Классика охлаждения: Часть 2. Гидродинамика теплосъёмника

13 мая 2005, пятница 00:26

Эта работа была прислана на наш "бессрочный" конкурс статей и автор получил награду – баребон Soltek Qbic EQ3901 и фирменную футболку сайта.


Первая часть статьи – "Термодинамика теплосъёмника".


Конвективный теплообмен

При определении количества тепла dQ, отдаваемого за время элементом поверхности dF, имеющим температуру t, в омывающую его жидкость с температурой t1, используется закон Ньютона:

dQ = α (t – t1) dF dτ (1.3)

Именно с этим уравнением теснейшим образом связана конструкция и работа в целом любого теплосъёмника. К примеру, чтобы в единицу времени передать в охлаждающую среду как можно больше тепла, необходимо увеличить площадь поверхности, причём имеющей наибольшую величину перепада температур (t – t1).

В приведённом уравнении (1.3) присутствует так называемый коэффициент теплоотдачи α. Определяя собой интенсивность теплового обмена между омываемой средой и поверхностью твёрдого тела, коэффициент теплоотдачи является функцией целого ряда факторов, как-то: плотности среды, её теплоёмкости, теплопроводности, вязкости и скорости движения, а также формы и размеров твёрдого тела, характера его поверхности.





Дать точные, достаточно надёжные значения коэффициента теплоотдачи, соответствующие всему разнообразию возможных условий, не представляется возможным. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо проводить специальное экспериментальное определение α. Повлиять сколько-нибудь существенно на свойства и состояние воды, кроме её температуры, вряд ли возможно, но тема динамики потока жидкости, охлаждающего поверхность, требует всестороннего рассмотрения.

Характер потока и его влияние на теплообмен

Ламинарный поток – течение, при котором жидкость (или газ) перемещается слоями без перемешивания. В природе такое состояние практически не достижимо, и поэтому проблема ламинарного потока в приграничном слое существует столько же, сколько существует гидродинамика. Даже если поверхность не имеет выступов и шероховатостей, т.е. совершенно гладка, трение и взаимодействие частиц всё равно имеет какую-то величину. Пусть эта величина порой ничтожно мала, но этого достаточно, чтобы в нашем случае понятие "ламинарный поток" стало лишь относительно большей или меньшей турбулентностью. Убедиться в этом нетрудно.

Турбулентность

Стеклянная трубка с внутренним диаметром 4.5 мм имеет встроенный металлический капилляр для подачи подкрашенной воды (условно – краситель).

Чистая вода и краситель подаются внутрь под одинаковым давлением. Нетрудно видеть, что микровихри присутствуют во всем объеме. Пройдя даже незначительное расстояние, жидкости уже полностью перемешиваются. Причём дестабилизация подкрашенной струи начинается немедленно после её выхода из капилляра. Это становится хорошо заметно, если несколько уменьшить давление подачи красителя по сравнению с основным потоком.

Следует иметь в виду, что данные изображения получены с помощью стробирующей вспышки, т.к. расстояние, указанное на снимке, поток проходит за 0.05 сек. Обычный наблюдатель при тех же условиях, но без стробоскопа видит лишь постепенно расширяющуюся струю.





Струя красителя на выходе из капилляра, находящегося не в потоке жидкости, а в воздухе, – ровная, распадающаяся на отдельные капли, но уже по иным причинам.

Проведённый опыт со стеклянной трубкой позволяет сделать вывод, что в случаях с реальными конструкциями, где после механической обработки гладкость стенок далека от идеальной, турбулентность ещё более значительна. Таким образом, оснащать конструкцию каким-либо устройством, служащим только для завихрения воды, нет смысла. В то же время повышение эффективности охлаждения вплотную связано с устройством дополнительных элементов, увеличивающих площадь теплоотдачи, а в некоторых случаях улучшающих перемешивание или быстрое перемещение жидкости в приграничном слое. Кроме теоретического обоснования картину можно дополнить с помощью стендового моделирования, а также кратким ознакомлением с достижениями известных производителей в различных конструкторских направлениях.

Элементы охлаждения

Стендовый эквивалент, знакомый по предыдущим испытаниям, был построен с учётом возможности постановки определённых гидродинамических экспериментов. Верхняя крышка, на которой установлены штуцеры подачи и сброса воды, является подвижной, наподобие поршня.

Диапазон её перемещения составляет 25 мм – от верхнего положения и практически до самого дна блока. По периметру крышки имеется эластичное резиновое уплотнение, чтобы предотвратить протечки воды в любом из положений крышки.

Первый опыт, проведённый на экспериментальном ватерблоке, заключался в следующем. Основание (теплораспределительная пластина толщиной 4 мм и размером 62 х 62 мм, также она будет использоваться во всех последующих экспериментах), не имеющее какого бы то ни было рельефа, охлаждалось потоком воды в диагональном направлении. Зазор между дном и крышкой ватерблока на начальном этапе устанавливался на максимально возможную величину – 25 мм.

В образовавшейся таким образом ёмкости наблюдалась обширная турбулентность: краситель, а также мельчайшие пузырьки воздуха, попавшие через входной штуцер, некоторое время двигались по сложным вихревым траекториям, прежде чем попасть на выход. После прогрева и стабилизации температура ядра имитатора CPU фиксировалась с погрешностью не более ±0.1°C.





После этого крышка ватерблока опускалась вниз. Зазор между крышкой и дном устанавливался равным 2 мм. Вихреобразование явно уменьшилось и переместилось в основном в односторонние от штуцеров углы, не омываемые потоком. Основной же поток стал значительно ровнее, и явно обозначился кратчайший путь от входа к выходу через центр пластины. Эта операция проводилась на ходу: конструкция стенда позволяет опускать крышку ватерблока без отключения. Таким образом, исключалась случайная ошибка, связанная с изменением режима. Температура имитатора осталась без изменений! При тепловыделении 125 Вт температура была равна 42.8°С в обоих случаях.

Факт несколько неожиданный и требует объяснения. Вероятнее всего, гидродинамическое сопротивление, давление, расход воды, а также площадь охлаждения не изменились, не изменился и температурный режим. Что же касается характера потока охлаждающей среды – видимо, решающего значения на данной модели это не имеет.

Несколько видоизменим опыт: установим на пластину две перегородки высотой 5 мм, образующие простейший лабиринт, делающий обтекание пластины более полным и уменьшающий застойные зоны во внутренних углах. (Синие окружности – проекции входного и выходного штуцеров.)

Крышка со штуцерами опускалась вниз, до упора с перегородками. Остальные условия те же. С этими изменениями температура имитатора снизилась до 39.9°C! Без снятия ватерблока со стенда (отключалась лишь вода и нагрев, а крышка поднималась) перегородки удалялись. После повторного включения температура вновь возвратилась на исходные 42.8°С.

Вполне резонно заметить, что и в данном опыте не было изменений, связанных с расходом воды, а также площадью теплоотдачи. Зато ликвидация застойных зон не замедлила положительно сказаться на эффективности охлаждения.

Известные производители такие модели выпускают, и для охлаждения CPU плоское дно всегда имеет хотя бы одну перегородку. Иногда такая перегородка превращается в спиральный канал, как у Asetek Waterblock и D-TEK Spiral.

Их тепловое сопротивление достаточно велико и составляет 0.20–0.19°C/W при подводимой тепловой мощности 70 Вт.





Тепловое сопротивление в 1°C/W означает, что температура нагревателя возрастает на 1 градус при повышении мощности на 1 ватт. Естественно, чем меньше тепловое сопротивление, тем лучше.

При устройстве перегородок лабиринта важно не уменьшить омываемую теплоотдающую поверхность, а также не слишком уменьшить проходное сечение, что часто случается при использовании плексигласа или других органических материалов. По сравнению с металлами, они являются хорошими теплоизоляторами, а в связи с невысокой прочностью требуют значительной толщины разделительной стенки, частично закрывающей омываемую площадь.

Конструкция ватерблока с плоским дном является простейшей, и её возможности ограничены. Чтобы повысить результаты, необходимы дополнительные меры, в частности – увеличение площади теплоотдачи с помощью дополнительных элементов, причём не всегда обязательно выполненных с помощью станков. Один из подобных вариантов, несложный для реализации, подвергся испытаниям на стенде. Опытная модель оснащалась элементами в виде отрезков проволочных спиралей.

Такие спиральки, у которых витки выполнены плотно друг к другу, внешне похожи на отрезки трубочек, внутренняя и внешняя поверхность которых образует волнистость, расположенную поперёк направления потока жидкости. Тестирование дало температуру 34.5°C!

Несмотря на то, что элементы на поверхности пластины устроены с помощью пайки припоем ПОС-61, выигрыш по сравнению с гладкой поверхностью составил 8.3°C! Объясняется этот результат достаточно большой поверхностью теплоотдачи, которую удалось разместить на относительно небольшой площади.

Спирали выполнены из медной проволоки толщиной 1.5 мм, и несложно подсчитать, что один метр такой проволоки имеет площадь поверхности 47.1 кв. см! При этом длина спирали, намотанной на основу 4 мм, составляет всего 9 см. Для данной модели понадобились отрезки спиралек общей длиной 25 см, и, даже с учётом потерь на пайку, их общая омываемая площадь составляет не менее 120 кв. см!

Во время тестирования верхняя крышка экспериментального ватерблока прижималась вплотную к элементам. Вода проходила через зазоры, образованные их внешней поверхностью, а также через внутренние части спиралек. Однако стоило немного приподнять крышку вверх, как омывающая вода частично уходила кратчайшим путём – выше элементов и температура немедленно возрастала.

Часто возникающий вопрос – какая форма предпочтительнее для отдельных элементов: рёбра, штырьки (иглы), пирамидки и т.п.?

Форма элементов охлаждения

Предусмотреть и описать все возможные варианты форм и соотношения размеров, а также различные нюансы невозможно. Во многом эффективность работы зависит от индивидуальности конструкции. Главное – соблюдать некоторые принципы построения и не отклоняться от них без особой надобности.

Рассмотрим основной вариант. Допустим, имеем основание определённых размеров, равномерно омываемое продольным потоком жидкости. На нём имеются ребра, толщина которых равна ширине прорезей между ними. Тогда суммарное поперечное сечение рёбер будет равно примерно 50% от площади основания. Именно через это сечение тепловой поток будет проходить и распределяться рассеивающей поверхностью рёбер (рис. 6).

Теперь к продольным прорезям добавим точно такой же ширины поперечные прорези – рёбра превратятся в иглы с квадратным сечением (рис. 7). Площадь теплоотдачи при этом не изменится, но практически вдвое сократится площадь поперечного сечения рассеивающих элементов. Конечно, эффективность не снизится вдвое, но потери будут.

Незначительное влияние имеет и так называемая гидродинамическая тень. При протекании жидкости за каждым из штырьков образуется мертвая зона, в которой, вследствие разности давлений, возникает обратное движение. Штырьки, имеющие сечение круглой формы или вытянутое в виде ромба (вдоль потока), в этом плане более предпочтительны.

Ещё большие потери будут при устройстве пирамидальных элементов. Помимо некоторого усложнения при изготовлении и уменьшения среднего поперечного сечения, они значительно проигрывают в площади поверхности по сравнению с иглами. Самым эффективным серийно выпускаемым ватерблоком игольчатой конструкции считается Swiftech MCW6000, имеющий 281 штырьковый элемент.

Из трёх десятков моделей различных систем его охлаждающая способность находится на 8-м месте (при тепловом сопротивлении 0.14°C/W).

Форма и общее сечение элементов играет немалую роль в общей динамике, а также в определении толщины основания теплосъёмника. Особое значение имеет геометрия элементов, расположенных непосредственно над ядром процессора. Следующий эксперимент заключался в изменении рельефа самой теплораспределительной пластины.

На пути потока охлаждающей воды в шахматном порядке сверлились конусные отверстия с глубиной центра до 3 мм. (Напомним, толщина пластины 4 мм.) В результате температура имитатора составила 37.7°C, что ниже температуры гладкой пластины. Конусные углубления, при диаметре 7 мм, дали некоторую прибавку к общей площади теплоотдачи, а также укоротили в отдельных точках путь тепла к воде, частично изменили характер обтекания поверхности пластины. Здесь волнообразные завихрения явно улучшили эффективность.

Углубления, выполненные различными методами (сверловка, фрезеровка), могут быть самыми различными. Изменение профиля, направленное на увеличение плотности рельефа, сказывается на эффективности наилучшим образом. Однако не следует чрезмерно увлекаться сверловкой – небольшие отверстия, у которых глубина больше или равна их диаметру, могут привести к появлению микрозастойных зон. Важно также не нарушить общего сечения теплового распределения пластины, особенно в районе контакта с ядром CPU. Примером правильного подхода этого плана может служить основание ватерблока от известного производителя RADIICAL – X-Block Model WHX.

Толщина пластины, по данным фирмы, составляет 4.7 мм. Каналы, выполненные методом фрезеровки, при длине около 20 мм имеют глубину 3.2 мм. Небольшие отверстия, которые расположены внутри этих каналов в подобии шахматного порядка и делают стенки каналов волнистыми, также повышают эффективность.

Следует обратить внимание, что такой рельеф требует распределительного устройства с центральной подачей воды. Ватерблок также имеет тепловое сопротивление 0.14°C/W, но, как ни странно, по сравнению с игольчатым радиатором, для достижения этого параметра нужно меньшее давление воды на его входе. Отсюда 6-е место в рейтинге эффективности.

Температурное поле отдельного ребра, проходящего через центр нагрева

Для снятия температурных характеристик отдельно взятого ребра экспериментальный блок был несколько модифицирован. На медное основание (4 мм) методом пайки устанавливалось единичное ребро высотой 25 мм и толщиной 2 мм.

Измерительный канал, проходящий через полную высоту ребра – от основания до верхней крышки блока, имел выход через отверстие с уплотнением – для ввода датчика температуры. Несколько опытов при различной мощности тепловыделения имитатора дали семейство характеристик, но с одной и той же закономерностью.

Во-первых, фактическое температурное поле не линейное. Такое возможно лишь при радиальном распространении теплового потока. (В случае с иглами поток рассекается промежутками и может распространяться только вдоль их длины.) Следовательно, рёбра, кроме того что увеличивают общую площадь теплоотдачи, ещё и участвуют в теплораспределении потока.

Во-вторых, на небольшом удалении от основания падение температуры по высоте ребра происходит очень резко. При конкретных условиях эксперимента основной градиент уложился на высоту 10–15 мм. Таким образом, оптимальное отношение толщины к высоте ребер из меди может составлять не более 1 : 7, а в большинстве случаев достаточно 1 : 5.

На основании этих данных можно утверждать, что невысокие, но частые рёбра, проходящие через центр нагрева, способствуют уменьшению толщины основания ватерблока и при этом имеют высокую эффективность. Для проверки этого предположения проводились испытания следующего опытного образца.

Ширина такой своеобразной гребёнки (или длина каждого ребра) составила 18 мм. При высоте 4 мм средняя толщина каждого из двадцати рёбер – 1 мм, ширина пропила – 1.2 мм. Площадь теплоотдачи данного элемента – 35 кв. см. Как нетрудно видеть, охлаждающая жидкость проходит через прорези без поворотов или специальных завихрений. Опыт оказался удачным – температура имитатора не поднялась выше 34.2°C!

Следует заметить, что данный образец является всего лишь опытным. Сам по себе диагональный радиатор изготавливался отдельно и на теплораспределительную пластину устанавливался посредством пайки с помощью того же ПОС-61. Тем не менее, результат очень хороший. Такая конструкция имеет большие возможности в плане модификаций. Центральный радиатор может иметь любую удобную форму, подходящую к имеющемуся основанию, например с ребрами, удлинёнными вдоль потока воды.

В целях уточнения влияния относительных размеров и формы радиатора, а также толщины основания на эффективность теплоотвода, проводились опыты на образцах некоторых модификаций. Так, уменьшение толщины основной пластины до 2 мм привело к небольшому увеличению температуры имитатора. Объяснение несложное – возросло сопротивление на пути теплового потока к удалённым концам диагонального радиатора.

Замена радиатора на другой, продольно-удлиненной формы по потоку воды, позволила получить заметный эффект – температура не более 32°C! Установка на более толстую пластину дала результат практически идентичный с диагональным радиатором. Естественно, результат улучшится, если уйти от пайки (или паять серебром) и выполнить всю работу на фрезерном станке. Именно такую конструкцию имеют ватерблоки с высокой эффективностью от известных производителей. Наиболее известен Asetek Antarctica Waterblock – Retail различных модификаций: 7 или 11 рёбер в центре.

Не уступает ему ватерблок модели Danger Den RBX, имеющий рёбра, волнистые в своей центральной части.

Оба изделия имеют схожую конструкцию, с подачей охлаждающей жидкости в центр и сброс через два боковых штуцера. Одинаково высоки и их результаты – 0.13°C/W, или 2-е и 3-е место тестовой таблицы соответственно. Справедливости ради следует отметить, что Danger Den несколько превосходит Antarctica по части расхода охлаждающей воды – меньшие требования к мощности помпы.

Тем не менее, верхняя строка рейтинга эффективности занята ватерблоком Hydrocool Hydro-Stream Waterblock – HS5. Его тепловое сопротивление не превышает 0.12°C/W.

Крышка из поликарбоната имеет только два (!) штуцера – вход и выход, причём подключение безразлично. Под каждым из них хорошо видны выпуклости – небольшие сборно-распределительные камеры для воды. По данным производителя, в тонком серебряном основании устроен медный микроканальный рельеф.

Микроканальность

В 1981 году учёными Стэндфордского университета доктором Дэвидом Тукерманом и доктором Фабианом Пизом была высказана идея использования микроканальной структуры для охлаждения микросхем. Суть их исследований заключалась во внедрении такой структуры непосредственно в кристалл кремния. При этом полностью исключалось термосопротивление прилегающей к чипу пластины с охлаждающей её водой. Минуя любые термоинтерфейсы, тепло по прямому контакту сразу передаётся в охлаждающую среду.

Разумеется, речь идёт не о воде, а о специальных жидкостях, являющихся полноценными диэлектриками. К примеру, компания IBM, работающая в этом направлении, в настоящее время использует флюорокарбоновые жидкости (Fluorinet). Поскольку микроканалы находятся непосредственно в кристалле кремния, а сами каналы имеют очень тонкие стенки, тепло передаётся на очень малое расстояние. Кроме этого, высокая эффективность достигается уменьшением ширины каждого канала и увеличением их числа в данном объёме.

Однако проблема заключается не только в том, насколько это сложно технологически и насколько эффективно будет работать, но и в том, сколько это будет стоить. По этим причинам микроканалы не получили повсеместного использования во внутренних структурах, но, судя по выпускаемой модели от Hydrocool, внешние системы вполне реальны. В то же время и они не лишены недостатков, главный из которых – большое гидродинамическое сопротивление для циркулирующей жидкости.

Известно, что при постепенном повышении давления воды на входе ватерблока, начиная от минимальных значений, наблюдается снижение температуры объекта охлаждения. По достижении определённого предела это повышение перестаёт сказываться сколько-нибудь значительно. Так, для относительного сравнения, ватерблоки Asetek Antarctica и Danger Den RBX заметно наращивают свою эффективность до H=0.88 psi и 0.59 psi соответственно (psi, pound per square inch – единица измерения давления, фунтов на квадратный дюйм). Для ватерблока Hydrocool Hydro это значение доходит до H=3.50 psi! Кроме этого, микроканалы предъявляют повышенные требования к чистоте воды, для чего устанавливается фильтр тонкой очистки, что приводит к дополнительным усложнениям.

О гидродинамическом сопротивлении

От его величины зависит количество воды, которое может прокачать через систему охлаждения данная помпа. Форма элементов охлаждения, устроенных внутри ватерблока, а также число и радиус поворотов лабиринта особого влияния на сопротивление потоку вряд ли могут оказать – слишком малы скорости жидкости на данном уровне. Другое дело, и это доказанный факт, – расход жидкости пропорционален величине проходного сечения.

Может случиться так, что в целом система имеет гибкие трубки значительного внутреннего диаметра, не меньшие переходники, тройники и штуцеры, а внутренние каналы теплосъёмника слишком узкие или их количество недостаточно. Чтобы этого не происходило, ещё до начала изготовления теплосъёмника следует подсчитать суммарное сечение всех проходов, которое по возможности должно быть больше или равно основному.

Заключительные выводы

Из всего изложенного в двух частях можно сделать вывод: теплосъёмник является системой, сбалансировавшей в себе ряд факторов, нарушение или изменение какого-либо из них приводит к изменению эффективности в целом.

Комплекс мер по повышению эффективности конструкции теплосъёмника следует определить так:

  1. Использование металлов с высокой теплопроводностью.
  2. Обеспечение кратчайшего пути теплового потока через сечение металла до границы с охлаждающей средой.
  3. Сосредоточение элементов теплообмена максимально возможной площади в зоне наиболее высокого градиента температуры.
  4. Обеспечение достаточной скорости охлаждающего вещества в приграничном слое, предотвращение возникновения застойных зон или гидродинамических теней.

Располагать необходимым теоретическим материалом и экспериментальными данными недостаточно. Это решает только часть проблем, возникающих при создании высокоэффективного теплосъёмника. Для воплощения такого устройства в металле подчас требуются немалые усилия. О возможных путях практического решения различных технологических проблем и пойдёт речь далее, в третьей части статьи: Серебряная геометрия.

CONTINENTAL


Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.

Страницы материала
Страница 1 из 0
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают