プロセッサの冷却。スキーム、説明

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プロセッサーの冷却。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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最新のコンピュータコンポーネントの冷却デバイスは、熱交換システム、冷却剤スーパーチャージャー、監視および制御デバイス、冷却対象物への取り付けユニットを含む複雑な構造です。これらのシステムには原則として技術的な特徴が存在せず、ユーザーは自分の経験に頼らざるを得ません。この記事は、冷却装置の設計と使用の複雑さを理解するのに役立ちます。

ご存知のとおり、Intel はプロセッサの動作温度を +66 ～ 78 °C、AMD は +85 ～ 90 °C に制限しています。部屋が +23 °C の場合、コンピューターシステムユニット内の気温は 10 ～ 15 °C 高く、プロセッサーはさらに 20 ～ 35 °C 高くなります。その結果、プロセッサーの温度は +75 °C、暑い天候 (+35...40 °C) ～ +92 °C に達する可能性があります。

このことから、最新のプロセッサーはフル負荷時に効果的な冷却を必要とし、すべてのクーラーがそれを提供できるわけではないことがわかります。コンピューターからあらゆるものを絞り出したい人は言うまでもありません。彼らにとって、効果的なクーラーは緊急の必要性です。したがって、どのクーラーを選択すればよいかという質問がよく起こります。

現在、世界中でさまざまなタイプの冷却装置が製造されています。これらには、冷媒が空気であるクーラーや、最近登場した水冷や熱電冷却装置、ヒートパイプクーラー、さらには蒸気圧縮冷凍装置などの珍しいものも含まれます。そしてアマチュアは液化ガスやドライアイスの実験も行っている。

現在の発熱レベルでは、空気を冷媒として使用するクーラーが広く使用されており、コンピューターコンポーネントを冷却するというタスクにうまく対処しています。熱伝達のタイプに基づいて、それらは自然対流と強制換気を備えた装置に分類されます。前者は最大 10 ～ 15 W の発熱量のシステムで使用され、後者は最大 100 W の発熱レベルで使用されます。 XNUMX番目のグループのクーラーでは、除去された熱出力はラジエーターの表面積（コンピューターに関する文献で十分に確立されているため、以下この用語を使用します）、ラジエーターと冷却器の温度差に比例します。空気量と空気流速。最も一般的なのはフィン付きラジエーターで、製造がより複雑なピンタイプやタービンタイプはあまり使用されません。

長く知られている GoldenOrb から最新のモデルまでのタービンクーラーは、その効率の高さで実証されています。著者が5年間使用してきたGoldenOrbは、フィンの面積がかなり小さいにもかかわらず、良い面のみを示しています。この設計が選択されたのは、プロセッサーからマザーボードに沿って広がる空気の流れを作り出すこの設計の特性により、その上にあるコンポーネントに追加の冷却を提供するためです。その有効性を決定するものは何でしょうか? 分析の結果、一定断面積のフィンを備えたタービン型ラジエーターでは、空気流路の断面積が空気の流れに沿って増加し、内部に加熱された空気の一定かつ高流量が確保されることが判明しました。ファンの出力が低い場合です。さらに、空気の流れに沿ったフィンのねじれ方向が正しいため、ガス力学的抵抗が減少し、冷却風の速度がフィン付きラジエーター (最大 2 m/s) よりも速くなります (最大 2,5 m/s)。。その結果、その熱抵抗は、面積が約 50 倍のフィン付きラジエーターの熱抵抗に匹敵することがわかりました。このモデルの銅製クーラーの使用は、最大 XNUMX W の放熱のために推奨されます。たとえば、一定断面のチャネル (台形フィン) を備えたこのタイプの他の冷却器は、効率が低くなります。

ニードルラジエーターを備えたクーラーは、同じ寸法のフィン付きラジエーターよりも表面積が大きいため、高い効率を示しています。

フィン付きラジエーターを備えたクーラーが最も広く使用されています。計算が簡単で、安価に製造できます。このようなデバイスの特性を説明する主な依存関係を考えてみましょう。

まず第一に、これは熱バランス方程式です：

ここで、P はラジエーターによって除去される熱出力です。 c は空気の比熱容量です。 p - 空気密度; V - チャネル内の対気速度。スキャン - チャネル断面積。 ΔТ = Тр - Тс – チャネル内の空気加熱温度。 Тр - ラジエーター温度。 Тс - 媒体（空気）の温度。 a はラジエーターの熱伝達係数です。 S は表面積です。

熱抵抗 Rp (数値的には、入力電力 1 W あたりのラジエーターの過熱温度、°C/W に等しい) は、熱流内の任意の要素の直列回路の温度差を特徴付けます。この場合、熱抵抗は、プロセッサーヒートシンクの抵抗:

ここで、Рр はラジエーターに供給され、ラジエーターによって消費される電力、W です。 ΔT は接触面の温度差です。

サーマルチェーン内の各リンクの熱抵抗がわかれば、ラジエーターからプロセッサチップまでのリンクに沿った温度分布を推定できます。

ここで、Tp はラジエーター温度です。 Тк - 結晶温度。 Rproc - プロセッサによって消費される電力。 RK_K - プロセッサの水晶ケースの熱抵抗。 RK - プロセッサーケースとヒートシンクの熱抵抗。 Rp - ラジエーター媒体の熱抵抗。

熱流路内の XNUMX つの要素間に熱伝導性ペーストを使用する場合の接触面の熱抵抗は、次の経験式を使用して推定できます。

ここで、Sn は接触面の面積です。

既存のプロセッサの接触表面積は約2〜15 cm2、熱抵抗RKは1〜0,15 °C/W、熱伝導性ペーストの使用により0,5...0,07 °C/Wに低下します。

フィラーを含まない接着剤を使用した場合、せいぜい乾燥した接触面に対応する値に相当する RK を得ることができますが、フィラーを含む接着剤を使用すると、熱伝導性接着剤を使用した場合に得られる RK 値に近い RK 値を達成することができます。ペースト。実際には、不乾性の熱伝導性ペーストが固定機構の圧力で広がり、最小限の厚さの層が得られ、接着剤はすぐに硬化して、最初の取り付け時に生じた隙間を保持します。これは主に、熱抵抗を決定します。このような接続の主な欠点はその剛性です。加熱されると、ラジエーターの変形が機械的応力の形でプロセッサーのケースに伝わり、悲惨な結果が生じる可能性があります。

もちろん、プロセッサーとクーラーのペアの熱状態を計算するプロセスははるかに複雑ですが、システム内で発生するプロセスを理解するには、示されている式で十分です。そして、評価計算を実行するには、特別な文献に頼ることができます（たとえば、R. G. Varlamov 編の REA Designer's Handbook を参照してください。-M.: ソビエトラジオ、1980 年）。

液体冷却器には、重力流式と強制ポンプ式の 10 つのタイプがあります。前者は、空気よりも大きな熱容量を持つ冷媒（水）を使用しているにも関わらず、最高級の空冷機と同等の特性を持ち、予想をはるかに下回っています。これは、冷却剤の流量が低いことと、プロセッサーと熱交換器からの熱除去ユニット内に圧力差を生み出すために必要な温度差によって説明されます。強制ポンピングを使用すると、熱の除去がより効率的になり、プロセッサーの温度が前の場合より 15 ～ XNUMX °C 低くなります。しかし、チューブの接続の品質が精度によってのみ保証できる場合、接続チューブ内に過剰な圧力が存在すると、気密性を確保するという問題の解決がさらに困難になります。水は体積膨張率が高いため、システムの最上位ノードの上に追加のコンテナが必要であることを忘れてはなりません。規則によれば、このコンテナには周囲の空気と冷却システム内の圧力を均一にする装置が必要です。最も単純な場合、これは外部環境と接続する穴です。その結果、水蒸気が常にシステムユニットの容積に入ります。密閉型均圧装置を使用すると、設計の信頼性が低下します。

メーカーは書いていないが、電子機器の水冷システムを扱っている人なら誰でも遭遇したことがある困難もあります。これらは微生物です。このような快適な環境での成長を防ぐには、特別な措置を講じ、少なくとも年にXNUMX回システムをフラッシュする必要があります。

液体クーラーの使用は、1000 W を超える電力で効果的です。出力が低く、操作が複雑であるため、プロセッサの冷却には推奨されません。

別のタイプの冷却器は、ペルチェ熱電素子を使用するデバイスです。例としては、最大 462 W の熱負荷に対応する SwiftTech の空冷クーラー MCX100+T があります。この製品は、液体冷却が受け入れられないシステムでの使用を目的としています。このクーラーの 127 個の熱素子は、出力電圧 320 V、負荷電流 12 A の同社推奨 Meanwell S15,2-24 電源によって電力供給されます。このデバイスは、最大冷却能力 226 W とそれ以上の温度差を提供します。 67℃以上ファンなしの価格は約90ドル、完全なセットの場合は130...170ドルです。

本質的に、ペルチェ素子はヒートポンプです。プロセッサーからラジエーターに熱を伝達し、これにエネルギーを費やし、プロセッサーが生成する熱に自身の熱を加えます。これは約 50% の効率で放散熱に匹敵し、これにより放熱量が増加します。システムユニット内。

また、プロセッサーの加熱に応じて熱電バッテリーを「スマート」に制御し、温度の過度の低下とその結果としての結露を防ぐことも必要です。熱電素子の冷却能力を調整することで、プロセッサーの熱放散を柔軟に監視し、消費電力を最適化できます。

ペルチェ素子をベースにしたクーラーの利点には、プロセッサの動作温度を 67 °C 下げる機能が含まれますが、欠点としては、高い電力消費 (最大 100 W) と放熱、設計の複雑さ、および自動冷却機能を備えたマザーボードの欠如です。制御装置。プロセッサーの温度管理を行わないと、プロセッサーとマザーボードが故障する可能性があります。このタイプのクーラーは、制御デバイスと組み合わせて使用すると、「オーバークロック」マイクロプロセッサーの実験に推奨されます。

このようなクーラーを自分で取り付けないように警告したいと思います。「最良の」場合、プロセッサーを失うことになり、最悪の場合、マザーボードも失うことになります。実際、効果的に冷却するには、厳密に指定された圧縮力の下で最小限の熱抵抗で XNUMX 対の表面 (プロセッサーと熱電素子、および熱電素子とラジエーター) を結合する必要があります。これは、そのようなデバイスの使用経験が豊富な専門家によってのみ高品質で実行できます。それが失敗した場合、そのようなクーラーを使用すると、さらなる問題が発生するだけです。

フィン付きラジエーターを備えた標準的な空冷クーラーの熱特性とその効率を評価するために、ラジエーターの材質 (アルミニウム合金、銅) に応じて、参考書に記載されている方法論に従って P4 プロセッサークーラーに焦点を当てて計算を実行しました。上記の通り。

初期データ: 吹き付け表面積 1560 cm2 のリブ付きラジエーター、表面 - 粗く、黒く、固定 - 標準。消費電力 - 80 W、気温 - +40 °C、送風速度 - 約1 m/s。計算結果を図の表とグラフに示します。表では次の指定が使用されています。 ΔТр_кр - ラジエーターと結晶の転移における温度差 (小さい値 - 熱伝導性ペーストを使用する場合、大きい値 - 熱伝導性ペーストを使用しない場合)。 Tcr は同じ場合の結晶の温度です。 Rras - ラジエーターによって消費される総電力。ラス。イズル。黒 - 黒くなったラジエーターによる放射によって電力が消費されます。

プロセッサーの冷却

図からわかるように、アルミニウム合金 (AI) で作られたラジエーターは (他の条件がすべて等しい場合)、ラジエーター温度 +77 °C で、銅 (Cu) から約 52 W の熱出力を除去します。 - ラジエーター温度約 +80 °C でほぼ 34,5 W。言い換えれば、検討中のケースでは、同じ火力であれば、銅製ラジエーターの温度は 1,5 倍低くなります。これにより、強力なプロセッサを冷却するクーラーに銅製ラジエーターの使用を推奨できるようになります。これらは、水や熱電装置の欠点を持たずに、この課題 (フィンの厚さが 1 mm 以上) にうまく対処できます。この表を使用すると、これらの点の結晶温度を推定できます。

プロセッサーの冷却

計算されたラジエーターの接触熱抵抗は、熱伝導ペーストを使用した場合 RK = 0,2 °C/W、使用しない場合は 0,4 °C/W になります。アルミニウム合金ラジエーターの熱抵抗は 0,67 °C/W、銅ラジエーターの熱抵抗は 0,45 °C/W (どちらの場合も定格電力時)

熱バランス方程式 (1) を分析し、冷却システムの運用経験に基づいて、次のことをお勧めします。

システムユニット内の送風ファンを使用してください。排気装置を使用すると、ユニット内の圧力が低下し、すべてのコンポーネントの冷却が損なわれます。
コンポーネントとケーブルは、発熱ユニットおよびシステムユニットのさらに外側に冷却空気流が流れる自由空間を提供するために、システムユニット内に配置する必要があります。
ラジエーターチャンネルの最適な面積を持つクーラーを選択してください。送風ファンの流れ面積と釣り合う必要があり、この場合、空気の流れは均一になり、ファンは過剰なエネルギーを消費することなく噴射を行うことができます。ファンやラジエーターのチャネルに埃が堆積している場合は、蓄積点での圧力サージや空気の流れが不安定であることを示しているため、その流れを調整する必要があります。このセクションでは空気速度は流路に沿った圧力降下によってのみ決定されるため、空気速度を上げようとしても無駄です。また、軸流ファンによって生成される圧力は水柱 2 ～ 5 mm を超えず、電気モーターの出力が増加しても実質的に増加しません。
マルチブレード (XNUMX つ以上) のインペラーを備えたファンを使用します。
システムユニットを熱源から可能な限り遠ざけて、システムユニット内の温度を下げます（ユニットが設置されている場所の気温が低いほど、システムユニット内の温度が低くなり、プロセッサが冷たくなります）。
最適なフィンの高さと厚さを持つラジエーターを選択してください。熱抵抗が高いため、非常に薄いフィンの温度はベース温度よりも大幅に低くなり、面積が大きいにもかかわらず冷却効率が低下します。フィンの厚さが約 1 mm であるため、より効率的な銅ラジエーターを優先する必要があります。
フィン付きのラジエーターを使用します。その断面形状により、フィンの表面全体からほぼ均一に熱が除去されます。たとえば、Fanner Tech の Spire 9T207B1H3G クーラーのラジエーターがこれに該当します。断面では、リブは底面比 2:1 (1,2 および 0,6 mm) の台形です。このようなフィンの表面の温度はより均一であるため、長方形のフィンと比較して効率が向上します。
そして最後に (これは開発者と製造者向けです)、熱抵抗を必須パラメータとして冷却特性のリストに導入します。

そして、一般的な推奨事項は、ありきたりなため議論できませんでしたが、すべての専門家がこれを遵守しているわけではないことが実践的に示されています。熱伝導ペーストを正しく使用すると、プロセッサーの動作が容易になります。クーラーを取り外すと、接触面全体に薄くほぼ透明なペーストの層が見えるはずです。何度も中央での平手打ちしか見られませんでした。このペーストの使用は冷却条件を悪化させるだけです。

要約しましょう。プロセッサーから熱電力がどのように除去されるかを理解するには、いくつかの規定と依存関係を知る必要があります。

電力消費は、プロセッサによって生成される熱電力よりも常に大きくなります。
プロセッサによって消費される熱電力は動作中に変化し、負荷に依存するため、静的成分と動的成分があります。 XNUMX つ目は、スタンバイモードでプロセッサによって消費される電力です。これはプロセッサモデル (内部構造) にのみ依存し、最新の AMD および Intel プロセッサではゼロではありません。 XNUMX 番目の変化はプロセッサの動作中に変化し、その負荷のみに依存し、総熱電力とその静的部分の差を表します。
プロセッサーによって生成された熱出力の一部は、冷却装置によって放射によって消散されます。
クーラーの効率は、その熱抵抗によって特徴付けられます。

著者: A.Sorokin、ラドゥジニ、ウラジミール地方

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