли. Далее, под воздействием силы тяжести капельки падают, либо стекают по стенкам обратно вниз. В итоге, такой процесс точно соответствует физическим механизмам в ТС. Если бы кастрюля имела на стенках капиллярную структуру (например, что-то типа фитиля керосиновой лампы), то жидкость возвращалась бы вниз уже по КС. И если бы мы перевернули плиту с кастрюлей «с ног наголову», то вода в кастрюле при определенных условиях все равно закипала бы уже на ее «верхней» части, то есть, на дне кастрюли. Пар конденсировался бы внизу, и образовавшаяся жидкость снова поднималась бы по КС вверх, где опять испарялась.
Рис.4(а). Термосифон: 1 — корпус; 2 — капиллярная структура; 3 — пар; 4 — объем с кипящей жидкостью; 5 — конденсат.
Рис.4(б). Иллюстрирующий пример — стеклянная кастрюля с кипящей жидкостью.
Например, в диапазоне температур 2080°С, что характерно для компьютерной техники, может использоваться широкий ряд теплоносителей спирты, фреоны, аммиак, дистиллированная вода, эфир. И тот или иной теплоноситель будет эффективен только в своем конкретном случае.
Наиболее сложным в конструктивном плане элементом ТТ является капиллярная структура. В современных тепловых трубах наиболее распространены КС, изготовленные на основе металловойлока (рис.5, а), порошков и сеток, а также выполненные конструкционным образом, например, в виде канавок различной формы (рис.5, б). КС из металловойлока или порошков изготавливаются методом спекания в вакуумных печах (например, чтобы получить медную КС необходимо спекать в вакууме специальные медные волокна при температуре выше 1000°С). Наиболее технологичной является КС, полученная конструкционно — такие КС изготавливаются одновременно с корпусом ТТ (рис.5, б).
Рис.5(a). Примеры КС — металловолокнистая структура.
Рис.5(б). Примеры КС — конструкционная структура.
От КС зависит, насколько эффективно ТТ сможет работать против сил тяжести (когда зона подвода тепла расположена выше зоны отвода тепла). И если в космической технике (работа ТТ в условиях невесомости) этот вопрос совершенно не актуален, то в компьютерной технике он очень важен, ведь установка кулера на плату в современных конфигурациях может быть самой разнообразной. С учетом этого аспекта наиболее предпочтительной является металловолокнистая КС. Порошковые КС также могут обеспечить достаточное функционирование ТТ, но уже только при небольших наклонах. А вот конструкционные КС здесь являются фактически непригодными их можно рассматривать при работе ТТ либо в качестве термосифона, либо при строго горизонтальном расположении в пространстве.
Дополнительное замечание: хотя мы и рассматриваем работу металловолокнистых и порошковых ТТ при их любой ориентации в поле сил тяжести, следует особо отметить, что превышения зоны испарения над зоной конденсации может быть ограничено несколькими сантиметрами и не более, в особенности применительно к компьютерной технике. Так как обеспечение работы против сил тяжести очень сильно зависит от габаритов ТТ, их приходится увеличивать.
Что касается путей развития конфигураций ТТ, то одним из наиболее перспективных типов тепловых труб на сегодня является так называемая контурная тепловая труба (КТТ) (схема приведена на рис. 6).
Рис.6(а). Контурная тепловая труба, принципиальная схема:
1 испаритель; 2 капиллярный насос (КН); 3 конденсатор; 4 компенсационная полость (КП); 5 паровой канал; 6 жидкостный канал.
Рис.6(б). Контурная тепловая труба — экспериментальный образец:
1 испаритель; 3 конденсатор; 5 паровой канал; 6 жидкостный канал; 7 вентилятор (80х80 мм).
Разработки подобных конструкций ТТ, особенно адаптированных для ноутбуков, ведутся как в России, так и за рубежом. Несмотря на наличие большого числа опытных образцов КТТ (а также специализированных кулеров на их основе), на данный момент остаются преграды на пути их внедрения в серийное производство. Это касается как миниатюризации их корпусов и совершенствования технологичности, вкупе с обеспечением надежной стабильной работы, так и улучшения тепловых характеристик, в том числе минимизации термического сопротивления.
Между тем, сколько бы мы ни говорили о тепловых трубах и многообразии их конфигураций, основной задачей этих устройств является создание эффективной теплообменной поверхности в зоне отвода тепла с конденсационной части ТТ. Ведь тепловая труба фактически осуществляет только перенос тепла из одной области пространства в другую. Сама по себе она не охлаждает, а лишь выполняет теплопередающие функции. И здесь особое значение приобретают специальные теплосбрасывающие конструкции, монтируемые на ТТ — системы эффективных теплоотводящих поверхностей.
Новые конструкции эффективных теплоотводящих поверхностей (радиаторов)
Величина среднего перегрева (по отношению к окружающей среде) любого из теплонагруженных элементов ПК (процессор, видеокарта и т.д.) прямо влияет на надежность его функционирования, и одним из существенных факторов, определяющих перегрев, является тепловое сопротивление радиатора. Последний представляет собой, как правило, оребренную теплоотдающую (теплосбрасывающую) поверхность с высокоразвитой площадью теплоотдачи. В свою очередь, на внешнее термическое сопротивление радиатора влияют в основном два параметра: коэффициент теплоотдачи и площадь оребренной теплоотдающей поверхности.
Коэффициент теплоотдачи зависит от множества факторов, в том числе от способа передачи теплоты, скорости движения теплоносителя, его теплофизических свойств, разности средней температуры поверхности конструкции элемента и теплоносителя (избыточная температура) и т.д. Так, в условиях естественной конвекции и радиации (передачи теплоты излучением) при избыточной температуре 10 К коэффициент теплоотдачи лежит в диапазоне 240 Вт/м²К, а максимально возможная поверхностная плотность теплового потока, сбрасываемая радиатором, составляет 0,4 Вт/см².
В случае принудительной конвекции воздуха, когда в системах охлаждения применяется вентилятор или другой нагнетатель (наиболее распространенный вариант конструкции кулеров), при величинах скорости теплоносителя до 2—3 м/с и той же избыточной температуре 10°С, коэффициент теплоотдачи находится уже в пределах 20— 100 Вт/м 2К, а максимально отводимая радиатором плотность теплового потока равна 1 Вт/см 2. При изменении агрегатного состояния теплоносителя — кипении или испарении хладагентов, коэффициенты теплоотдачи и отводимые тепловые потоки возрастают на порядки (для процесса кипения коэффициент теплоотдачи изменяется в диапазоне (5—10)•10 3 Вт/м 2К, а плотности тепловых потоков лежат в диапазоне 10—20 Вт/см 2).
Итак, зависимость термического сопротивления радиатора от коэффициента теплоотдачи достаточно проста чем выше коэффициент, тем ниже тепловое сопротивление и, соответственно, выше эффективность радиатора. Аналогичная ситуация имеет место и в отношении теплосбрасывающей поверхности (которая определяется геометрическими параметрами оребрения) чем больше площадь этой поверхности, тем ниже тепловое сопротивление радиатора.
В итоге, разработчики новых конструкций радиаторов должны стремиться к одновременному увеличению, как коэффициента теплоотдачи, так и площади поверхности теплообмена, что позволит эффективно минимизировать внешнее термическое сопротивление радиатора в целом. Однако если действовать в лоб, такой подход может породить цепь взаимоисключающих требований. Так, излишнее увеличение площади поверхности теплообмена автоматически приводит к резкому увеличению габаритов, массы радиатора, что сопровождается повышением гидродинамических потерь вместе с увеличением теплового сопротивления. И наоборот, стремление к чрезмерной компактности оребрения обязательно уменьшит коэффициенты теплоотдачи, и соответственно вновь увеличит тепловое сопротивление.
Из сказанного ясно, что в процессе поиска новых конструктивных решений радиаторов необходимо придерживаться золотой середины, чтобы действительно интенсифицировать теплообмен, уменьшить потери энергии при эксплуатации радиатора и добиться его наибольшей тепловой эффективности. Как показывает многолетний опыт, при разработке эффективных радиаторов наиболее плодотворными оказались следующие идеи: первая — это создание благоприятных гидродинамических условий движения теплоносителя, позволяющих обеспечить опережающий рост коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гидравлическим сопротивлением. Вторая идея заключается в применении развитых теплоотдающих поверхностей при малых значениях эквивалентных размеров оребрения, что позволяет резко увеличить компактность радиатора без увеличения теплового сопротивления.
Для реализации первой идеи, обычно прибегают к турбулизации потока вблизи поверхности теплообмена. Этого достигают применением ребер специальной конструкции совместно с различными турбулизирующими элементами. Использование таких поверхностей позволяет создавать отрывные зоны, турбулизировать поток, уменьшать толщину пограничного слоя и, благодаря этому усиливать интенсивность теплообмена. При этом следует исходить из того, что важна не турбулизация вообще, а турбулизация именно в том месте сечения оребрения, где возникает наибольший градиент температуры (как правило, это область вблизи поверхности теплообмена область ламинарного подслоя). Турбулизация же ядра потока может привести лишь к существенному росту гидродинамических потерь при незначительном увеличении теплоотдачи.
Реализация идеи высокой компактности радиатора обычно состоит в проектировании достаточно развитой площади оребрения в заданных габаритах (объеме) за счет применения ребер специализированных конструкций, вариации различных геометрических размеров и различной компоновки оребрения.
В целях создания высокоэффективных радиаторов разработчики стараются использовать эти две главных идеи одновременно, то есть конструируют компактную теплоотдающую поверхность с развитыми площадями оребрения и обеспечивают соответствующую форму межреберных каналов, необходимую для эффективной турбулизации потока. На рис.7 приведены опытные образцы новых медных радиаторов с сетчато-проволочным и гофрированным оребрениями (теплоотводящие ребра закреплены на плоских и цилиндрических основаниях с различными габаритными размерами). По сравнению с традиционными радиаторами, имеющими пластинчатые ребра, тепловая эффективность сетчато-проволочного оребрения увеличивается на 2040% при умеренном росте динамических потерь (на скорости обдува 23 м/с), а масса таких радиаторов меньше в 1,5 1,8 раза. При равных затратах меди на изготовление радиаторов с гладкими и гофрированными ребрами и одинаковых мощностях вентиляторов на прокачку теплоносителя, гофрировка также позволяет увеличить отводимые тепловые потоки (на 4060%), однако сопротивление потоку возрастает уже более существенно (в 1,9 раза).
Рис.7. Новые эффективные конструкции радиаторов.
Кулеры на тепловых трубах
В последнее время широкое распространение на рынке ПК получили мультиплатформенные кулеры производства различных фирм, оснащенные медными тепловыми микротрубами (конструкция включает две и более микро-ТТ), а также медными тепловыми трубами (конструкция включает одну ТТ) (рис.8).
Рис.8(а). Кулеры Titan Vanessa S-type.
Рис.8(б). Кулеры Titan Vanessa L-type.
Одна из основных задач таких конструкций — увеличение площади теплоотдающей поверхности. Так, например, у кулера Thermaltake Silent Tower она составляет примерно 7000 см 2, и из-за большого количества ребер с узкими щелевыми каналами этот радиатор требует применения вентилятора высокой мощности для минимизации термического сопротивления. Все это приводит к увеличению массогабаритных параметров и, конечно, повышению стоимости предлагаемого продукта. Некоторые конструкции, в частности, тот же Silent Tower, дают возможность установки двух вентиляторов на корпусе кулера. Однако, как показывают результаты тестов, такое дополнение кулера к существенному улучшению теплосброса с процессора не приводит.
Можно смело констатировать: предлагаемые конструкции (рис.8) достигли своего предела по температурным уровням и тепловой эффективности. И для перехода на новый эволюционный виток в развитии систем охлаждения элементов ПК требуются принципиально новые подходы, новые конструкции кулеров с улучшенными тепловыми характеристиками.
Одна из новых идей заключается в более рациональном и обоснованном проектировании двухвентиляторных охлаждающих конструкций. Смысл в том, чтобы разделить радиатор на две составляющие для каждого из вентиляторов, и соединить их тепловой трубой. Фактически, если мы берем процессор, выделяющий 120 Вт тепла, то в нашем случае разделяем его на два «процессора», выделяющих по 60 Вт. Получив две разъединенные между собой зоны теплосброса, второй вентилятор можно дополнительно нагрузить необходимой полезной работой (например, использовать для дополнительного охлаждения жесткого диска), либо путем компоновочных решений совместить корпусной вентилятор с оребренной поверхностью тепловой трубы за счет специализированного конструктивного исполнения ТТ (специальной формы, изгиба, длины) (рис. 9). Здесь также может быть эффективным другое решение применение одного корпусного вентилятора для снижения температуры в корпусе ПК и для охлаждения процессора одновременно.
Рис.9(а). Возможные схемы компоновки кулеров в корпусе ПК вертикальная.
Рис.9(б). Возможные схемы компоновки кулеров в корпусе ПК горизонтальная.
В лаборатории тепловых труб НТУУ «КПИ» г. Киев проверили на практике вышеназванные идеи и разработали экспериментальные образцы кулеров на тепловых трубах. Общие виды таких охлаждающих устройств представлены на фото (рис.10, 11). В основе их работы лежит принцип действия термосифона: для отвода высоких плотностей тепловых потоков выбран алюминиевый профиль с конструкционной капиллярной структурой (по сравнению с существующими аналогами, подобные конфигурации ТТ являются более технологичными).
Рис.10(а). Охлаждающее устройство на двух тепловых трубах общий вид.
Рис.10(а). Охлаждающее устройство на двух тепловых трубах расположение в системном блоке.
Рис.11. Улучшенная конструкция кулера на одной тепловой трубе.
Длина и форма (сечение, кривизна) тепловой трубы могут быть различными, но при этом не должны нарушаться физические процессы в тепловой трубе (см. рис.1). Сразу нужно отметить, что схемы построения и компоновки отличаются от продукции китайских фирм. Предлагаемые схемы с одной стороны не обладают универсальностью установки данных кулеров в любой возможный корпус ПК. Но с другой стороны, как и показали результаты исследования, отличаются неплохой компоновочной многофункциональностью в корпусах формата Mid-Tower (рис.9). Такая схема может также заинтересовать предприятия изготовителей ПК, которые создают свой внутренний и наружный дизайн корпуса системного блока.
Методика измерений и аппаратура
Для исследования тепловой эффективности предлагаемого кулера применены методика и аппаратура, разработанные в НТУУ. В качестве первичных данных, являющихся основой для расчета термического сопротивления системы охлаждения, служит экспериментально измеренное температурное поле всего устройства.
Рис.12. Общий вид экспериментального стенда: 1 МСИТ; 2 система электропитания и измерения мощности; 3 исследуемый кулер; 4 термодатчики.
Рис.13(а). Резистивный электронагреватель общий вид.
Рис.13(а). Резистивный электронагреватель крепление на основание радиатора.
Результаты тестовых испытаний
На рис. 14 представлены зависимости избыточной максимальной температуры ядра «процессора» от рассеиваемой мощности.
Рис.14. Тепловые характеристики систем охлаждения:
В1 кулер НТУУ «КПИ» (рис.10, а) при токе 0,11 А (с двумя вентиляторами);
В2 новая улучшенная конструкция кулера НТУУ «КПИ» (рис.11) при токе 0,11 А (с двумя вентиляторами );
В3 новая улучшенная конструкция кулера на одной тепловой трубе при токе 0,11 А (с одним вентилятором, расположенным на конденсационной части ТТ).
На рис. 15 представлена зависимость максимального термического сопротивления кулеров от рассеиваемой мощности.
Рис.15. Термическое сопротивление кулеров:
В1 кулер НТУУ «КПИ» (рис.10, а) при токе 0,11 А (с двумя вентиляторами);
В2 новая улучшенная конструкция кулера НТУУ «КПИ» (рис.11) при токе 0,11 А (с двумя вентиляторами);
В3 новая улучшенная конструкция кулера на одной тепловой трубе при токе 0,11 А (с одним вентилятором, расположенным на конденсационной части ТТ).
Диапазон температур окружающей среды в исследованиях составляет 2535°С.
Масса охлаждающего устройства 0,480,5 кг.
Выводы
Предлагаемые авторами кулеры характеризуются низкими и стабильными значениями термических сопротивлений 0,250,27°С/Вт в диапазоне сбрасываемых мощностей 80180 Вт, обладают небольшой массой (до 500г), имеют возможность разновариантного размещения теплосбрасывающей поверхности конденсационной части тепловой трубы в рабочем объеме системного блока. Кулеры также предусматривают возможность дальнейших модификаций (более теплопроводные материалы в конструкции ТТ, развитие площади поверхности теплообмена, более эффективные вентиляторы и т.д.) и могут быть использованы для дополнительного охлаждения других компонентов ПК (жестких дисков, элементов системных плат и т.п.), либо компоноваться с размещением вентиляторов в вытяжном окне корпуса системного блока.
Тепловые трубки своими руками
С каждым апгрейдом и последующим разгоном компьютера вместе с тепловыделением процессоров росло мое недовольство стандартными системами охлаждения. Воздушные кулеры меня уже давно перестали устраивать из-за недостаточной производительности и неприемлемых шумовых характеристик (несколько минут послушав рев TT Volcano 7+, я отнес этого монстра друзьям, давшим мне его потестировать).
реклама
Шум для меня вообще критичен, так как я сплю в той же комнате, где стоит компьютер, всю ночь занятый рендерингом. Самодельная система водяного охлаждения могла дать неплохие результаты, но, во-первых, для электропитания помпы пришлось бы использовать дополнительную розетку, во-вторых, в и без того крайне плотно заполненном пространстве системного блока нужно было бы разместить кучу трубок (ухудшение и без того плохой вентиляции), в-третьих, расширительный бачок с помпой и немалый радиатор не могут влезть внутрь моего корпуса и будучи установлены рядом, сильно уменьшили бы пространство на рабочем столе и смотрелось бы довольно неэстетично, в-четвертых, вибрации и низкий гул аквариумной помпы, практически незаметные днем, ночью становятся просто невыносимыми (проверено на опыте неудачной попытки завести рыбок), ну и в-пятых, себестоимость такой системы, судя по форумам, может достигать 60$, а то и 80$. Постепенно сформулировались следующие требования к системе охлаждения:
Казалось бы, такую систему изготовить в принципе невозможно, но решение нашлось – это тепловые трубы (ТТ), которым на всех форумах по разгону компьютеров и системам охлаждения уделяется крайне мало внимания (иногда в интернете встречаются самодельные испарительные системы охлаждения с пузырьковым кипением рабочей жидкости, которые называются тепловыми трубами, но таковыми не являются и имеют с ними мало общего, а скорее напоминают термосифоны 19 века).
Подобная завеса молчания на самом деле весьма удивительна, если вспомнить об их характеристиках. При малых габаритах, отсутствии внешних источников питания и абсолютной надежности (ломаться просто нечему) ТТ обеспечивают высочайшую эффективность и полную бесшумность. Естественно речь идет о тепловой трубе в ее современном виде. Отлично, такой «кулер» полностью подходит по пяти пунктам требований к системе охлаждения, но остался третий пункт. На разработку конструкции, которую возможно изготовить дома, цена которой не превысит 40$ и материалы для которой будут доступны, у меня ушло много времени. Результат же превзошел все ожидания – стабильный разгон при пассивном охлаждении. ТТ я считаю пассивной системой, поскольку она не имеет механических движущихся частей и не требует внешних источников питания (для работы используется сама отводимая энергия).
В этой статье я расскажу об основных этапах разработки и подробно опишу увлекательный процесс изготовления ТТ. К сожалению, в процессе изготовления я не делал фотографий за неимением цифрового фотоаппарата, поэтому у меня нет возможности проиллюстрировать все этапы фотографиями, надеюсь, что сделанные мной рисунки смогут полноценно их заменить.
2.1. Что такое тепловая труба
Если говорить научным языком, тепловая труба (ТТ) – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов. Впервые термин «тепловая труба» был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к патенту США 3 229 759 (02.12.1963, Комиссия по атомной энергии США) и в его статье «Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью». Перенос тепла в ТТ осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния (обычно испарение рабочей жидкости и ее последующая конденсация).
Если взять обычную металлическую трубку, налить в нее немного воды, практически полностью откачать из нее воздух (это очень важно, не откачанный воздух будет мешать парообразованию и быстрому движению пара), и герметически закрыть ее с обеих сторон, то мы получим простейшую тепловую трубу, которая называется термосифоном, и идеально работает при вертикальном расположении. Термосифон работает так: к нижнему концу (зона испарения) подводиться тепло, вода начинает испаряться без пузырькового кипения (это тоже очень важно, потому что при кипении на стенках ТТ возникают пузырьки, которые затрудняют отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, и, следовательно, ограничивают мощность теплопередачи), поглощая при этом большую энергию, пар поднимается по трубе к холодному концу (зона конденсации), конденсируется, отдавая энергию, и в виде воды стекает по стенкам трубки вниз. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, обеспечивается высокая плотность теплового потока. Термосифоны могут работать, если зона испарения находится ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.
реклама
Первые термосифоны применялись для выпечки хлеба в Америке в 19 веке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что ТТ и термосифоны обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал.
6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors. Как указывал автор, целью изобретения было «. обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора». Для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер изобрел тепловую трубу, которая могла работать в любом положении и иметь любую форму.
В октябре 1973г в Штутгарте прошла первая международная конференция по тепловым трубам, после которой они получили общее признание.
2.3. Некоторые характеристики ТТ
В настоящее время более эффективного устройства для передачи тепловой энергии, чем ТТ, не существует. Цилиндрическая ТТ с водой при t =50 o С будет иметь теплопроводность в сотни раз больше чем у меди. ТТ на литии при t =1500 o С В осевом направлении может передать тепловой поток до 25квт/см2.
Современные ТТ имеют следующие характеристики:
По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) для очень высоких температур, и неметаллические (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) для низких и средних температур, к области которых относится и диапазон допустимых температур процессора. Для возврата конденсата в зону испарения могут использоваться гравитационные, капиллярные, центробежные, электростатические и т.д. силы.
Важно отметить, что ТТ начинает работать при любом перепаде температур на ее концах, это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 60 градусов даже если ее другой конец будет иметь температуру 59 градусов. Невысокий коэффициент теплоотдачи (мощность, отводимая с одного квадратного метра поверхности, при условии, что ее температура на один градус выше температуры окружающей среды) пассивного радиатора (он применяется, т.к. абсолютно бесшумен) на холодном конце ТТ снизит допустимую температуру окружающей среды, но не намного.
Наиболее современный и распространенный тип тепловой трубы – ТТ Гровера – состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ (капиллярно-пористый материал).
Сечение – круглое или прямоугольное. Минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный – принципиальных ограничений не имеет. Материал – обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).
реклама
Капиллярно-пористый материал (фитиль):
КПМ обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерно распределяет ее по всей зоне испарения. Требования к КПМ противоречивы, необходимые параметры подбирают, исходя из конкретной ситуации.
реклама
Совершенно очевидно, что все металлические части ТТ должны быть изготовлены из меди, ввиду ее отличной теплопроводности, простоты обработки точением, химической пассивности и просто хорошему внешнему виду. Изготовить единую ТТ из одного куска меди дома невозможно (как выяснилось, достать нужный для этого кусок меди тоже невозможно), поэтому пришлось разбить ее конструкцию на три части: зона испарения, зона конденсации и соединяющий их корпус.
С самого начала было ясно, что труба должна контактировать непосредственно с процессором через тонкий слой термопасты. Системы, используемые в ноутбуках, в которых между двумя медными пластинами зажимаются ТТ, и уже пластины контактируют с процессором, недопустимы, так как обеспечить хороший контакт между пластинами и ТТ практически невозможно. Таким образом, было решено, что зона испарения будет выполнена из единого куска меди, ее торцевая часть будет притерта для лучшего контакта с процессором, а стенки должны быть достаточно толстыми для обеспечения теплоотвода через всю поверхность испарительной зоны.
реклама
Корпус решено было изготовить из медной трубки диаметром 30 мм. Единственная функция корпуса в моей системе – соединение испарительной и конденсационной зон, поэтому никаких особых требований к нему не предъявлялось.
3.3. Зона конденсации
Зона конденсации – самая сложная часть всей системы. Она должна эффективно отводить тепло, полученное при конденсации пара. Было решено применить пластинчато-ребристый радиатор, то есть состоящий из большого числа тонких пластин.
Эффективность ребра зависит от его площади и температуры, у моих ребер форма и площадь одинаковы, а из теоретических сведений о ТТ известно, что зона конденсации имеет изотермическую поверхность (поверхность с одинаковой температурой во всех точках, постоянство температуры получается благодаря тому, что при переходе пар – жидкость выделяется энергия в виде тепла и температура не меняется, а пар конденсируется равномерно по всей поверхности зоны конденсации), это значит, что радиатор будет иметь одинаковую эффективность ребер на всей длине. Таким образом, максимальная отводимая мощность линейно зависит от длины зоны конденсации. Очевидно, что зона конденсации должна быть конструктивно совмещена с пластинчато-ребристым радиатором, проще говоря, ребра должны быть нарезаны прямо на трубе, это наиболее простая и эффективная (тепло без посредников отводится с зоны конденсации в воздух) конструкция.
3.4. Рабочая жидкость
реклама
В качестве рабочей жидкости была выбрана дистиллированная вода. В принципе, можно было использовать ацетон, но вода привлекает большей теплоемкостью и большей скрытой энергией парообразования, кроме того, я не уверен, что ацетон не будет взаимодействовать с неметаллическими частями ТТ, к тому же он кипит при низкой температуре (всего 56 градусов при атмосферном давлении, а в вакууме еще меньше) и в нем может начаться процесс пузырькового кипения, что, как мы помним, сильно ограничит перенос тепла в трубе. «Цветение воды» полностью исключено, так как в трубке будет полная темнота и вакуум.
Честно говоря, чтение статей о материале фитилей для ТТ повергло меня в уныние. У двух моих знакомых именно на этом этапе закончились попытки сделать ТТ для охлаждения процессора. Дело в том, что повсеместно рекомендуется изготавливать фитили из спеченных металлических порошков (меди, титана, никеля) с размерами частицы порядка нескольких микрон или из металлических сеток саржевого плетения, тоже с недостижимыми параметрами. Если спечь фитиль из порошка в домашних условиях можно, то получить порошок с нужным размером частиц практически нереально, как и сплести нужную сетку. Хотя есть на эту тему у меня кое-какие задумки, но они пока не проверены экспериментально.
К счастью, я задался вопросом: а почему, собственно, применяют фитили из спеченных порошков? Выяснилось, что они нужны для обеспечения подъема рабочей жидкости на высоту до одного метра. Естественно, что мне такой подъем не нужен, ТТ у меня будет расположена горизонтально, а максимальная высота подъема воды составит 3 см (для эффективной теплоотдачи с торцевой и боковых частей испарительной зоны). В данных условиях в качестве фитиля лучше всего применять именно фитиль. От старой керосиновой лампы. У меня как раз была пачка неиспользованных в свое время запасных фитилей, так что вопрос выбора КПМ был благополучно решен.
4. Поиск необходимых материалов
реклама
У меня, как я уже писал, была пачка запасных фитилей от старой керосинки. В принципе, их можно было купить в магазинах хозтоваров, в которых иногда появляются декоративные керосиновые лампы и запасные фитили к ним.
реклама
Для изготовления ТТ мне понадобились следующие инструменты: старый токарный станочек, доставшийся мне после закрытия мастерской по ремонту часов в подвале нашего дома, узкий (2 мм) длинный резец с плоской режущей кромкой, набор сверл, силиконовый герметик (не уверен, относится ли он к инструментам), регулируемые плашка и метчик для нарезания резьбы диаметром от 1.5 см до 3.5 см, стекло и мельчайшая кирпичная пыль для притирки медных частей, мелкий напильник, паяльник и ножовка по металлу. На одном из этапов изготовления потребовался вакуумный насос, любезно предоставленный кафедрой физики.
6.1. Изготовление зоны испарения
6.2. Изготовление зоны конденсации
Зона конденсации оказалась наиболее сложной частью конструкции. На нее я потратил примерно 90% времени, ушедшего на изготовление ТТ. Ее сложность обуславливается параметрами исходного материала. В результате 20-ти сантиметровая конструкция была изготовлена из 22 секций, длиной менее 10 мм. Конструкция одной секции понятна из рисунка. На каждой секции выточены по 3 ребра толщиной 1 мм и расстоянием между ними 2 мм.
Будучи наслышан о пластичности меди и трудностях ее обработки, я опасался невероятных проблем при точении ребер, но, как выяснилось, именно при точении все обстоит намного проще: во-первых, медь не перегревается, ведь при обороте заготовки большая ее часть не контактирует с резцом и успевает охлаждаться, во-вторых, даже будучи немного нагреты, уже готовые ребра не деформируются, так как их выпрямляет немалая центробежная сила, возникающая при быстром вращении заготовки, ну а в-третьих, уже готовая часть радиатора отводит излишки тепла от точки обработки. Для более надежного охлаждения обрабатываемой детали я использовал комнатный вентилятор с картонным конусом, направляющим воздушный поток.
Большой проблемой оказалось соединение секций между собой. Спаять такую конструкцию, по-моему, нереально, ведь ее придется сильно нагревать на газовой плите, и уже сделанные пайки могут развалиться, да и действовать паяльником в 2-х миллиметровом пространстве между ребрами крайне затруднительно. В результате я нарезал на соединяющихся частях резьбу и свинтил их. Кроме «стандартных» были выточены две секции, составляющие конец ТТ и секция, соединяющая корпус с зоной конденсации. В торцевой конец был вкручен простейший шариковый клапан, через который из ТТ будет откачан воздух.
В пластинчато-ребристом радиаторе возникает эффект «вытяжной трубы» (нагретый воздух в ограниченном с боков пространстве с большой скоростью движется вверх, подтягивая на свое место холодный воздух), что обеспечивает хороший обдув ребер радиатора. Коэффициент теплоотдачи такого радиатора составляет около 30 Вт / (м 2 0 С). Помножив этот коэффициент на общую площадь (ведь, как мы помним, все пластины работают одинаково эффективно и имеют одинаковую температуру), получим, что при разности температур между радиатором и окружающим воздухом в 1 градус мой радиатор сможет рассеять примерно18 Вт. А при разности температур в 10 градусов – 180 Вт!
Допустим, летом температура в комнате поднимется до 35 градусов, тогда для отвода 180 Вт температура радиатора должна быть 45 градусов, а как известно из теории, ТТ будет работать даже при температуре зоны конденсации 59 градусов, значит есть еще неплохой запас. Уверен, что выделяемая процессором мощность не будет больше 100 Вт, а для отдачи такой мощности радиатор нагреется всего на 5.6 градусов выше комнатной температуры.
6.3. Изготовление корпуса
Медную трубку нужного диаметра мне найти не удалось, зато у меня был лист меди толщиной чуть меньше 1 мм. Этот лист был в два слоя накручен на выточенный на токарном станке деревянный цилиндр, от души обработан киянкой и пропаян вдоль. Получилась вполне приличная трубка. Сечение корпуса выглядит так:
6.4. Изготовление фитиля
6.5. Определение объема воды
Для эффективной работы ТТ рабочей жидкости должно быть чуть-чуть больше, чем может вобрать в себя фитиль, иначе лишняя жидкость будет занимать часть канала по которому движется с большой скоростью пар, при этом жидкость будет сдуваться в зону конденсации, мешая отводу тепла через стенки ТТ. Необходимый объем воды определился очень просто: фитиль был насыщен водой и выжат в мерный стакан, еще 0.5 см 3 было добавлено из тех соображений, что часть воды перейдет в парообразное состояние.
6.6. Сборка конструкции
Сначала корпус был вставлен в зону испарения и припаян, затем зона конденсации была развинчена на две части, и соответствующая часть была припаяна к корпусу. Излишки олова были удалены мелким напильником. Развинчивать зону конденсации понадобилось, чтобы после пайки можно было вставить фитиль и зафиксировать его проволочным кольцом. После вставки фитиля все было просто: я залил ранее определенное количество дистиллированной воды (из аптеки), свинтил зону конденсации и залил стыки между ее секциями силиконовым герметиком. Хотя внешний вид готовой конструкции доставлял несомненное эстетическое удовольствие, она была неработоспособна. Из нее еще предстояло откачать воздух, мешающий парообразованию и перемещению пара вдоль трубы. В разрезе готовая ТТ выглядит так:
6.7. Откачка воздуха
На кафедре физики нашелся вакуумный насос, которым через клапан в торце ТТ был откачан воздух. ТТ была предварительно заморожена в морозильнике, чтобы насос вместе с воздухом не выкачал воду в виде пара. Наложенный снаружи на швы герметик под действием атмосферного давления частично втянулся в них, обеспечив полную герметичность.
Тестировалась ТТ очень просто. Взявшись за конец зоны конденсации, я засунул зону испарения в кипящую воду, руке практически мгновенно стало горячо, потом я взялся за зону испарения и погрузил радиатор в ведро со льдом, рука тут же почувствовала ощутимый холод. Смысла в дальнейшем тестировании я не усмотрел и приступил к монтажу ТТ в компьютер.
Как уже говорилось, крепление за сокет или материнскую плату не может удержать двухкилограммовую конструкцию длиной чуть больше 30 см, поэтому необходимо было немного модернизировать корпус. В боковой стенке было прорезано отверстие, через которое ТТ выходит из корпуса. К внутренним металлическим конструкциям корпуса были прикреплены растяжки из медной проволоки, на которые была подвешена ТТ. Зона испарения была соединена с процессором через термопасту АЛ-СИЛ 3, и закреплена за зубья сокета (крепления были взяты от какого-то старого ломаного no-name кулера). Крепления были приклеены, поэтому они все время отваливались от шлифованной поверхности ТТ (при этом выяснилось, что они совершенно не нужны, труба, благодаря проволочным растяжкам с достаточной силой прижимается к процессору), и в конце концов я их снял совсем.
Казалось бы, торчащий радиатор диаметром 8 см и длиной 20 см будет неудобен, некрасив, займет много пространства на рабочем столе, но это совершенно не так! Смотрится он очень приятно (мой знакомый моддер был в полнейшем восхищении), придает дизайну корпуса некоторую футуристичность, расположен он не на столе, а над столом, совершенно не мешая класть документы, диски и т.п. Никаких неудобств от габаритов этого устройства лично я не испытываю.
Недавно мне пришло в голову, что если зачернить трубу, она будет лучше отдавать тепло (физический закон – чем чернее тело, тем оно лучше не только поглощает тепло, но и отдает). Чернение проводилось химическим способом, описывать его я не буду, поскольку никому не советую этого делать – нанюхаетесь нашатырного спирта, а увеличения теплоотдачи практически не получите, во всяком случае у меня труба равномерно почернела (еще и дрянь какая-то аморфная на некоторых ребрах осела), но температура процессора не снизилась ни на градус.
Как видно на этой фотографии, конструкция отнюдь не выглядит громоздкой, хотя это довольно спорное утверждение.
Ребра. Конечно, при точении на станке, которому не меньше 30 лет, не удалось избежать досадных оплошностей вроде неравенства толщины получившихся ребер, одно ребро при обрыве резинового привода станка было непоправимо испорчено и его пришлось сточить совсем, кромки некоторых ребер немного помяты, потому что станок иногда начинал вибрировать в направлении, перпендикулярном оси вращения.
Открыта боковая крышка, если присмотреться, то видны проволочные растяжки, на которых висит ТТ.
Я не ставил себе задачу продемонстрировать чудеса экстремального оверклокинга. Целью разгона было доказать возможность стабильного работы разогнанного процессора при пассивном охлаждении.
8.1. Комплектация компьютера:
Для тестирования использовались SiSoft Sandra 2001, PC Alert 4, 3D Mark 2000, операционная система Windows ME.
Сначала частота системной шины была выставлена на 180 МГц, на большей частоте компьютер отказывался включаться. Далее разгон процессора производился путем увеличения множителя. Без поднятия напряжения стабильная работа (безошибочная десятикратная архивация-разархивация Winrar’ом папки Program Files размером 929Мб, перемежающаяся с прогонами 3D Mark) была получена на частоте 2070Мгц (180х11,5).
Дальнейший разгон приводил к нестабильной работе, а системная плата при включении иногда начинала мигать светодиодами на тему «on-board memory error». Наверняка при поднятии напряжения можно было бы выжать и больше мегагерц, но как я уже писал, такой задачи не ставилось.
8.3. Температурный режим CPU
Замеры производились при комнатной температуре 35 градусов, специально для эмуляции летних условий были использованы калорифер и термовентилятор. Температуру зоны конденсации померить оказалось практически невозможно из-за сложной формы радиатора. Показания температуры процессора снимались в течение часа прокрутки 3D Mark и двухчасового рендеринга в 3DS Max при помощи утилиты PC Alert 4, идущей в комплекте с системной платой.
Следует отметить, что температура системы всего на 7 градусов выше комнатной, до установки ТТ она была на 15 градусов выше комнатной (да, вот такая вот убогая у меня вентиляция в корпусе), что достигается благодаря выводу процессорного тепла прямо в окружающий воздух. 53 градуса на разогнанном почти в полтора раза процессоре при 35 градусах в комнате, по-моему, неплохие показатели для пассивной системы охлаждения! При этом ТТ не издает никаких звуков, потому что в ней нет пузырькового кипения, создающего шум в испарительных системах.
Проведенные тесты показывают, что была изготовлена весьма эффективная система охлаждения, которая в моем случае обошлась в 40$ (цена медной высоковольтной шины). Кстати, у меня осталось около 15 килограмм медной стружки, которую я сдал по доллару за килограмм, в результате затраты на систему составили только 25$. Эксплуатация системы в течение месяца не выявила никаких проблем.
Уверен, что после прочтения списка плюсов, вопросы вроде «А зачем же было так извращаться?» отпадут сами собой.
9.2. Планы на будущее
Моя система была построена безо всяких расчетов (кроме приблизительного расчета радиатора) только на знании общих принципов теории ТТ, и из первых попавшихся материалов. Некоторые сомнения вызывает эффективность фитилей от керосиновой лампы, видимо они работают на пределе, поэтому чернение и не дало снижения температуры процессора. ТТ была сделана прямой, что привело к небольшим трудностям при ее установке.
Для дальнейшего совершенствования системы я вижу следующие пути: