Тепловые тарелки

Тепловые тарелки

Тепловая тарелка (см. рис. 1) содержит: полый радиатор, наполненный жидким, или газообразным теплоносителем, промежуточный диск, разделяющий полость радиатора на две части.

Рис. 1. Состав тепловой тарелки: 1 – электродвигатель; 2 – ведущее колесо с магнитами; 3 – верхняя часть радиатора; 4 – ротор с магнитами; 5 – промежуточный диск; 6 – ижняя часть радиатора; 7 – светодиодная матрица.

Светодиодная матрица (см. рис. 1, 3) устанавливается снаружи радиатора на его поверхности или в отверстии радиатора для непосредственного соприкосновения с теплоносителем.

Первый пример химической несовместимости

На рисунках 1 и 2 показан на лицевая часть светильника на основе шести светодиодов Xlamps серии XR-E. Первая фотография показывает прибор сразу после изготовления, а на второй фотографии после 100 часов работы. Попробуем разобраться с причинами заметного явления пожелтения. Инженеры CREE разобрали светильник, удалили герметизирующее покрытие, которое было нанесено на всю плату (рис. 3).

Заметно, что светодиоды выглядят сгоревшими, и имеют оранжево- коричневый оттенок. Это и является причиной изменения пожелтения светильника.

Что же произошло? В пространстве между печатной платой и герметизирующим покрытием образовалась микросреда. При работе прибора температура повышается, что вызывает выделение ЛОС. Очевидно, это и привело к такому изменению цвета.

При осмотре платы выявлены остатки припоя и флюса вокруг нескольких компонентов, эпоксидного клея по краям платы, остатки и защитная маска на печатной плате. Чернила или краска, используемые для служебных обозначениях на плате, тоже можно рассматривать как потенциальный загрязнитель.

Один или несколько из этих веществ оказывает негативное химическое взаимодействие со светодиодами. Это и есть химическая несовместимость.

Процедура передачи тепла

Чтобы поддерживать низкую температуру перехода и поддерживать хорошие характеристики светодиода , следует рассмотреть все методы отвода тепла от светодиодов. Проводимость , конвекция и излучение – это три средства передачи тепла. Обычно светодиоды заключены в прозрачную смолу на основе полиуретана , которая является плохим проводником тепла . Почти все выделяемое тепло проходит через тыльную сторону чипа. Тепло генерируется из р-п – перехода с помощью электрической энергии , который не был преобразован в полезный свет, и проводится с внешним окружением через длинный путь, от перехода к припою точке, припой точки на борт, и питания к теплоотводу , а затем атмосфера. Типичный вид светодиода сбоку и его тепловая модель показаны на рисунках.

Температура перехода будет ниже, если тепловое сопротивление меньше, а также при более низкой температуре окружающей среды. Чтобы максимально увеличить полезный диапазон температуры окружающей среды для заданного рассеивания мощности , общее тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде должно быть минимизировано.

Значения термического сопротивления широко варьируются в зависимости от материала или поставщика компонентов. Например, R _JC будет _{находиться в} диапазоне от 2,6 ° C / Вт до 18 ° C / Вт, в зависимости от производителя светодиода . Термическое сопротивление материала термоинтерфейса (TIM) также будет варьироваться в зависимости от типа выбранного материала. Обычные TIM – это эпоксидная смола , термопаста, самоклеящийся клей и припой. Светодиоды питания часто устанавливаются на печатных платах с металлическим сердечником (MCPCB), которые крепятся к радиатору. Тепло, проходящее через MCPCB и радиатор, рассеивается за счет конвекции и излучения. В конструкции корпуса, плоскостность поверхности и качество каждого компонента, приложенное монтажное давление , площадь контакта, тип материала интерфейса и его толщина – все это важные параметры для расчета теплового сопротивления.

Обзор кулера Cooler Master MasterAir MA410M

Оглавление

• Паспортные характеристики, комплект поставки и цена
• Описание
• Тестирование
• Выводы

Паспортные характеристики, комплект поставки и цена

Описание

Поставляется процессорный охладитель Cooler Master MasterAir MA410M в красочно оформленной коробке из тонкого гофрированного картона.

На внешних плоскостях коробки не только изображен сам продукт, но и приведено его описание и технические характеристики. Надписи преимущественно на английском, но основные особенности перечислены на нескольких языках, в том числе и на русском. Кулер в сборе защищают вставки из вспененного полиэтилена, а крепеж и аксессуары расфасованы в пакетики и убраны в отдельную картонную коробочку.

В комплекте идет инструкция по установке в виде книжки-гармошки хорошего полиграфического качества. Информация в основном представлена в виде картинок и в переводе не нуждается. На сайте компании мы нашли ссылку на инструкцию в виде файла PDF.

Кулер оснащен вынесенным радиатором, к которому тепло от подошвы передается по четырем тепловым трубкам. Трубки, разумеется, медные. У подошвы теплосъемника трубки сплющены и впрессованы в толстую алюминиевую пластину, снаружи анодированную.

Прилегающие к процессору плоскости трубок сошлифованы, но не отполированы. На подошве теплосъемника между трубками практически нет канавок. До установки подошва защищена пластиковой пленкой. Вдоль трубок подошва слегка выпуклая (на 0,1 мм или чуть больше) и почти плоская поперек.

Преднанесенного термоинтерфейса нет, но производитель приложил к кулеру небольшой шприц с термопастой MasterGel Pro, количества которой явно хватит не на один раз (на три точно). Забегая вперед, продемонстрируем распределение термопасты после завершения всех тестов. На процессоре:

И на подошве теплосъемника:

Видно, что термопаста распределилась очень тонким слоем в местах контакта тепловых трубок с центральной частью крышки процессора, а ее избыток выдавился по краям. Очевидно, что в данном случае с термопастой сложно переборщить, так как ее избытки выдавливаются за плоскость подошвы. Отметим, что свежая и после тестов данная термопаста относительно жидкая, липкая и чуть тягучая, она выдавливается гораздо легче, чем счищается.

Радиатор представляет собой стопку алюминиевых пластин, плотно насаженных на тепловые трубки. В центре пластин есть гексагональный вырез. Сверху и по бокам радиатор прикрыт кожухом из черного пластика с матовой поверхностью.

Типоразмер комплектных вентиляторов 120 мм. На проушины рамки вентиляторов наклеены накладки из резины. Они по идее должны снижать шум от вибрации, но на практике ничего этого не будет, так как масса вентилятора и жесткость виброгасящих элементов позволяют обоснованно предположить, что из-за высокой резонансной частоты эта система в любом случае не будет иметь сколь либо значимых антивибрационных свойств. Но хотя бы исключен вариант дребезга из-за неплотного прилегания.

Один вентилятор нагнетает воздух, второй — выдувает. При этом вентиляторы не просто развернуты, а оснащены крыльчатками с различающейся геометрией, поэтому оба вентилятора повернуты тыльной стороной к радиатору. Вентиляторы закреплены на кожухе с помощью длинных винтов с накатными головками. Резьба на винтах мелкая и короткая, а пластик кожуха относительно мягкий, поэтому при небольшом усилии и даже просто при откручивании резьба в отверстиях в кожухе срывается. По возможности лучше вентиляторы с кожуха не снимать.

Металлические детали крепежа на процессор изготовлены из закаленной стали и имеют стойкое гальваническое покрытие. Как показала практика, раздвижная крестовина не очень удобна при установке радиатора на процессоре, так как она не закреплена, и приходится одновременно придерживать радиатор и крестовину, и при этом еще нажимать и вворачивать крепежные винты.

Вентиляторы кулера имеют четырехконтактный разъем (общий, питание, датчик вращения и управление ШИМ) на конце кабеля. Оба вентилятора подключаются к разветвителю, а он в свою очередь к разъему для вентилятора на системной плате. В таком варианте отслеживаться будет скорость вращения только одного вентилятора. Впрочем, на современных системных платах обычно нет недостатка в разъемах для вентиляторов, поэтом каждый из вентиляторов можно подключить к своему разъему и разветвитель не использовать. Провода от вентиляторов и часть разветвителя заключены в скользкую плетеную оболочку. Согласно легенде, оболочка уменьшает аэродинамическое сопротивление, но принимая во внимание толщину плоского четырехпроводного кабеля внутри этой оболочки и ее внешний диаметр, мы в правдивости этой легенды сильно сомневаемся. Впрочем, оболочка позволит сохранить единый стиль оформления внутреннего убранства корпуса.

Изнутри на кожухе радиатора вертикально закреплены ленты с 28 адресуемыми RGB-светодиодами. Под кожухом, на крышке, закрывающей верхнюю пластину радиатора и концы тепловых трубок, есть вставка-световод из прозрачного пластика. Взрывная диаграмма с сайта производителя поясняет сложное устройства кулера:

Свет от светодиодов отражается от пластин радиатора и преломляется в прозрачной вставке. В итоге свечение видно спереди и сзади через прозрачные крыльчатки вентиляторов, с боков через вертикальную прорезь в кожухе, и сверху, через отверстия в кожухе, при этом гексагональные отверстия в пластинах радиатора формируют светящийся тоннель.

Управлять работой адресных светодиодов можно с помощью контроллера, входящего в комплект поставки:

Кабель питания контроллера подключается к разъему питания SATA, что гораздо удобнее, чем к периферийному разъему типа «Molex». К контроллеру подключается кабель подсветки от кулера и кабель от термодатчика, установленного в центре подошвы кулера. Кнопками на контроллере выбирается требуемый режим работы подсветки. Как вариант контроллер можно подключить к разъему на системной плате с поддержкой адресуемой подсветки. В этом случае управлять подсветкой кулера нужно будет с помощью ПО от данной системной платы. Разъемы на кабеле от контроллера совместимы с адресными разъемами подсветки на платах Asus, MSI, ASRock и Gigabyte. Возможно кабель от подсветки на кулере можно подключить непосредственно в разъем на системной плате. Отметим, что разъем Micro-USB на контроллере не используется.

Первой кнопкой контроллера выбирается управление подсветкой с помощью контроллера или системной платы, при этом остальные кнопки работают только в первом случае. Второй кнопкой выбирается один из двух режимов с зависимостью подсветки от температуры подошвы кулера. Третьей кнопкой перебираются опции текущего режима (скорость или цвет), а четвертой кнопкой выбирается режим подсветки (всего шесть) или подсветка просто отключается.

Режимов с зависимостью от температуры два, в обоих цвет меняется от синего до красного через другие цвета, но чем выше расположен светодиод на радиаторе кулера, тем выше температурная граница перехода от одного цвета к другому. В одном режиме подсветка статичная, во втором — снизу вверх пробегает волна выключения. Например так выглядит кулер в случае статичного варианта и при нагреве процессора до 91 °C по данным его термодатчика:

Отключение питания не сбрасывает выбранный режим. Режимы подсветки с некоторыми вариантами настроек демонстрирует видеоролик ниже:

И вид сверху на тоннель:

Тестирование

Ниже в сводной таблице приведем результаты измерений ряда параметров.

В случае нашей системной платы кулер в сборе немного нависал только над ближайшими разъемами для модулей памяти. И даже в этих разъемах могут поместиться модули памяти высотой порядка 40 мм.

Полное описание методики тестирования приведено в соответствующей статье «Методика тестирования процессорных охладителей (кулеров) образца 2017 года». В данном тестировании в качестве программы, загружающей процессор, мы использовали тест Stress FPU из пакета AIDA64.

Этап 1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора кулера от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания

Диапазон регулировки не очень широкий — от 25% до 95% с плавным и практически линейным ростом скорости вращения. При снижении коэффициента заполнения (КЗ) ниже 25% вентиляторы не останавливаются. Это может иметь значение, если пользователь хочет создать гибридную систему охлаждения, которая при низкой нагрузке работает полностью или частично в пассивном режиме.

Диапазон регулировки с помощью напряжения заметно шире: регулировка с помощью напряжения позволяет получить устойчивое вращение на более низких скоростях. Вентиляторы останавливаются при снижении напряжения до 2,1/2,3 В и запускаются от 3,3/3,6 В.

Этап 2. Определение зависимости температуры процессора при его полной загрузке от скорости вращения вентилятора кулера

В этом тесте наш процессор с TDP 140 Вт не перегревается даже на минимальной скорости вращения вентилятора, достигаемой при регулировке с помощью только ШИМ.

Этап 3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера

В этом тесте мы изменяли только КЗ, зафиксировав напряжение на уровне 12 В. Перегибы на графике явно соответствуют каким-то резонансным явлениям, впрочем, в данном случае выраженного гула или неприятных призвуков нет. Зависит, конечно, от индивидуальных особенностей и других факторов, но в случае кулеров где-то от 40 дБА и выше шум с нашей точки зрения очень высокий для настольной системы, от 35 до 40 дБА уровень шума относится к разряду терпимых, ниже 35 дБА шум от системы охлаждения не будет сильно выделяться на фоне типичных небесшумных компонентов ПК — вентиляторов корпусных, на блоке питания, на видеокарте, а также жестких дисков, а где-то ниже 25 дБА кулер можно назвать условно бесшумным. В данном случае охватывается весь указанный диапазон.

Этап 4. Построение зависимости уровня шума от температуры процессора при полной загрузке

Попробуем уйти от условий тестового стенда к более реалистичным сценариям. Допустим, что температура воздуха внутри корпуса может повышаться до 44 °C, но температуру процессора под максимальной нагрузкой не хочется повышать выше 80 °C. Ограничившись этими условиями построим зависимость реальной максимальной мощности, потребляемой процессором, от уровня шума:

Приняв 25 дБА за критерий условной бесшумности, получим, что примерная максимальная мощность процессора, соответствующего этому уровню, составляет порядка 135 Вт. Если не обращать внимания на уровень шума, предел мощности можно увеличить где-то до 150 Вт. Еще раз уточним, это в жестких условиях обдува радиатора нагретым до 44 градусов воздухом. При снижении температуры воздуха указанные пределы мощности для бесшумной работы и максимальной мощности возрастают.

Выводы

Наше тестирование показало, что кулер Cooler Master MasterAir MA410M можно использовать с процессорами, имеющими реальное потребление порядка 135 Вт, при этом даже с учетом возможного повышения температуры внутри корпуса до 44 °C и при условии максимальной нагрузки все равно будет сохраняться очень низкий уровень шума — 25 дБА и ниже. При снижении температуры воздуха и/или менее жестких требованиях к уровню шума предел мощности можно значительно увеличить. К достоинствам кулера следует отнести аккуратный дизайн, антивибрационные прокладки под вентилятор, декоративную оплетку кабеля, габариты, не препятствующие установке модулей памяти с высокими радиаторами (от второго разъема), хорошую комплектацию и, конечно, многоцветную статичную или динамичную подсветку радиатора, в том числе с зависимостью от температуры процессора. К недостаткам отнесем не самое удобное крепление радиатора на процессор, а также то, что вентиляторы практически невозможно снять и поставить обратно, не сорвав резьбу под крепежные винты.

Двухфазные теплопередающие системы для охлаждения светодиодных светильников

Основной привлекательной чертой светодиодной технологии является принципиально более высокий по сравнению с альтернативными технологическими решениями уровень светоотдачи, что способно привести к значительным экономическим и социальным эффектам. Важнейшим из них является радикальное сокращение затрат электроэнергии на освещение, составляющих по различным оценкам до 18-20% всех затрат произведенной электроэнергии.

Сравнительные характеристики источников света на основе различных технологий по состоянию на сегодня представлены в таблице.

Таблица. Характеристики источников света

Оценка гидродинамического предела работы КТС

В основе расчета гидродинамического предела работы КТС лежит основное необходимое условие его работоспособности, обеспечивающее циркуляцию теплоносителя по всему замкнутому контуру. Это условие математически выражается в виде неравенства:

где ΔP_g — перепад давлений, вызванный действием массовых сил; ρ_l — плотность жидкой фазы теплоносителя; ρ_v — плотность паровой фазы теплоносителя; g — ускорение свободного падения; Н — расстояние между крайними точками КТС в направлении вектора ускорения свободного падения (превышение конденсатора над испарителем); ΔP_v — потери давления на трение в паровой линии; ΔP_l; — потери давления на трение в жидкостной линии.

Условие равенства в (1) позволяет найти минимальное значение Н для реализации условий работоспособности КТС в виде:

Обычно это условие записывают для так называемых номинальных рабочих режимов, повышая минимум Н еще на 25%. Тогда получим:

Режим течения пара (ΔP_v) может быть ламинарный или турбулентный, в зависимости от числа Re. Для жидкости (ΔP_l) режим течения, как правило, ламинарный:

где η_ν( T_v), ρ_v( T_v) — вязкость и плотность пара при температуре пара T_v; η_l(Τ_l), ρ_l (Τ_l) — вязкость и плотность жидкости при температуре жидкости Τ_l; L_v и d_v — длина и диаметр парового канала; L_l и d_l — длина и диаметр жидкостного канала; m — массовый расход теплоносителя; Q — тепловой поток (нагрузка); H_ev(T_v) — удельная теплота фазового превращения жидкость-пар.

Вводя для удобства коэффициенты E, C, D, получим окончательную формулу для расчета функциональной зависимости Q = f(H) в виде:

На рис. 3 приведена расчетная зависимость Q = f(H) для ряда теплоносителей при параметрах пара T_v = +70 °С и жидкости Τ = +20 °С; параметры контура: L_v = 0,1 м, d_v = 4 мм; L; = 0,1 м, d_t = 2 мм.

Рис. 3. Расчетная зависимость Q = f(H) для контурного термосифона

Как видно из расчетных данных, из выбранных теплоносителей лучшими свойствами обладает метанол в диапазоне Н = 3-7 см. Однако по мере увеличения Н свойства воды начинают доминировать над другими из выбранных теплоносителей и при Н>15 см вода становится лучшим теплоносителем. Правда, у воды температура замерзания около 0 °С, что делает ее применение проблематичным при отрицательных температурах.

Предлагаемая методика определения тепло-передающей способности КТС является наиболее простой при малых Н ( 2 на 1 Вт) при данных условиях теплообмена с окружающей средой.

Рис. 4. Изображение температурного поля КТС № 1 со светодиодной матрицей при номинальной мощности N = 50 Вт, полученное тепловизором Fluke Ti32 ( = +79,9 °С; SP 02 — в центре)

Результаты теплофизических исследований и их обсуждение

Проверка условий работоспособности КТС при минимальном превышении конденсатора над испарителем (Н)

Данный эксперимент проводился с КТС № 1 (с алюминиевым радиатором). Превышение конденсатора над испарителем варьировалось наклоном КТС к линии горизонта (угол Fi). Видно, что изменение Н с 8 до 4 см снижает тепловую нагрузку Q с 80 до 50 Вт при приблизительно одной температуре нагревателя +80 °С. Эти данные, представленные на рис. 5 и 6, с точностью до 20% соответствуют расчетным данным для ацетона (рис. 3).

Рис. 5. Характерные температуры КТС № 1 при угле наклона к горизонту Fi = -30° (H = |Lsin(-30°)| = 0,04 м)

Рис. 6. Характерные температуры КТС № 1 при вертикальной ориентации Fi = -90° (H = |Lsin(-90°)| = 0,08 м)

Таким образом, эти экспериментальные данные подтвердили работоспособность КТС при малых превышениях конденсатора над испарителем и неплохо согласуются с оценочной методикой расчета, приведенной выше. Тем самым подтверждены возможности создания достаточно плоского светодиодного светильника с контурными термосифонами.

Определение оптимальной заправки и выбора теплоносителя

Следующая серия экспериментов была направлена на оптимизацию выбора теплоносителя для контурных термосифонов. Для исследования использовался КТС № 2 с увеличенной более чем вдвое поверхностью алюминиевого радиатора (соответственно, более чем вдвое увеличена длина змеевико-вого конденсатора). В качестве теплоносителей использовался технический ацетон, этиловый спирт (95%) и дистиллированная вода. Выбор теплоносителей обусловлен как возможностями их в передаче тепла на требуемое расстояние, так и климатическими условиями, связанными с незамерзанием при температурах ниже -60 °С (ацетон, этанол, метанол и др.). Кроме того, учитывался имеющийся опыт их использования на совместимость материала (медь) КТС и теплоносителя. Важным было также определение оптимальной заправки теплоносителя для достижения минимальной температуры в зоне подвода тепла при прочих равных условиях. Исследования проводились при вертикальной ориентации КТС № 2 Fi = -90° (H = Hsin(-90°) I = = 0,35 м). На рис. 7 рассмотрено влияние количества теплоносителя (дистиллированной воды) в КТС на рабочие характеристики T = Д Q). Для сравнения исследовалась температура пара на выходе из испарителя T_v в зависимости от поданной тепловой нагрузки и количества теплоносителя в КТС № 2 при температуре окружающей среды T_e„ = +20 °C.

Рис. 7. Экспериментальная зависимость Tv = f(Q) для КТС № 2 (теплоноситель — вода)

Как видно из полученных данных, КТС № 2 работоспособен при значительных изменениях величин заправки теплоносителем. Однако в дальнейшем была рекомендована минимальная заправка теплоносителем в количестве 15 мл, что составляло четверть внутреннего объема КТС № 2. При этой заправке наблюдались наиболее низкие температуры в широком интервале тепловых нагрузок.

Дальнейшие исследования заключались в выборе оптимального теплоносителя для конкретных возможных климатических условий эксплуатации светодиодных светильников. На рис. 8 представлены результаты этих исследований для трех теплоносителей: дистиллированная вода, этиловый спирт (95%) и технический ацетон при одинаковых заправках в количестве 15 мл. Видно, что максимальная тепловая нагрузка в данных условиях составляла Q = 140 Вт для воды, Q = 125 Вт для этилового спирта и Q = 100 Вт для ацетона. Однако вода может быть рекомендована для климатических условий с температурой окружающей среды не ниже 0 °C.

Рис. 8. Экспериментальная зависимость Tv = f(Q) для КТС № 2 (сравнение различных теплоносителей при одинаковой заправке 15 мл)

На рис. 9 представлена типичная экспериментальная зависимость КТС № 2 с водой в качестве теплоносителя. Следует заметить, что при малых тепловых нагрузках наблюдаются пульсации измеряемых температур с амплитудами пульсаций до трех-четырех градусов. Величины этих пульсаций значительно снижаются с ростом тепловой нагрузки.

Рис. 9. Рабочие температуры (Т) КТС № 2 (теплоноситель — вода) при разных тепловых нагрузках (Q)

Исследование возможности использования теплорассеивающих пластмасс в качестве радиатора для систем сброса тепла

В последние годы все больше появляется информации об альтернативном использовании теплорассеивающих пластмасс (ТР) в качестве материала радиаторов [11]. Это объясняется технологическими свойствами ТР и их более низкой стоимостью по сравнению с широко применяемым для этих целей алюминием. С целью проверки свойств теплорассеивающих пластмасс (Теплосток Т6-Э5-7, ООО «СпецПласт-М») с теплопроводностью 8 Вт/(м-К) для КТС № 1 проводилось сравнение радиаторов из алюминия (полностью одинаковых размеров) и из данной теплорассеивающей пластмассы. На рис. 10 приведены результаты этого сравнения.

Рис. 10. Рабочие характеристики КТС № 1. Сравнение алюминиевого радиатора с радиатором из теплорассеивающей пластмассы (ТР)

Как следует из этого сравнения, теплорас-сеивающие пластмассы с гораздо более низким коэффициентом теплопроводности (8 Вт/(м-К)) по сравнению с алюминием или его сплавами (220-180 Вт/(м-К)) вполне конкурентоспособны и справляются со сбросом тепла в условиях естественной конвекции. Действительно, в ходе этих экспериментов наблюдалось возрастание температур в зоне подвода тепла приблизительно на 4-8% в зависимости от величины тепловой нагрузки при замене алюминиевого радиатора на радиатор из ТР (при прочих равных условиях).