Классика охлаждения: Часть 4. Микроканальность – теория и реальность

13 февраля 2006, понедельник 00:37

Первая часть статьи – "Термодинамика теплосъёмника", вторая – Гидродинамика теплосъёмника, третья – "Серебряная геометрия".


Материалы, изложенные в предыдущих частях настоящего цикла, дают общее представление о процессах теплообмена и принципах конструирования жидкостных теплосъёмников в целом. Кроме того, основные вопросы, касаемо жидкостного охлаждения процессоров, хорошо освещены в различных статьях и форумах. Однако ряд проблем обойдён вниманием и, в частности, это случилось с темой о микроканальности. Краткие сообщения на эту тему появлялись, но ввиду сложности технологий и, как следствие, невозможности изготовления, интерес к ним быстро угасал.

Действительно, допустим у разработчика есть возможность получить качественную заготовку методом литья (см. Классика охлаждения: Часть 3), но что делать дальше? Непросто на фрезерном станке выполнить прорезь шириной в 1 мм, а о том, чтобы сделать каналы в десятые доли миллиметра, да ещё достаточной глубины, и говорить бессмысленно. По большому счёту, микроканальность вообще неподвластна механическим станкам. Впрочем, можно обойтись и без них, применяя в основном общедоступные средства!

Вначале немного о направлении и смысле разработок.

О жидкостном теплосъёме

Процессор – плоский кристалл поперечником в один сантиметр, плюс-минус несколько миллиметров. Мощность тепловыделения – десятки ватт, иногда переваливает за сотню. При такой плотности тепловыделения прямое охлаждение бессмысленно даже жидкостью (очередное подтверждение этому было получено в ходе нижеописанных опытов), следовательно, внешнее устройство теплосъёма необходимо.

В упрощённом виде: неравномерность нагрева площади кристалла, оснащён он крышкой или нет, а также качество термоинтерфейса в данный момент во внимание приниматься не будут. Однако условимся, что кристалл по всей своей плоскости находится в хорошем тепловом контакте с теплосъёмником.

Итак, ватерблок – упрощённая схема, может выглядеть так (рис.8):





Теплосъёмная пластина принимает тепловой поток от процессора, радиально отводит на определённое расстояние от центра и одновременно передаёт его теплорассеивающим элементам. Теплорассеивающие элементы, увеличивая площадь теплопередачи, в свою очередь отдают тепло в омывающую жидкость. В результате разгона плотность тепловыделения процессора растёт, а температура при этом требуется всё ниже, нужны кардинальные дополнительные меры, повышающие эффективность охлаждения. Как это сделать?

Собственно сущность конвективного теплообмена рассматривалась, а уравнение известно (см. Классика охлаждения: Часть 2).

dQ = α (t – t1) dF dτ (1.3)

Поэтому не будем останавливаться подробно на всех составляющих факторах, а обратим внимание на один из важнейших – площадь теплообмена. Как следует из формулы (1.3), для получения наибольшей эффективности требуется максимально увеличить омываемую площадь, для чего следует увеличить число или размер теплорассеивающих элементов. Но чтобы их разместить на основании, требуется увеличить его поперечные размеры. Кроме этого, чтобы снизить тепловое сопротивление теплораспределительной пластины вдоль её плоскости, необходимо увеличить её сечение, то есть толщину (рис.9).

Конечно же, толщина основания будет определяться индивидуально, приемлемо для каждого типа конструкции, но её чрезмерное увеличение в значительной мере влияет на общие размеры блока и, как следствие, на вес, расход металла и т.д. В то же время, при наращивании сечения, длина пути тепла к охлаждающей жидкости неуклонно увеличивается, а из какого бы металла ни было изготовлено основание, его теплопроводность имеет определённую величину. В конечном счёте, теплу будет необходимо преодолеть всё более толстую стенку, отделяющую его от охлаждающей жидкости.

В итоге, эффективность не возрастает в ожидаемом соответствии с этими мерами. Выходит, чтобы этого не происходило, необходимо увеличивать площадь теплорассеивающих элементов, не увеличивая ни размеров теплораспределительной пластины, ни её толщины. Такое возможно только при переходе на микроканальность.

Микроканальность – как вариант повышения эффективности

Схематично простейший вариант перехода можно представить следующим образом:





Допустим, рёбра обеих вариантов имеют одинаковую высоту h. Также рёбра обеих вариантов имеют одинаковую длину и занимают на основании блока одинаковую ширину, образуя квадратный радиатор со стороной m. Несложно подсчитать, что при указанных размерах суммарная площадь поперечного сечения семи элементов первого варианта (рис.10), равна сечению четырнадцати элементов второго варианта (рис.11):

h x 1.0 x 7 = h x 0.5 x 14

Следовательно, и тепловые сопротивления их сечений будут одинаковыми. Практически равно и суммарное проходное сечение шести и тринадцати каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость:

h x 1.0 x 6 ≤ h x 0.5 x 13

Отсюда следует, что значительного возрастания гидравлического сопротивления вряд ли стоит ожидать. В то же время активная площадь теплообмена второго варианта вдвое больше первого!

Кроме этого, если пойти на некоторое увеличение гидравлического сопротивления в результате сужения каналов, просто увеличив число рёбер радиатора, то можно в данном случае получить ещё больший эффект. Размер центрального радиатора можно будет значительно сократить, а толщина теплораспределительной пластины может быть минимальной, при которой обеспечивается лишь целостность конструкции.

Словом, выгоды очевидны и остаётся лишь другая сторона проблемы – технологическая сложность подобных конструкций. Тем не менее, многие решения были найдены. Более того, с их помощью удалось провести многие уточняющие эксперименты.

Детальные испытания проводились на авторском тестовом комплексе CONTINENTAL M-250. В отдельном материале приведены его технические характеристики, подробное описание, а также методика тестирования.

Шаг к микроканальности. Опытная технология

Опытная разработка проводилась с целью отработать вариант микроканальной технологии без сложного технологического оборудования.





Основной образец имеет центральный радиатор с размерами 30x30 мм, расположенный в центре несущего основания, имеющего толщину 4 мм. Число каналов радиатора – 39. Ширина каждого канала – 0.3 мм (для сравнения – спичка имеет сечение 2x2 мм).

Толщина каждого ребра составляет 0.5 мм, высота – 7 мм. Соотношение толщина/высота в данном образце (1:14) явно чрезмерное, если вспомнить, что при водяном охлаждении температурное поле отдельно взятого ребра, проходящего через центр нагрева, при соотношении 1:7 ещё определяется, но после высоты 1:10 все его следы практически теряются.

Однако оказали влияние следующие моменты:

  • Во-первых, приведённые данные были получены при тепловыделении имитатора CPU =125 Ватт. На какую высоту распространится тепло при большей мощности – точных данных нет, а характер опытов планировался таким, что возможный недостаток высоты омываемых элементов необходимо было исключить полностью. Впрочем, даже если считать, что тепло при данной толщине рёбер выше 5 миллиметров не поднимается, то и в этом случае площадь радиатора составляет 114 см. кв.
  • Во-вторых, как ни парадоксально, но по данной технологии элементы малой высоты изготовить сложнее.

Конструкция выполнена методом пайки.

Отдельные элементы охлаждения, а именно – рёбра, вырезаются из тонкой листовой меди. Делается это без припуска, так как после правки и сборки окончательные размеры радиатора слегка увеличиваются. Пластинки правятся на ровной наковальне, каждая по отдельности. После этого можно сделать пробивку небольшими пачками, по 10-15 и более штук в каждой.

Готовые пластинки должны быть чистыми, с металлическим блеском. Их необходимое число собирается в пакет и стягивается болтом с широкими шайбами. Чтобы будущий радиатор между рёбрами имел каналы-зазоры необходимой регламентируемой величины, между ними установлены временные технологические прокладки соответствующей толщины.





Использовалась алюминиевая фольга. Этот материал легко выдерживает температуру пайки припоем ПОС-61 и в то же время не залипает при работе с флюсами по меди. Чтобы прокладки впоследствии было возможно удалить, с одного края они длиннее рёбер приблизительно на 5 мм

Кроме этого, их ширина приблизительно на 1 мм меньше ширины медных пластинок и они смещены в одну сторону, образуя пространство для заливки припоем. Также этот запас частично используется для обработки нижней плоскости пакета. Непосредственно перед пайкой пакет в нижней части натирается паяльным жиром – слой должен быть ровным и тонким. Такой метод даёт надёжную и чистую пайку.

Медное основание необходимых размеров зачищается и выравнивается – блок пластинок должен прилегать к нему плотно, без качаний. В крайнем случае, так как блок не является сплошным, его можно слегка обжать по поверхности. Основание нагревается и лудится паяльником, также с применением паяльного жира. Лужица припоя в центре должна содержать достаточное его количество. При опускании на него блока пластинок, в результате сил капиллярности, припой уходит в образованные зазоры.

Излишки припоя смахиваются с помощью небольшого количества ваты, намотанной на спичку. После охлаждения, при необходимости, стачиваются и выравниваются вершины рёбер. Пинцетом или плоскогубцами удаляются технологические прокладки. Радиатор окончательно чистится напильником, осколком безопасной бритвы, шабером и мелкой наждачной бумагой.

Как уже говорилось, с самого начала планировалось провести ряд уточняющих экспериментов касательно теплораспределения. В связи с этим, опытных образцов было изготовлено два. Друг от друга они имеют лишь одно отличие – у второго методом фрезеровки было выбрано плоское углубление, после шлифовки толщина его дна составила всего 0.8 миллиметра. Его условное обозначение МК-08-05. Основной образец, как мы помним, имел толщину основания 4 миллиметра и получил обозначение МК-4-05.

Во всём остальном они совершенно идентичны: технология изготовления, размеры и толщина рёбер (0.5 мм), центральные радиаторы и прочее.

При испытаниях полученных образцов использовался один и тот же трёхштуцерный корпус.

Водораспределительная камера шириной 10 мм и высотой 5мм. Внутренний диаметр штуцеров для подачи и возврата воды 8.2 мм, а площадь сечения каждого порядка 50 мм кв. Щелевая сужающая диафрагма не использовалась. Чтобы обеспечить протекание воды только через каналы и исключить другие пути, зазор между верхними частями рёбер и корпусом полностью отсутствовал.

Результаты тестирования этих моделей, а также, для сравнения, тест известных, не микроканальных теплосъёмников ТС-6 и SR-999 (см. Классика охлаждения: Часть 3), приведены на графике.

Основное, что следует отметить:

Успешная работа в конструкции припоя ПОС-61. Тонкий слой и площадь элементов теплообмена, которую удалось в результате получить, значительна и это с лихвой перекрывает его низкую теплопроводность. Это тот случай, когда количество переходит в качество!

Чрезвычайно близкие характеристики по эффективности. Особенно это касается образцов SR-999 и МК-4-05 – их чёткое разделение возможно только при значительной мощности заданного тепловыделения, то есть с помощью стендового комплекса, но формально серебряный SR-999 проигрывает. При этом величина гидравлического сопротивления возросла очень незначительно – 396 и 330 литров/час соответственно. Снова работает количество – большее число каналов имеет большое суммарное сечение и пропускает достаточно воды.

Нельзя обойти вниманием вопрос о толщине теплораспределительной пластины. В данном случае теплосъемник с тонким дном хотя и справится с охлаждением любого процессора, но всё же уступает в эффективности своему собрату с более толстым основанием. Самой обоснованной причиной этого здесь видится то, что в поперечном направлении, после выхода из проекции CPU, боковые рёбра практически не получают тепла от основания и не участвуют в его рассеивании.

Возникает новый интересный вопрос – на каком именно удалении от источника тепла рёбра работают наиболее эффективно, а какие уже являются "геометрическим балластом"? Как это увязывается с толщиной основания?

Влияние геометрии на эффективность теплоотвода

С этими экземплярами был продолжен целый ряд опытов. В частности была установлена зависимость теплосъёма от ширины центральных радиаторов, при её последовательном уменьшении на каждом из образцов с 30 до 6 миллиметров и вплоть до полного отсутствия рёбер.

Делалось это последовательным удалением боковых пластин с каждого основания. Одинаковость образцов в этом плане тщательно контролировалась измерениями и простым подсчётом оставшихся пластин. При сборке блоков с уменьшенными радиаторами для герметизации с корпусом применялись прокладки различной толщины, а для формирования потоков – временные перегородки из губчатой резины.

Тесты проводились через каждые несколько миллиметров. Всего таких опытов было поставлено по девять для каждого основания. По результатам построен график:

При анализе не следует путать графические результаты, ассоциативно похожие на тепловые поля гладких пластин. Хотя, если для удобства начинать анализ с образцов с нулевой шириной радиатора, то есть полностью лишённых рёбер, то температурная зависимость CPU от толщины пластины имеет полное сходство. Режим охлаждения, который обеспечивает образец МК-0.8, являет собой практически прямое охлаждение "ядра", накрытого защитной крышкой. Легко подсчитать, что при Delta T = 45.3 °C и температуре охлаждающей жидкости скажем +30 °C, температура CPU превысит +75 °C!

Картина резко изменяется при наличии радиатора шириной всего 6 миллиметров. Конечно, следует учесть, что на этих миллиметрах умещается 7 пластин, но они проходят через зону самого высокого градиента. Совершенно очевидно, что здесь ведущую роль играют именно теплорассеивающие элементы, проходящие через проекцию CPU (размеры имитатора CPU, как мы помним, 12.1x12.1 мм).

Особенно это заметно на образце с тонким 0.8 мм дном. Прирост эффективности значителен до увеличения блока пластин до 15 мм. Более толстое основание в 4 мм продолжает отводить тепло на несколько большем расстоянии от центра, но после ширины радиатора в 20 миллиметров снижает свой эффект и оно.

Особо следует отметить фактические данные о работе радиатора равного (или незначительно превышающего) по размеру CPU. В этом случае разницы между эффективностью работы тонкой и более толстой пластины практически нет никакой. При полном равенстве ширины радиатора и CPU толстая подошва в незначительной мере даже проигрывает, но как только рёбра радиатора выходят за границу этой проекции, эффективности немедленно меняются местами. Обнаруживается это с большим трудом, после проведения многочисленных тестов и на пределе точности измерений.

Также этот факт имеет немаловажное значение при рассмотрении работы таких элементов как рёбра по отношению к распределению тепла. Их способность отводить тепловой поток вдоль своей плоскости столь значительна, что толщина основания, на котором они расположены, практически не важна. Но в поперечном направлении рёбра могут получать тепло только от основания, в частности заметно влияние при смещении от вертикальной проекции CPU на плоскость пластины.

Полученные кривые зависимости температур CPU от теплорассеивающих элементов справедливы не только для микротехнологий. При обычном размещении элементов, с меньшей плотностью, закономерность остаётся той же. Разница будет лишь в том, что тепло, не успев рассеяться центральной частью радиатора, будет вынуждено отводиться в стороны, где расположены последующие элементы, но естественно, это сопровождается повышением градиента температур в пластине и температуры самого источника тепла.

Факт

Любопытный факт был отмечен при проведении предыдущих опытов. Когда рёбра, а также все временные перегородки с оснований были полностью удалены, температура CPU, против ожидания, поднялась не на ту величину, которая приблизительно ожидалась. Единственная причина этого виделась в оставшемся слое припоя! Конечно, речь здесь идёт не о каком-либо чудодейственном свойстве, а о микрорельефе, который остался от удалённых рёбер (многие рёбра, кстати отметить, можно было выломать, только порядком их искорёжив).

Этот рельеф и вызывал дестабилизацию потока, создавая сильнейшие завихрения в придонном слое. После шлифовки поверхности до гладкой меди температура выросла очень заметно. Так, у основания толщиной 4 мм при 150 Вт это составило порядка 3.5 °C!

А, что если сами рёбра будут иметь дополнительный микрорельеф? В таком случае, это должно привести к увеличению эффективности теплоотдачи.

Рёбра с микрорельефом

Для проверки был изготовлен специальный образец, рёбра которого имели собственный рельеф.

Структура ориентирована поперёк пластин, которые установлены таким образом, что, образуются извилистые сфазированные каналы. Изгибы формировались с помощью матричной пары, представляющей собой два отрезка от напильника с крупной насечкой, и мощных тисков.

Чтобы максимально уменьшить расстояния между рёбрами при пайке, технологические прокладки также пришлось отштамповывать. Необходимо сразу сказать, что опыт оказался не слишком удачным. Ни малейшего выигрыша в температуре не последовало, а точнее наоборот, – Delta T при 150 Вт возросла приблизительно на 1°C. Причина, вероятно, кроется в том, что число рёбер, проходящих через проекцию CPU, уменьшилось, так как технологически большую плотность обеспечить не удалось. Малейшие несовпадения рельефа соседних пластин постепенно увеличивали расстояния между ними.

Возможно, такая рельефность ребёр была бы полезной при обычной, не микроканальной геометрии, где за счёт волнистости получилось бы дополнительное увеличение площади теплорассеивания и турбулентности. В узких же каналах турбулентность и без того вполне достаточная. Каждая стенка возмущает протекающий возле неё слой, а небольшое расстояние между ними, делает поток сплошь вихревым.

Значит, чтобы повысить эффективность, следует ещё больше увеличить плотность элементов на единицу поверхности основания. Проверено это было на следующей модели.

МК-4-02. Теплосъёмник с увеличенной плотностью микроканалов

Учитывая характер распространения тепла в основании толщиной 4 мм, было решено центральный радиатор несколько уменьшить. Его длина была определена в 26 мм, а ширина в 21 мм, причём толщина рёбер была выполнена различной величины.

Радиатор состоит как бы из трёх частей. Его средняя часть имеет 14 пластин толщиной 0.2 мм Рёбра же, расположенные по её обе стороны, выдержаны с прежней толщиной – 0.5мм. Ширина всех каналов одинакова и равна 0.22 мм.

Испытания подтвердили предположение – тепловое сопротивление МК-4-02 составило 142 °C/Вт по сравнению с МК-4-05 – 144 °C/Вт, что при 200 Вт составляет выигрыш 0.5 °C. В принципе результаты ожидались значительно большие. В чём же дело? Может припой ПОС-61 всё-таки начинает оказывать негативное влияние на общую теплопроводность конструкции? В таком случае необходимо попытаться исключить это звено.

МК-00-05. Микроканальный теплосъёмник с "нулевой" толщиной дна

Условно можно сказать именно так, поскольку теплорассеивающие элементы устанавливаются непосредственно на процессор. В реальности устройство, являясь внешним, конечно имеет определённую толщу металла, обеспечивая целостность и герметичность блока. Особенность заключается в том, что рёбра спаяны таким образом, что между ними и процессором теперь нет слоя припоя.

Центральный радиатор изготавливался по технологии, схожей с предыдущим методом, но с некоторыми отличиями.

Медные пластинки (2.) размером 10x25x0.5 мм зачищены и залужены с двух сторон на высоту ребра не более 3.5 мм. Делалось это погружением в небольшое количество расплава припоя. Медные прокладки (3.) шириной 3.5 мм, регламентирующие толщину "дна" и сами толщиной 0.2 мм – будущая ширина придонного микроканала, залужены полностью. Удаляемые технологические прокладки (1.) из алюминиевой фольги толщиной 0.22 мм. Медная рамка-основание (4.) имеет размеры 42x50 мм и толщину 3.8 мм, что несколько больше толщины "дна" радиатора. Собранный пакет также удобнее всего паять погружением в расплав припоя, например, так:

Готовый радиатор обточен снизу и боков для получения окончательных размеров 15x25 мм, по которым в рамке высверливается и опиливается соответствующий проём. Пайку лучше проводить на ровной плоскости (пластине), которая совместит плоскости отдельных деталей и которую можно снять с нагревателя, не дожидаясь его полного остывания.

Полученное основание шлифуется и доводится в обычном порядке. Обработанная надлежащим образом контактная плоскость выглядит сплошным монолитом, на снимке впаянный радиатор это едва заметное светлое пятно в центре.

Алюминиевые прокладки удаляются. При этом рёбра поочерёдно отгибаются, формируются и чистятся от остатков флюса. Рекомендуется отмочить и промыть в спирте или ацетоне.

Каналы данного радиатора сформированы таким образом, что имеют переменное сечение. Внизу их ширина задана толщиной впаянных медных прокладок, то есть 0.2 мм, а к верху они расширяются до 0.5мм. Такое подобие веера снижает гидравлическое сопротивление (теплосъёмник пропускает 345 литров в час) и в целом улучшает условия омывания рёбер при их чрезвычайно плотном размещении на основании.

Правильное формирование потока охлаждающей жидкости обеспечивается фасонными вставками из плексигласа (красные).

Чтобы прилегание к верхушкам рёбер было плотным и в тоже время не было излишнего напряжения в крышке, рёбра слегка вплавлены во вставки. Делалось это нагреванием основания приблизительно до 120°C, после чего сборочные винты окончательно затягивались. Глубина плавления небольшая, конструкция разборная.

В связи с тем, что основание имеет небольшие размеры, испытательный шестивинтовой корпус для него оказался непригоден и был изготовлен новый, в данном случае фрезерованный на четыре винта.

Четыре основных отверстия с резьбой М5 в медном основании расположены в форме правильного квадрата 33x33 мм. Это даёт возможность устанавливать пластины с любых противоположных сторон и таким образом делать переориентировку центрального блока охлаждения относительно CPU на угол 90 градусов.

Крепёжные пластины для установки на сокет изготовлены из дюраля и обработаны мелкой наждачной бумагой. Для получения матовой серебристой поверхности типа "Белая ночь" пластины протравлены щёлочью и осветлены соляной кислотой.

Испытания дали приличные результаты, однако значительного превосходства не последовало и здесь. Хотя следует отметить факт – при размерах центрального радиатора вдвое меньше по отношению ко всем предыдущим образцам, теплосъёмник держит почти ту же Delta T, или 0.145 °C/Вт.

В то же время, такая странность весьма настораживает. Может быть, капиллярные силы препятствуют свободному смыву нагретого приграничного слоя охлаждающей жидкости, несмотря на мощную помпу?

Гидродинамические тесты

Для выяснения возможности этого влияния были проведены испытания теплосъёмника модели МК-00-05 как с обычной помпой, так и при повышенных величинах давления (расхода) охлаждающей жидкости.

С помощью пластиковой трубки к водомерному блоку присоединялся технический манометр с пределом измерений 0 – 5.88 Кгс/см.кв. (0 – 600 кРa). Штатная помпа ATMAN AT-104 убиралась, а вода подавалась из водопроводной сети через регулирующий вентиль. Контроль величины расхода и температура жидкости осуществлялись в прежнем порядке.

Зависимость Delta T от величины давления представлена на графике. Шкала давления после отметки 0.2 Кгс/см.кв. обозначена в более сжатом масштабе, иначе на странице весь график разместить было бы невозможно.

Достаточно заметное влияние на эффективность оказывает изменение давления на входе теплосъёмника до 0.1 Кгс/см.кв. (Н = 1м.) При повышении давлении до 1.8 Кгс/см.кв, что в десять(!) раз выше предельно развиваемого помпой AT-104, температура снижается едва на два градуса. Даже увеличение давления до 3.6 Кгс/см.кв., что в прямом смысле превратило центральный подающий штуцер в брандспойт, дало дополнительное снижение температуры всего на 0.9°C! Совершенно очевидно, что величины потока жидкости во всех случаях было вполне достаточно.

Создаётся впечатление, словно есть некий температурный барьер, преодолеть который уже нельзя. Лучшие цифры (при H max = 180 см.), полученные в ходе экспериментов, составили: тепловое сопротивление равное 0.142 °C/Вт, что при 100 Вт соответствует Delta T = (0.142 *100) = 14.2 °C.

Но сюда же входит и переходное сопротивление между CPU и подошвой теплосъемника с теплопроводящей пастой КПТ-8! Оказывает ли её тонкий слой существенное сопротивление и как определить эту величину? Что если исключить и это звено, хотя бы в порядке эксперимента? Вернее, теплопроводящую пасту заменить металлом. Взять, допустим, припой, ведь его теплопроводность в десятки (сотни) раз лучше любой пасты!

Тихая сенсация

На реальном процессоре провести такой эксперимент практически невозможно. Чтобы получился хороший тепловой контакт, обе сопрягаемые поверхности должны быть как бы смочены термоинтерфейсом. С теплопроводящей пастой такой проблемы никогда не возникает, так как она в своём составе имеет жидкий ингредиент. Опыт показал, что с жидким металлом должно быть абсолютно то же. Практически это означает, что поверхности должны быть залужены! В противном случае припой либо вытекает, словно выталкивается, либо окисная плёнка создаёт своё тепловое сопротивление между поверхностями.

На имитаторе CPU такой эксперимент поставить удалось. Однако, чтобы не слишком перегревать стенд, использовался сплав ВУДА.

На небольшой мощности имитатор разогревался до температуры плавления сплава и лудился с помощью обычного паяльника. Кстати заметить, несмотря на этикетку, припой оказался неизвестного состава, вместо Тпл.=60, его реальная температура плавления оказалась 96.7 °C! Подобным образом лудилось и основание тестируемого ватерблока, лишь подогрев производился на конфорке.

После этого блок собирался и устанавливался на стенд. Нагрев вновь включался, но без заполнения охлаждающей жидкостью. Через некоторое время припой в точке соединения плавится, сердечник автоматически прижимается к основанию и, после некоторого охлаждения, можно подавать воду. Естественно, чтобы впоследствии снять теплосъёмник со стенда, его подобным же образом необходимо было разогреть.

В целом процесс подготовки достаточно трудоёмкий, но несколько различных конструкций, в том числе и не микроканальных, всё же было протестировано. Данные имеют определённый разброс, однако даже средний результат довольно впечатляющий – паста КПТ-8 в данном случае увеличивает общее тепловое сопротивление на 0.041 °C/Вт.! На графике представлены тепловые характеристики теплосъёмника МК-4-02.

Это значит, что даже если бы удалось построить уникальный теплосъёмник, у которого температура контактной плоскости подошвы и охлаждающей жидкости практически были бы равны, независимо от величины теплового потока, то термоинтерфейс всё равно будет плюсовать собственную поправку. Кроме этого, если на процессоре имеется защитная крышка, то своё сопротивление добавит и её термоинтерфейс.

Размышления

Когда теплосъёмник был ещё не отпаян от сердечника, на узле были выполнены дополнительные замеры температур. Картина получилась следующая:

Для категоричных выводов недостаточно данных, а математические расчёты могут оказаться сложными и неточными. Одно можно заметить со всей очевидностью – внешний теплосъёмник близок к исчерпанию своих возможностей. Если даже в таком материале как медь, образуются такие градиенты температур, то является ли исключением пластина кремния?

Данные с зарубежных страниц по правильности проведения тестов самых известных и эффективных ватерблоков особых сомнений не вызывают. Но в свете проведённых экспериментов с микроканальностью, они же наводят на некоторые размышления. Так, например, по данным SystemCooling.com для тестов использовалась теплопроводящая паста Arctic Silver, которая по теплопроводности в несколько раз превосходит КПТ-8.

Ещё: известно, что тепловое сопротивление зависит не только от качества термопасты, но и от площади контакта перехода. Эмуляторы CPU с размерами 14x14 мм и 32x32мм, и мощностью 80 – 100 Вт, которые применялись при тех же тестах, безусловно, создают более комфортные условия, чем М-250 с площадкой 12.1x12.1 мм.

Можно продолжить, но в конце всё же хотелось бы задать вопрос – не пора ли развевающийся флаг Swiftech слегка приспустить?

Заключительные выводы

Можно лишний раз повторить, что: теплосъёмник является системой, сбалансировавшей в себе ряд факторов, влияющих на его конструкцию, геометрию, материалы изготовления и определяющих его эффективность в целом. Все ранее изложенные в Части 2 данного цикла принципы и меры повышения эффективности остаются в силе.

Добавить к этому, по-видимому, следует лишь один пункт, касающийся термоинтерфейса, хотя это относится не только к жидкостному охлаждению: в случае повышенных требований, следует позаботиться о теплопроводящей пасте с высокой теплопроводностью. Основание теплосъёмника должно иметь плоскость, повторяющую плоскость процессора. Проверить это можно только контрольной установкой – паста должна распределиться ровным минимальным слоем.

Перспективы МК технологии

В первую очередь хотелось бы отметить нетребовательность к помпе. Насоса со статическим давлением H max. = 1м (реального, а не указанного на упаковке!) вполне достаточно. Основная заслуга принадлежит большой площади теплоотдачи при незначительных размерах самого радиатора и невысоком гидравлическом сопротивлении.

Универсальность. При небольших размерах центрального радиатора без особых сложностей можно разработать очень компактный блок для графического ускорителя. По существу, площадь контакта радиатора не особо превышает размеры ядра центрального процессора. Вполне реально сделать и меньше, но возникает проблема – как бы не промахнуться мимо ядра при установке!

При высокой эффективности немалым преимуществом предлагаемых технологий является и очень низкая себестоимость. Для изготовления не требуется толстая медная заготовка под фрезеровку рёбер или штырьков, которую не всегда можно найти. По сути, частые тонкие рёбра работают и за себя, и за основание. Если основание слишком тонкое – 1.5 – 2 мм, и к нему нет возможности прикрутить крышку из плексигласа, корпус можно спаять из медной или латунной жести. Спаять воедино детали можно с помощью сплава ВУДА или РОЗЕ (которые продаются в радиотоварах), тогда микроканальные рёбра на ПОС-61 останутся на месте. Следует учитывать, что слишком тонкое дно может быть подвержено различного рода деформациям. Собственно и медное дно требуется не везде. Если это сквозное основание, то можно с успехом использовать латунь.

В образцах можно многое изменять или комбинировать! Микроканальность, как и многое другое, – понятие относительное. Значит, при некотором снижении эффективности можно упростить радиатор, используя более толстую листовую медь, скажем 1 мм и зазоры, допустим в 0.5 мм. Технологические прокладки при этом сгодятся из плотного картона (или наждачной бумаги). В первых опытах делалось именно так. Сама же геометрия рёбер может быть самых различных форм и размеров. Совершенно исчезает проблема глубины каналов и площади рёбер, фактически она может быть сделана такая, какая требуется.

Так же хотелось бы отметить хорошую повторяемость параметров, несмотря на то, что технология основана на пайке. Различить по эффективности два одинаковых по геометрии теплосъёмника практически невозможно.

О числе штуцеров. Так как все образцы были оснащены тремя штуцерами, то, помимо штатного режима, многие проходили испытания с заглушенным центральным входом. Подача и сброс воды производился через боковые штуцера. Во всех случаях падение эффективности было достаточно заметным. Так для МК-00-05 при 150 Ваттах это составило повышение температуры на 1.9°C. В то же время, если тепловыделение процессора, который планируется охлаждать, невелико, двухштуцерный вариант не приведёт к значительным потерям.

Версия об относительности сечения. Вполне возможно, что придётся ввести новое понятие – отношение суммарной площади проходного сечения каналов к площади суммарного сечения элементов охлаждения. В процессе экспериментов проходили испытания различные образцы. Так, например, при толщине рёбер 0.5 мм и ширине каналов 0.3 мм отношение составляет 5:3.

Теплосъёмник МК-4-02 в центре имел очень тонкие рёбра и отношение сечений приблизительно 1:1. Хотя площадь теплоотдачи получилась внушительной, тонкие пластины, возможно, имели недостаточное общее сечение и оказывали повышенное сопротивление тепловому потоку, распространяющемуся по металлу. Вероятно, следовало бы уменьшить расстояние между ними. Однако ширину каналов также нельзя чрезмерно уменьшать – ухудшится омываемость элементов и увеличится гидравлическое сопротивление теплосъемника в целом.

В результате многих сопоставлений можно считать оптимальным такое отношение:

S элементов : S каналов = 2 : 1

О том, что осталось за кадром

Не все изготовленные в процессе работ образцы, нашли отображение в данных материалах и не все были удачными. Но об одной модели хотелось бы упомянуть.

Многочисленные рёбра образца напоминают страницы развёрнутой книги. Основание сквозное, а отдельные пластины впаяны с нулевым зазором, то есть без прокладок между собой. Чтобы их разделить и очистить, пришлось использовать острый сапожный нож, а чтобы отрегулировать расстояние между пластинами при обратной подгибке – лезвие безопасной бритвы 0.1 мм. При испытаниях получились заурядные результаты по причине большого гидродинамического сопротивления и плохой омываемости элементов вблизи основания.

Этот опыт лег в основу более успешной разработки – МК-00-05, которая была рассмотрена выше. Модель довольно трудоёмкая в изготовлении, но на её основе поклонники штырьковых элементов могут применить такую технологию:

Морской ёж

Медная проволока толщиной 1 – 1.5 мм отжигается и зачищается до блеска наждачной бумагой средней зернистости. Отдельные иглы нарезаются одинаковой длины с помощью простейшего приспособления. В любом материале сверлится глухое отверстие требуемой глубины. В него вставляется конец проволоки и откусывается заподлицо.

Срез должен быть прямым, хотя бы с одной стороны. Окунанием в расплав припоя прямой срез игл лудится на высоту 2 – 3 мм очень тонким слоем. В основании (не обязательно медном), сверлится сквозное отверстие (не обязательно круглой формы) диаметром до 14 миллиметров. В него вплотную вставляются иглы, залуженными частями вниз. Вставку игл необходимо произвести одна к одной, до предельной плотности!

Противоположные концы отгибаются в разные стороны, причём внешний ряд может почти лежать на основании (не напоминает ли это полусферу?). Сделать это необходимо до пайки, иначе припой может подняться и заплавить всё до верха. Пайка проводится на разогретой конфорке и ровной плоскости, далее обработка в обычном порядке. Размер тепловой контактной поверхности "ежа" буквально с пятачок и над ним вся теплорассеивающая часть, поэтому при установке должно быть максимально точное совмещение с ядром процессора. Подача жидкости в центр. Конструкция НЕ завершена и не испытывалась.

Множество вариантов, вероятно, смогут предложить пользователи и разработчики, после ознакомления с материалами и имеющие свежий взгляд на МК технологию.

ОТ АВТОРА

Когда материалы экспериментов были обработаны, а статья готова, стало известно, что в местной ювелирной мастерской могут раскатать любой кусочек серебра на фольгу и до любой требуемой толщины. Это значит, что теплосъёмник MK-SR-XXX своего последнего слова ещё не сказал.

Ватерблок, ещё вчера казавшийся верхом совершенства, завтра может оказаться самым заурядным. "Иногда, - сказала королева, - только чтобы оставаться на месте, нужно бежать изо всех сил" (Алиса в стране чудес).

CONTINENTAL


Ждём Ваших комментариев в прежней ветке конференции.

Страницы материала
Страница 1 из 0
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают