Что такое пассивное охлаждение

Пассивная система охлаждения в ноутбуках: это хорошо или плохо

Пассивная система охлаждения в ноутбуках: это хорошо или плохоНа сегодняшнем рынке довольно часто встречаются ноутбуки с пассивной системой охлаждения

Главной особенностью, которая привлекает пользователей в таких лэптопах является стоимость. Какие еще есть достоинства и недостатки ноутбуков с пассивной системой охлаждения рассмотрим в данной статье.

Подробнее о системе пассивного охлаждения

В традиционном понимании система охлаждения ноутбука — это конструкция, которая состоит из трех аспектов: вентилятор, радиатор, теплоотводящая трубка. Пассивная СО представляет собой то же самое, но не имеет в своей конфигурации первого элемента. То есть в ней отсутствует вентилятор.

Принцип работы системы пассивного охлаждения в ноутбуках не отличается особыми сложностями. Тепло от горячего процессора или видеокарты передается на радиатор и он рассеивает его в окружающей среде. В свою очередь тепловые трубки увеличивают пространство рассеивания теплого воздуха, что повышает уровень эффективности СО.

Такая система имеет свои достоинства и недостатки. Нельзя однозначно сказать, что она плохая или хорошая. Все зависит от личных предпочтений пользователя и что именно он хочет получить от конкретного ноутбука.

Ниже представим основные плюсы и минусы пассивной СО с практической точки зрения.

Преимущества пассивного охлаждения

Система пассивного охлаждения ноутбука имеет следующие достоинства:

  • Отсутствие шума. Действие любого вентилятора сопровождается определенным количеством звуков. Чем сильнее и эффективнее он работает, тем выше его обороты. Соответственно, и шума становится больше. Так как в конструкции пассивной СО не имеется вентиляторов и каких-либо других движущихся элементов, работает она достаточно бесшумно.
  • Надежность. Тот момент, что в пассивной СО нет движущихся частей, обусловливает ее надежность. Ведь такая конфигурация характеризуется минимальным риском поломки. Иначе говоря, сломаться там просто нечему.
  • Нетрудозатратный процесс обслуживания. Вентиляторы выполняют охлаждение комплектующих за счет вывода теплого воздуха, который скапливается внутри компьютера. Воздушный поток втягивается и выдувается через специальные отверстия на корпусе. Вместе с воздухом внутрь попадает пыль и оседает на запчастях. Поэтому устройство необходимо периодически разбирать и чистить. В пассивной СО движение воздуха происходит в минимальном количестве и чистить такой лэптоп нужно в разы меньше. Менять термопасту между процессором и радиатором потребуется не так часто.
  • Сниженное энергопотребление. Ноутбуки, которые оснащены пассивной СО, расходуют гораздо меньше электроэнергии и дольше сохраняют свою работоспособность на одной зарядке. И это не только относительно вентиляторной СО. Показатель энергоэффективности у пассивного охлаждения в целом лучше.

Весомых преимуществ у системы пассивного охлаждения в ноутбуках немало. Но и минусы тоже имеются.

Недостатки пассивного охлаждения

Пассивная ПО, наряду с достоинствами, имеет и некоторые недостатки:

  • Большая вероятность перегрева. Пассивная система охлаждения менее эффективна, нежели вентиляторная. Такое решение не может быть использовано в высокопроизводительных ноутбуках, так как при максимальной нагрузке пассивная СО просто не справится. Результатом будет перегрев комплектующих и их поломка.
  • Низкая ремонтопригодность. Как отмечалось ранее, система пассивного охлаждения ломается довольно редко. Но если же это произошло — приготовьтесь крупно потратиться. Ремонт в этом случае будет очень дорогим. Ведь заменить один неисправный вентилятор намного проще и дешевле, чем привести в работоспособное состояние сложную конструкцию из трубок и радиаторов.
  • Общая далеко не рекордная производительность ноутбука. Пассивными системами охлаждения оснащаются модели начального и нижне-среднего сегмента по причине малого теплопакета процессора и отсутствия дискретной видеокарты. Компактная пассивная система охлаждения попросту не вытянет мощное железо.

Стоит учитывать эти два фактора при покупке ноутбука с пассивной системой охлаждения. Если вам требуется мощный лэптоп, то лучше выбрать другое оснащение.

В заключение статьи

Так хороша или все таки не очень система пассивного охлаждения? Однозначный вердикт поставить нельзя. Как и было отмечено выше, учитывать следует последующее назначение ноутбука:

  • если вы планируете участвовать в киберспортивных соревнованиях или использовать устройство для рендеринга и 3D-моделирования, то брать лэптоп с пассивной СО не советуем (здесь необходимо более мощное решение);
  • когда ноутбук требуется для офисных задач, работы с текстовыми документами, запуска простых приложения и просмотра фильмов, то лэптопы с пассивной СО как раз то, что нужно (бесшумность, высокая автономность, компактность и неприхотливость устройства безусловно порадует).

Среди интересных моделей таких ноутбуков можно выделить Xiaomi Mi Book Air 12.5, ASUS VivoBook Flip 14, HP Chromebook x360 и DELL Inspiron 11А. Они отличаются оптимальными функциональными характеристиками и хорошо зарекомендовали себя на практике.

Как сделать игровой компьютер с пассивным охлаждением. Мой опыт

Хочу поделиться своим опытом создания тихого компьютера. Сейчас эта тема становится все более и более актуальной и востребованной. Растет популярность HTPC, большинству граждан вообще не требуется горячая машина для серфинга интернета и просмотра почты. Но здесь речь пойдет немного о другом подходе.

Да, основная задача машины, которую я хотел собрать, действительно просмотр фильмов и прослушивание музыки на большом телевизоре в гостиной, но вот незадача, мне не чужды игры…

Перед тем как приступить к описанию своего проекта, я расскажу немного о том, как я вообще пришел к желанию получить то, что будет описано ниже. Что я имею? У меня 55-ти дюймовый телевизор 4K, напольная акустика B&W и интегральный усилитель Cambridge Audio со встроенным ЦАП. Также было приобретено сетевое хранилище, Synology, чтобы вопрос о наличии свободного пространства отпал навсегда. Кстати, с приобретением NAS сервера я получил намного больше, чем просто огромный внешний диск, как я изначально ожидал, но это совсем другая история. В общем, для всего этого добра нужен был транспорт.

Изначально использовался домашний MBP, но постоянная коммутация, лежащие повсюду провода (а их как минимум набиралось три! — питание, HDMI, USB-аудио). У меня был MBP Late 2014 с Retina, он подходит в качестве цифрового транспорта весьма неплохо! Он очень тихий и все еще весьма способный, но встроенное видео начисто перечеркивало игровые возможности компьютера, а постоянное наличие проводов в гостиной, как я уже сказал, меня совершенно не радовало. И даже не смотря на это я готов бы был жить с таким вариантом, все равно на игры уже совсем не хватает времени. Но эстетическая сторона вопроса не давала мне спокойно спать, хотелось большего…

Затем мой взгляд пал на такую замечательную штуку, как BD-плеер от Cambridge Audio. Вот, подумал я, то, что нужно! Великолепный дизайн, качество исполнения на высшем уровне! Этот плеер замечательно бы смотрелся рядом с моим усилителем! Кроме того, судя по многочисленным обзорам в сети, этот плеер Компании удался весьма способный: все цифровые форматы аудио и видео плеер воспроизводит на 5 баллов! Кроме того, я очень полюбил в последнее время хорошую музыку, а сей девайс обладает весьма нетривиальными музыкальными способностями!

Я почти остановился на таком варианте и даже почти смог закрыть глаза на весьма немалую его стоимость, но что-то все же меня тормозило! Видимо, это была какая-то неготовность к тому, чтобы перейти от компьютера, его неограниченными возможностями, на узкоспециализированный девайс, хоть и обладающий вроде бы всем, что мне было нужно. Но как же серфинг в сети на большом экране? Как же домашний компьютер для каких-то общих задач? Как же игры, в конце концов?! Решено было собирать HTPC.

Это был долгий путь, на котором я не буду акцентировать Ваше внимание. Скажу лишь, что все компоненты были выбраны сразу, но потом началась эпопея с подходящим корпусом… Сначала был куплен Cooler Master Elite 110, но он мне не подошел по высоте. Сам не знаю как так вышло, он должен был стоять в тумбе, рядом с усилителем, высота которой 205 мм. Не хватило в общем буквально чуть-чуть, мой прокол, не промерил как следует. Затем был долгий и мучительный поиск альтернативного корпуса.

Просмотрел все, что представлено на рынке под платы mini-ITX, от Sharkoon QB-One и разных моделей от Fractal Design и до SilverStone Raven разных генераций и даже LianLi PC-Q19. Везде что-то меня не устраивало, то дизайн, то размеры. Общей претензией оказалось качество изготовления, что особенно заметно на фоне немалой цены большинства моделей. Затем взор упал корпуса Streacom, не представленные в России. Стал выбирать, прорабатывать возможность доставки и сборки компьютера без единого вентилятора. В общем, эта идея мной завладела полностью, о чем и пойдет этот рассказ дальше.

Начав со Streacom мой взор плавно перешел на такую компанию, как HD-Plex. При идентичной концепции этих изготовителей, второй оказался намного больше освещен на просторах сети. Стал читать обзоры и тесты данных корпусов. Обычно, такие корпуса используются в качестве транспорта в системах Hi-Fi, но, что меня особенно зацепило, так это возможность сборки в таком корпусе игрового ПК среднего уровня! Финальным аспектом в принятии решения стала удобная доставка до России, которую предлагает HD-Plex.

Была выбрана модель HD-Plex H2 второго поколения (ряд фото ниже приведен с сайта изготовителя http://www.hd-plex.com/).
Из описания на сайте изготовителя следует, что корпус обладает типичными размерами для аппаратуры Hi-Fi: 430 x 353 x 115 мм. Изготовлен корпус из экструдированных алюминиевых панелей и способен вместить практически любые компоненты. Судя по фотографиям и множеству описаний, качество изготовления корпуса не вызывает никаких вопросов. Так был оформлен заказ. Вместе с корпусом была также приобретена система для пассивного охлаждения процессора GPU.

Доставка была оформлена на Российский адрес, оплата картой на сайте изготовителя и через полторы недели заветное уведомление от почты России оказалось в моем почтовом ящике! Стоит отметить, что, несмотря на весьма приличный ценник, отправление было сделано через весьма недорогой сервис Deutsche Post, партнером которого в России выступает наша доблестная Почта России. Благо номер для отслеживания был предоставлен. В общем, через полторы недели сотрудник Почты России радостно выволок большущий фирменный мешок (точь в точь как из под картошки, только белый) с просьбой “получите и распишитесь”. У меня наворачивались слезы на глазах от вида того, как обращаются с моей покупкой при мне и мысли о том, что она испытала в пути! Естественно, распаковал корпус я прямо на почте и к своему удивлению обнаружил, что большая внешняя помятая коробка вмещала в себя еще одну коробку в которую и был упакован сам корпус. Она была в полной сохранности и я, перекрестившись, оставил Почте свой автограф и отправился домой.

Прежде чем продолжать дальше я хотел бы немного остановиться на блоке питания для сборки будущего ПК. Не секрет, что выбор блоков питания с приличной мощностью и пассивным охлаждением, скажем так, мягко говоря скуден. Сам же изготовитель корпуса предлагает несколько решений для питания, ориентированных, в первую очередь, на достижением максимально “чистого” питания для высококлассного аудио транспорта, но мои задачи подразумевали другие приоритеты. С одной стороны, нужна была большая мощность блока питания, чем предполагают решения HD-Plex, а во вторых, у меня нет повышенных “аудиофильских” требований к качеству питания, поскольку используется USB Audio и внешний ЦАП, встроенный в мой интегральный усилитель, а устанавливать звуковую карту в ПК я не планировал. Во-первых, улучшения качества звука я вряд ли добился бы несмотря на формально более качественный ЦАП в звуковой карте даже уровня ASUS Xonar Essence STX II. Во-вторых же, мне нужен слот PCIe для установки дискретной видеокарты, а материнская плата mini-ITX уже имеется в наличии и переходить на более крупную не хотелось. В общем, после долгого поиска выбор пал на блоке питания ZF240 Fanless 240W ZeroFlex PSU (изображение с сайта изготовителя).

Блок питания, согласно заверениям изготовителя, имеет заявленную мощность 240 Вт (особо отмечается, что будь этот блок собран в корпусе с активным охлаждением, он был бы сертифицирован как модель мощностью 400 Вт), полностью пассивное охлаждение и КПД, равный 93% (это означает, что в тепло уходит не более 17 Вт, что совсем не много!). Заказан был сей замечательный девайс на eBay и доставлен таким же способом и также в целости и сохранности (причем также быстро!).

Наконец я могу перейти от вступительной части и описания моих приготовлений непосредственно к тому, ради чего была затеяна данная тема. Здесь мне, наверное, следует извиниться перед Вами за столь длительное повествование, но, мне кажется, оно было важным для понимания моих решений. Еще мне кажется, что данные извинения нужно было принести в начале статьи… Раз уж Вы дочитали до данных строк, то бросать дальнейшее чтение уже не имеет совершенно никакого смысла и мы продолжаем.

Как я писал выше, все компоненты будущего компьютера были уже приобретены ранее и, надо сказать, не слишком они подходят для ПК с полностью пассивным охлаждением в привычном понимании. Ниже приведен перечень всех компонентов.

Корпус HD-Plex H2 Gen2 с комплектом охлаждения GPU
Блок питания Streacom ZF240 Fanless 240W ZeroFlex PSU, 240 Вт
Материнская плата: ASUS H110I-PLUS (чипсет Intel H110, память DDR4) (макс. 15 Вт)
Процессор Intel i5-6500 Skylake (TDP 65W)
Память 2x 8 Гб Kingston HyperX FURY DDR4 (не более 3 Вт)
SSD Samsung 750 Evo 250 Gb (максимальное потребление 4 Вт)
Видеокарта ASUS Turbo GeForce® GTX 1060 6 Gb (TDP 120 Вт)

Итак, взглянув на перечень выше многие из Вас сразу же скажут, что эти компоненты не слишком подходят для пассивного охлаждения. Особенно в глаза бросается видеокарта! GP106 великолепен в плане энергопотребления, но 120 Вт есть 120 Вт, их сложно рассеять с помощью простого радиатора. К тому же, заявляемая изготовителем корпуса максимальная рассеиваемая мощность для видеокарты не более 95 Вт. Нестыковочка…, но об этом ниже… По сумме максимальной потребляемой мощности все сходится с приличным запасом (максимум 207 Вт). Можно приступать к сборке.

Я не буду рассказывать о процессе сборки ПК в данном корпусе. Скажу лишь, что все компоненты корпуса (а он поставляется в полностью разобранном состоянии) упакованы отлично, что обеспечивает их полную защиту при транспортировке. К тому же, весь процесс сборки корпуса и установки компонентов очень подробно описан в прилагаемом 35-ти страничном руководстве (доступно на сайте изготовителя, кому интересно). Отмечу лишь, некоторые моменты, на которые я обратил внимание. Ни один из них не доставляет проблем, но все же, было бы замечательно, если бы изготовитель учел критику.

Во-первых, на просторах сети очень много обзоров сборки ПК в данном корпусе и большая часть из них утверждает, что сборка идет быстро и просто. Так вот, я бы так не сказал. Конечно, все мы разные, и руки у нас всех растут всё же из немного разных мест, но к “рукожопым” я себя бы не отнес. Мой процесс сборки занял примерно 8-10 часов!

Во-вторых, в комплекте идет шестигранник для сборки корпуса (2,5 мм на сколько я могу судить). Немного нестандартный размер. Но почему нет микрошестигранника для установки штифтов кнопки включения?! Cудя по всему 1 мм или меньше, такого в обычном наборе инструментов вообще не найти! Было бы лучше сделать эти шпильки под плоскую отвертку.

Третье, на что я обратил внимание, это отсутствие головки с внутренним шестигранником для установки внутренних опор и стопорных гаек. Там также дробный размер, которого в моем наборе инструментов не оказалось.

Мне также показалось нелогичным отсутствие крепежных отверстий для опор видеокарты. На днище корпуса есть отверстия, но их положение не совпадает с отверстиями на плате Третье, на что я обратил внимание, это отсутствие головки с внутренним шестигранником для установки внутренних опор и стопорных гаек. Там также дробный размер, которого в моем наборе инструментов не оказалось (хотя, возможно, это уже придирки, невозможно предусмотреть крепеж любых плат).

В общем, спустя много часов времени сборка моего корпуса была успешно завершена. Ниже привожу несколько фотографий для иллюстрации процесса. Были сложности с установкой БП, пришлось немного переработать штатные крепления подручными средствами. Еще один важный момент, который я подробнее опишу позднее, это рекомендация изготовителя корпуса не применять термопасту на подошву радиатора охлаждения ЦП. Это им мотивируется зеркальной полировкой подошвы радиатора (что действительно имеет место быть, качество обработки высоко!). Тем не менее, как показала моя практика, наносить термопасту обязательно, разница очень большая! Я использовал лезвие для равномерного нанесения очень тонкого слоя.

Intel i5-6500 Skylake (3,2 ГГц)

GeForce GTX 1060 6G (GP106)

Процесс сборки

Блок питания Streacom ZF240 Fanless 240W ZeroFlex PSU, 240 Вт

Результат

ASUS Turbo GeForce® GTX 1060 6 Gb (TDP 120 Вт)

ASUS H110I-PLUS (чипсет Intel H110)

Задняя панель

Компоновка получилась довольно плотная, но, принимая во внимание концепцию охлаждения, это не имеет никакого значения. Нет потоков воздуха, нет проблем! Стоит отметить, что качество изготовления всех элементов корпуса и его финальный вид полностью соответствуют стоимости! Все монолитно, качественно, выглядит на уровне хорошей аппаратуры Hi-Fi. Причем я очень придирчивый в плане эстетики (корпус Fractal Design NODE 604 был безнадежно забракован по критерию “ощущение качества”!).

С чего начинаешь первое включение компьютера с пассивным охлаждением? Первым были панические атаки BIOSа по поводу того, что вентиляторы не крутятся. Исправил отключением мониторинга скорости вентиляторов. Затем установка Windows 10 64 бита, и, естественно, всего набора драйверов. Все это сопровождалось постоянным ощупыванием радиаторов (боковых частей) корпуса на предмет перегрева. До сих пор радиаторы оставались чуть теплыми. Затем установка всех утилит для мониторинга CPU-Z, GPU-Z, FanSpeed, FurMark, Prime95…

Первый же прогон Prime95 в режиме максимального нагрева ЦП выявил несостоятельность рекомендации изготовителя корпуса об отсутствии необходимости нанесения термопасты на подошву радиатора. Температура после часа теста выросла до 81 градуса. Причем, при этой температуре тротлинга не наблюдалось, ЦП продолжал поддерживать частоту 3,2 ГГц.

После такого опыта я оказался в печале, сказать честно! Это же явно не нормальная работа! О каких 95 Вт TDP процессора вообще может идти речь? А что я буду делать с видеокартой, имеющей TDP 120 Вт?! Печаль…

Первое, что я решил сделать, это разобрать корпус и нанести таки термопасту на радиатор процессора. Причем при сборке на радиатор охлаждения видеокарты термопаста была нанесена изначально ввиду значительно худшего качества обработки радиатора видеочипа. Последующая сборка, прогон тех же тестов и… максимальная температура составила 74 градуса и больше не росла даже после 3 часов разогрева! Уже лучше, но все же — это много! Внешний радиатор корпуса был очень горячий, горячее порога, который может терпеть рука!

Честно говоря, несмотря на улучшение результатов и полную стабильность ПК и тот факт, что такую температуру в реальной жизни невозможно получить, я был расстроен! После размышлений на тему “что бы предпринять” пришла мысль о том, что можно бы снизить напряжение питания ЦП… Путем нехитрого подбора выставил значение сдвига -165 мВ. При таком подходе напряжение питания остается плавающим, но максимальное значение снижается на величину сдвига.

Результат меня впечатлил! Максимальная температура, которую удалось достичь после 2 часов прогона теста Prime95 температура перестает расти и стабилизируется на уровне 64 градуса! Это максимум, который удалось достичь, что является вполне приемлемым! Забегая вперед скажу, что час игры в Doom (2016 года) на максимальных настройках Ультра на протяжении 2 часов температура ЦП составляет … меньше 45 градусов! При таких условиях ЦП бустит весьма умеренно, но, с другой стороны, задачи постановки рекордов производительности не ставилось.

Ниже приведу несколько скриншотов для иллюстрации сказанного и чтобы показать общий уровень производительности ЦП в попугаях.


В общем что имеем в итоге, вполне приемлемая для любых повседневных задач производительность, совпадающая с таковой другой аналогичной системы, при вполне вменяемой температуре.

Вот теперь я поверил в этот корпус! Но меня еще ждала видеокарта с TDP 120 Вт! Еще есть силы читать? Тогда продолжаем!

С опаской я запустил FurMark… Первый же прогон расстроил. За 15 минут температура выросла до 78 градусов без даже намека на стабилизацию! Это провал, подумал я, но решил пойти по уже проверенному пути undervolting’а! Несмотря на то, что карта у меня от ASUS мне прекрасно помогла программа от MSI Afterburner.

За счет новых технологий буста частоты ядра, ее регулировка представляется процессом непростым. Не буду слишком вдаваться в подробности, опишу лучше кратко полученный результат. Используя MSI Afterburner была поправлена кривая напряжения ядра. К сожалению, без принудительного ограничения TDP карты это помогает лишь частично.

В итоге, что имеем сейчас… Карта проходит два часа стресс-теста FurMark с выходом на стабильную температуру 71 градус, работая при частоте 1540 МГц. Память стабильно работает на частоте 9 330 МГц. В играх Diablo III (2160p, максимальные настройки), Doom (2016 года, 1080p, настройки Ультра) потребление карты составляет от 60 до 70% от максимального TDP (от 70 до 85 Вт), температура ядра не превышает 70 градусов, буст обычно держится на уровне 1800 МГц — 2000 МГц. Таким образом, имеем производительность выше стандартной, играбельность на отличном уровне в любых играх на 1080p и приемлемую температуру.

Ниже четыре скриншота из FurMark’а. Первые два при разгоне и undervolting’е, вторые два — при работе карте в состоянии из коробки. По два на каждом из стандартных пресетов 720 и 2160 (4K/UHD).

Разгон памяти, undervolting, FurMark пресет 720

Разгон памяти, undervolting, FurMark пресет 2160 (4K/UHD)

Стандартное состояние (default), FurMark пресет 720

Стандартное состояние (default), FurMark пресет 2160 (4K/UHD)

И теперь полная тишина…

P.S. Буду рад поделиться опытом или ответить на Ваши вопросы. Также буду рад замечаниям и критике.

По поводу пассивного охлаждения. Наверняка вы заметили очень высокую температуру чипсета, более 70 градусов. Для решения этой проблемы заказ приличный медный радиатор EnzoTech. Я же, в свою очередь хотел бы выслушать советы по поводу охлаждения видеокарты. На какие еще элементы (см. фото выше) стоит установить радиаторы?

Спасибо за советы и за Ваше терпение! =)

Добавление от 03.10.2016. Охлаждение элементов цепей питания GPU.

Хочу спросить совета знающих граждан. Стоит ли устанавливать радиаторы для охлаждения всех элементов, выделенных красным? Или же что-то из этого не требует дополнительного охлаждения?

Пассивное охлаждение электроники

Пассивное охлаждение-01

Пассивное охлаждение: модули силовой электроники, основанные на новейших компонентах GaN и SiC, продолжают уменьшаться в размерах, а тепловыделение постоянно увеличивается. Следовательно, во многих приложениях инженеры обращаются к активному водяному охлаждению как к, казалось бы, очевидному решению.

Используя технологию Loop Heat Pipe (LHP), то-есть (контурная тепловая труба), компания Calyos предлагает пассивную и устойчивую альтернативу, которую можно применять для решения многих тепловых проблем в различных отраслях промышленности. В интервью Power Electronics News Бен Саттон (менеджер по маркетингу в Calyos) объяснил, что Loop Heat Pipes являются пассивными двухфазными устройствами теплопередачи.

Эти системы могут включать в себя несколько источников тепла с решением с малой массой, которое может перемещаться в сложных условиях, оставаясь способным выполнять пассивное охлаждение компонентов с высокой плотностью тепла.

Петлевые тепловые трубки подходят для работы в суровых условиях, без проблем справляясь с ускорениями и вибрациями. Настройка жидкостей позволяет оптимизировать рабочие условия, в том числе криогенные приложения для квантовых компьютеров.

Технология — Пассивное охлаждение

Тепловая труба — это устройство теплопередачи, которое может обмениваться большим количеством тепла с небольшой разницей температур между горячими и холодными поверхностями за счет испарения и конденсации рабочей жидкости.

В отличие от тепловой трубы, фитильная структура внутри LHP сконцентрирована внутри испарителя. Эта фитильная структура обеспечивает давление капиллярной откачки, направляя жидкость к опорной плите испарителя, где она испаряется и выходит по паропроводу. Испаритель является сердцем устройства и содержит пористую капиллярную структуру фитиля выполняющего пассивное охлаждение, как правило, созданного на основе металлов или органических полимеров.

Пассивное охлаждение-1

Рисунок 1: Типовые конструкции системы для общих приложений

«Итак, очевидный вопрос — как работает пассивное охлаждение?» — сказал Саттон. Он поделился с нами рядом данных для проверки производительности своих систем, поскольку каждая ситуация зависит от специфики устройства, и многие проекты остаются конфиденциальными. Саттон добавил:

«С точки зрения непрофессионала, из-за низкого теплового сопротивления и высокого коэффициента теплопередачи испаряющейся жидкости система может максимизировать температуру конденсатора, в свою очередь, максимизируя количество тепла, передаваемого источником холода».

В одном представленном нам примере инвертора высокой плотности Calyos смогла предоставить сопоставимую систему, позволяющую компонентам рассеивать в четыре раза большую тепловую мощность, работая при тех же ограничениях, что и водяная система. Во-вторых, благодаря проверенной гелием конструкции с замкнутым контуром своих систем клиенты могут ожидать значительного повышения надежности и срока службы, поскольку отсутствуют внутренние движущиеся части.

При работе с клиентами производитель Calyos поощряет разработку полностью пассивных систем (без вентиляторов), что дает возможность снизить энергопотребление вашей системы охлаждения на 100% — привлекательное решение для многих.

Пассивное охлаждение-2

Рисунок 2: Схема, показывающая основные компоненты в системе LHP

Принцип работы пассивного охлаждения LHP можно описать в следующих пунктах:

  • Медная опорная плита испарителя имеет теплообменник с источником тепла.
  • Внутри испарителя жидкость течет из резервуара через пористую структуру фитиля к опорной плите.
  • Жидкость испаряется, когда достигает опорной плиты из-за более высокой температуры.
  • Пар направляется вниз по паропроводу по выходным путям внутри конструкции испарителя.
  • Когда пар достигает источника холода, он снова конденсируется в жидкость из-за более низкой температуры.
  • Жидкость течет обратно в испаритель по жидкостной линии из-за давления в паропроводе.

Процесс продолжается бесконечно, пока испаритель нагревается.

Саттон сказал, что компания Calyos коммерциализировала продукт на нишевых рынках (железнодорожный, энергетический, телекоммуникационный) и продолжает наращивать объемы производства за счет своего завода в Бельгии. Стоимость препятствует широкому распространению на автомобильном и компьютерном рынках.

Оба рынка предлагают отличные возможности, и Calyos ведет текущие проекты развития и ведет переговоры как с OEM-производителями, так и с поставщиками первого уровня. Обсуждения, очевидно, сосредоточены на обеспечении производства в больших объемах за счет консолидации цепочек поставок со своими клиентами и изучения лицензионных соглашений для обеспечения принятия.

«Отличный проект, которым стоит поделиться, — это работа, которую мы проделали в железнодорожной отрасли. На поездах устанавливаются тяговые преобразователи для преобразования энергии постоянного тока от линий электропередач в движение поезда. Наша система пассивно охлаждала 8 модулей IGBT без насосов и вентиляторов.

Это не только приносит пользу конечному клиенту с системой со значительно более низкой совокупной стоимостью владения, но также значительно снижает уровень шума, особенно когда поезд припаркован на вокзале, что обеспечивает более удобное обслуживание пассажиров», — сказал Саттон.

Пассивное охлаждение электроники

Рисунок 3: Пассивная система охлаждения тягового преобразователя

Заключение

Эффективные технологии охлаждения могут увеличить срок службы и, в свою очередь, надежность электронных компонентов, увеличивая эффективность системы. Двухфазные технологии, такие как LHP, могут чрезвычайно эффективно отводить тепло от самых горячих точек, таких как мощные IGBT, в оребренную область радиатора или других охлаждающих структур.

«Использование скрытой теплоты испарения для управления системой охлаждения — блестящая идея. Calyos удачно разработала отличную тепловую технологию, решающую многие проблемы, связанные с традиционными тепловыми трубками, при сохранении преимуществ. По мере роста внедрения нашей технологии мы надеемся, что сможем предложить больше полностью пассивных решений и, в свою очередь, окажем большое влияние на устойчивость», — заключил Саттон.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Одной из проблем при проектировании электронных устройств является управление тепловым режимом для улучшения производительности, срока службы и стоимости продукта. Чтобы справиться с отводом тепла, используют различные системы охлаждения.

Эти системы можно разделить на две основные категории: системы с активным и пассивным охлаждением. Пассивная система может быть простой, дешевой (вентиляторы не требуются), надежной (компоненты не изнашиваются) и относительно простой для анализа и расчёта (размеры постоянные). Тем не менее надо помнить о создании подходящей среды для стабильной и бесперебойной теплопередачи. Например вентиляционные отверстия и радиаторы не должны перекрываться и оставаться незагрязненными.

Пассивное охлаждение использует следующие физические явления:

  • Излучение электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Примером может служить электрическая лампочка излучающая тепло. В большинстве электронных схем излучение рассеивает небольшую часть выделяемого тепла.
  • Теплопроводность, когда тепло протекает через твердый материал, обычно с высокой теплопроводностью, такой как медь или алюминий.
  • Конвекция, когда тепло уносится воздухом или жидкостью, такой как вода или фреон. Поскольку теплый воздух движется вверх, для этого метода обычно требуется вентиляция в верхней или боковой части корпуса.

Прежде чем выбрать правильное решение, надо определить есть ли проблема с нагревом отдельного компонента или всей системы. В случае с точечными источниками тепло нужно только отводить из локальной зоны и распределять по большей площади. В том случае, если вся система нагревается, тепло нужно каким-то образом передать в другое место. В большинстве конструкций используется комбинация кондуктивного и конвекционного охлаждения.

Проводимость используется для отвода тепла от локального источника, такого как микросхема или транзистор, в то время как конвекция – для рассеивания тепла, которое было перенесено от источника к радиатору. В большинстве случаев для отвода избыточного тепла используются радиаторы изготовленные из хорошего теплопровода. Медь и алюминий являются одними из наиболее широко используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (400 Вт / (м · К) при 300 К) намного дороже алюминия (237 Вт / (м · К) при 300 К), но также вдвое эффективнее. Большим преимуществом алюминия является то, что его можно легко прессовать, что позволяет создавать сложные поперечные сечения. Алюминий также намного легче меди, что снижает механическую нагрузку на хрупкие электронные компоненты.

Для обеспечения наилучшего теплового контакта с объектом нуждающимся в охлаждении, контактная поверхность радиатора должна быть плоской и гладкой. Чтобы свести к минимуму проблему поверхностных дефектов, для улучшения теплового контакта используются прокладки или теплопроводящие пасты. В основном это силиконовые пленки, силикон GAP или наполнители без силикона, при необходимости армированные стекловолокном.

Охлаждающая способность

Эффективность радиатора зависит от материала, геометрии и коэффициента теплопередачи. Как правило, принудительный тепловой КПД конвекционного радиатора улучшается за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно за счет добавления удлиненных поверхностей, таких как ребра) и за счет увеличения общего коэффициента теплопередачи. В случае сильного точечного источника тепла может потребоваться использование тепловых трубок для охлаждения за счет испарения и конденсации двухфазной рабочей жидкости. Они позволяют передавать большое количество энергии, сохраняя при этом очень небольшую разницу температур между горячими и холодными местами.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Обычно они состоят из герметичной трубки из металла, например меди или алюминия, подключение испарителя и конденсатора. Трубка содержит как насыщенную жидкость, так и пары рабочей жидкости (например, воду, метанол или аммиак). Медные метанольные трубки используются если система должна работать при температуре ниже точки замерзания воды. Их главное преимущество – отличная эффективность при передаче энергии. Теплопроводность может достигать 100 000 Вт / мК, что недостижимо обычным металлом.

Расчеты радиатора

Чтобы определить тип и габариты системы охлаждения, необходимо произвести хотя бы базовые расчеты. Обычно это двухэтапный процесс.

Во-первых, необходимо диагностировать источники тепла, такие как микросхемы, транзисторы, диоды или резисторы. Следующим шагом является моделирование отвода тепла с помощью теплопроводящих элементов (печатной платы, металлических частей корпуса и радиатора), а также конвекции и излучения. Анализ, основанный на этих моделях покажет, достаточно ли спроектированной системы для поддержания температуры источника и системы ниже максимально допустимой. Для первоначального анализа можете, среди прочего, использовать калькуляторы.

Для более сложной геометрии рекомендуется проводить моделирование с использованием программного обеспечения для анализа динамики жидкости (CFD). Они помогут оценить тепловое сопротивление компонентов и эффективность конвекционного радиатора. Не забывайте принимать во внимание даже самые маленькие препятствия для теплового потока, такие как тепловое сопротивление полупроводникового перехода к корпусу, а затем и к радиатору.

Правильно выполненная пассивная система охлаждения обеспечивает стабильную работу устройства, повышая надежность и снижая затраты на обслуживание.

Оценка размеров радиатора для обеспечения достаточного охлаждения устройства может оказаться сложной задачей, особенно если нет большого опыта в этом вопросе. Несмотря на то, что в Интернете доступны инструменты, позволяющие выполнять этот тип вычислений, стоит изучить, по крайней мере в образовательных целях, основные правила и зависимости.

Оценка размеров радиатора основана на нескольких уравнениях и физических принципах, связанных с термодинамикой и механизмами распространения и обмена тепловой энергией в окружающей среде.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Исходные данные радиатора

Конечным результатом выполненных расчетов должны быть значения, соответствующие индивидуальным размерам радиатора. Здесь предполагается, что расчеты выполнены для ребристого радиатора, такого как на рисунке. Такие элементы обычно встречаются в пассивных системах охлаждения электронных компонентов. Показаны 6 различных размеров, необходимых для полного описания радиатора. Для упрощения дальнейших расчетов можно сделать следующие предположения:

  • Размеры b и t намного меньше, чем L, W и H, так что площадь поверхности перпендикулярная направлению воздушного потока g, мала по сравнению со всей поверхностью радиатора.
  • Теплопроводность материала радиатора настолько велика, что распределение температуры по всей поверхности этого элемента однородное и примерно равно температуре источника тепла.
  • Источник тепла имеет те же размеры что и основание радиатора, поэтому он определяет значения параметров L и H.
  • Соединение между источником тепла и радиатором идеально, то есть обеспечивает передачу тепловой энергии без потерь.

Эти предположения приведут к тому, что окончательный результат расчетов будет содержать некоторую ошибку. Но его значение в большинстве случаев должно быть достаточно незначительным, чтобы можно было использовать полученные результаты на практике.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Дальнейший анализ также предполагает что основание радиатора ориентировано вертикально, и что охлаждение осуществляется за счет процесса естественной конвекции и излучения, без принудительной циркуляции воздуха в системе и незначительного эффекта кондуктивного отвода тепла от компонента.

Расчет эффекта конвекции

Значения L и H определяются размерами источника тепла. Следовательно, значение W, то есть ширина радиатора, расстояние между ребрами и количество ребер, еще предстоит вычислить.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Области, используемые для расчета скорости теплообмена

На рисунке показаны области, для которых скорость теплообмена при конвекции и процессы будут рассчитаны. Мощность, рассеиваемая конвекцией из области QC1, может быть описана уравнением:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

где: Ts – температура источника тепла, Tamb – температура окружающей среды, h1 – коэффициент теплоотдачи для площади A1. Площадь A1 можно рассчитать, зная различные размеры:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Коэффициент теплопередачи составляет:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Этот шаблон верен для процесса естественной конвекции с вертикально ориентированной поверхностью. Следующим шагом является расчет мощности, рассеиваемой конвекцией в области A2, то есть области покрывающей все ребра. Для расчета площади поверхности A2 можно использовать следующее уравнение:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Оптимальное значение расстояния между ребрами, позволяющее достичь максимальной скорости передачи тепловой энергии в случае естественной конвекции, составляет:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

где: g – ускорение свободного падения, в – коэффициент теплового расширения, приблизительно.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

а – коэффициент выравнивания температуры воздуха (температуропроводность) для температуры Tср, v – кинетическая вязкость воздуха для температуры Tср. Для площади ребер коэффициент теплопередачи составляет:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

где k – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Tср. Тепло, рассеиваемое в области A2, можно описать как:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Как и в случае площади А1, единое значение коэффициента теплоотдачи для всей площади допустимо из-за небольших различий в значениях этого коэффициента для поверхностей с разной ориентацией, а также небольшой доли этих областей в общем процессе теплопередачи, возникающие из-за их малой площади поверхности.

Расчет влияния излучения

Влияние излучения на общее тепловыделение радиатора может быть весьма значительным, особенно в случае пассивного охлаждения. Поэтому данный эффект следует тоже включить в анализ общей эффективности радиатора. Как и в случае передачи тепла конвекцией, радиатор можно разделить на две части – основание и ребра. Мощность тепла, рассеиваемого излучением из зоны основания, составляет:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

где Е – так называемая излучательная способность поверхности радиатора, а о – постоянная Больцмана со значением 5,67 · 10 –8 Вт / м2 · K4.

Мощность теплового излучения из области ребер радиатора определяется так:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Точный расчет уровня тепловой мощности излучаемой области A2 довольно сложен, но, тем не менее, хорошим приближением является использование кажущейся площади поверхности излучения, состоящей из внешних границ области A2:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Расчет размеров радиатора

Последним шагом в процессе анализа является расчет количества ребер N, необходимого для отвода тепла, производимого источником при температуре Ts.

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Зная количество ребер, можно рассчитать ширину радиатора:

ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ МИКРОСХЕМ

Представленные здесь расчеты позволяют в упрощенном виде определить размеры радиатора, необходимые для эффективного отвода тепла от устройства с определенной температурой, работающего при известной температуре окружающей среды. Также эти уравнения позволяют осознавать влияние отдельных параметров радиатора и его окружения на конечную эффективность системы охлаждения. Более точный анализ тепловых свойств требует уже использования передовых инструментов моделирования и специализированного программного обеспечения, но для любительских целей этого вполне достаточно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *