Потушить вулкан. Тепловые трубки: новый принцип охлаждения системы

Для получения максимального FPS требуется все больше мегагерц. Если раньше самыми жаркими процессорами нас радовала AMD , то теперь ее славу разделяет Intel. Небезызвестный нашим постоянным читателям Pentium 4 Prescott отличился тепловыде лением свыше 100 ватт. Еще немного — и на процессорах можно будет жарить яичницу. Старая мельница крутится-вертится Стоит, однако, оговориться: на сегодняшний день проблемы охлаждения как таковой нет — есть проблема быстрого отъема тепла от процессора и передачи его на большую площадь радиатора. Процессор мал и горяч, но, несмотря на это, зона эффективного контакта между ним и радиатором не должна быть “бутылочным горлышком” всей системы охлаждения. Для этого в алюминиевые радиаторы запрессовывают медные вставки или встраивают в основание медную пластину. Как вариант — используют радиатор, целиком сделанный из меди, которая обладает вдвое большей теплопроводностью, нежели алюминий. Все в таком радиаторе х орошо — кроме цены. Потому медь в воздушных системах охлаждения используют не так уж и часто. Большой медный радиатор с тихоходным вентилятором, хотя и обладает прекрасными характеристиками, не только дорог, но и велик. И благодаря немаленькому размеру подходит не для каждой материнской платы. А маленькие медные радиаторы оснащаются мощными вентиляторами, которые зверски шумят. Таким образом, система охлаждения процессора, винчестера и видеокарты вносит достойный вклад в превращение компьютера в “Боинг” на взлете. Вот список требований, предъявляемых современным системам охлаждения: надежность; эффективность сегодня и запас на завтра; компактные размеры;

Принцип действия тепловой трубки: a) в этом сегменте вода нагревается; b) вода начинает испаряться и подниматься вверх; c) в верхней части цилиндра тепло выходит в окружающую среду; при этом вода конденсируется на стенках цилиндра; d) под воздействием силы тяжести вода стекает обратно, в нижнюю часть цилиндра.
экономичность; невысокая себестоимость; наконец, бесшумность. На первый взгляд, требования завышены и плохо сочетаются друг с другом — но не все так печально. Ибо — внимание! — существуют системы, основанные на тепловых трубках (heat pipes). Они отвечают всем этим требованиям и во многом превосходят альтернативные технологии. По крайней мере, в теории. Что до практики — то мы вскорости о ней поговорим. Тепловая трубка в разрезе По научному определению, тепловая труба — это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева или терморегулирования других устройств или объектов. Эту фразу сформулировал мистер Гровер , патентуя сие изобретение в Комиссии по атомной энергетике США еще в 1963 году. Он называл тепловую трубу “устройством, обладающим очень высокой теплопроводностью”. Акцент — на слове “очень”. Стоит отметить, что тепловые трубки существовали и раньше. Больше 100 лет тому назад, еще в XIX веке, тепловые трубы применялись для выпечки хлеба в

Тепловая трубка с капиллярной системой: ее отличие от обычной системы заключается в том, что стенки трубки имеют капиллярную структуру. Охладившись, жидкость возвращается в зону нагрева по стенкам трубки, что позволяет использовать тепловые трубки в горизонтальном положении.
Америке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что тепловые трубы обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал. Простейшим примером тепловой трубки может служить обычная металлическая труба с налитой в нее водой, запаянная с обоих концов. Важно практически полностью откачать из нее воздух — он препятствует парообразованию. Отсутствие воздуха, а как следствие -— пониженное давление, влияет и на температуру кипения вещества (в данном случае воды) — она понижается. В итоге мы получаем тепловую трубу, называемую термосифоном, идеально работающую в вертикальном положении. К нижнему концу такой трубки подводится тепло. Вода нагревается и начинает испаряться, но при этом не кипит. Это важный момент, потому что при кипении на стенках возникают пузырьки, которые затрудняют отвод образовавшегося тепла (кроме того, давление высвободившегося газа может разорвать трубку). В итоге пар поднимается по трубке вверх, к зоне конденсации, где тепло и рассеивается. Потом, остывая, пар конденсируется на стенках и в виде жидкости стекает по стенкам трубки вниз под воздействием силы притяжения. Однако зона испарения у термосифона должна быть ниже зоны конденсации — то есть необходимо, чтобы трубка стояла вертикально.

Так выглядит типичная тепловая трубка для видеокарт.
Что ограничивает сферу применения подобных трубок. За 20 лет до патента, полученного Гроверо м в 1963 году, некто Гоглер, сотрудник General Motors , зарегистрировал патент на устройство, в котором для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была использована капиллярная структура. Капиллярный эффект можно наблюдать, окунув в стакан с водой бумажную салфетку. Вода будет подниматься по салфетке вверх. В этом устройстве гравитация уже не являлась необходимым фактором для возврата воды в зону нагрева. Таким образом, проблема “геометрических” неудобств, связанных с использованием тепловых труб, была решена. Ныне основным направлением эволюции тепловых трубок является развитие капиллярной структуры с использованием пористых и микропористых материалов. Наиболее распространенный тип тепловых трубок представляет трубка Гровера. Она состоит из трех элементов: корпус, рабочая жидкость и капиллярно-пористый материал. В качестве материала обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу, пластмассы, керамику. Тепловые трубки не потребляют электроэнергию и не шумят. Важно отметить, что тепловая трубка начинает работать при малейшем перепаде температур на ее концах. Это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 70 С(о), даже если ее другой конец будет иметь температуру 69 С(о).

В быту и на производстве __ В настоящее время трудно найти более эффективное устройство для передачи тепловой энергии, чем тепловая трубка. Цилиндрическая тепловая трубка с водой при температуре 50 С(о) обеспечивает теплопроводность в сотни раз больше, чем у меди. Тепловая труба на литии при температуре 1500 Ñ(î) может передавать в осевом направлении тепловой поток мощностью до 25 кВт/см 2. Такие трубы используется в ядерных реакторах.

Thermalright SP-94, медный радиатор для процессора с тремя тепловыми трубками. Поставляется без вентилятора.
А что на практике? Тепловые трубки заинтересовали в первую очередь производителей ноутбуков. Сегодня ноутбуки охлаждаются в основном с помощью вентилятора, который прогоняет воздух через медную пластину, действующую как радиатор и теплопровод. Тепло рассеивается в окружающем пространстве. Пространство, мягко говоря, небольшое — примите во внимание размеры ноутбука. До поры воздушное охлаждение работало эффективно, но мощности современных ноутбуков таковы, что высокая температура корпуса может доставлять ощутимый дискомфорт (если вы держите ноутбук на коленях). Другое дело, если тепло будет не разгоняться вентилятором по узкому пространству внутри ноутбука, а будет отводиться через жидкость во вполне определенные точки и там уже спокойно себе рассеиваться. Компания Sandia Labs запатентовала вариант пассивного механизма пере дачи тепла, использующего плоские тепловые трубки. Конструкция тепловых трубок по внешней форме повторяет уже используемые механизмы теплопередачи, поэтому никакой внутренней реконструкции компьютера не требуется. Теплопровод заменен тепловыми трубками. Ввиду высокой эффективности тепловых трубок вентиляторы теоретически могут уходить на пенсию — или как минимум значительно сбавить обороты. Это продлит время работы ноутбука от аккумулятора. Капиллярная структура, предложенная одной из фирм, представляет собой кривые канавки в меди глубиной ~60 мкм (тоньше человеческого волоса). Эти канавки изготавливаются методом фотолитографии. Тепловые трубки с использованием капиллярной структуры обладают большим рабочим ресурсом — до 100 000 часов. Современные производители систем охлаждения уже начали использовать технологию тепловых трубок, но не столь эффективно, как хотелось бы. К тому же, как это ни обидно, эти девайсы почти не представлены в

Auras CoolEngine-T6C (Golden): горизонтальные медные ребра нанизаны на тепловые трубки, закрепленные на основание. Поставляется с низкооборотным вентилятором.
широкой продаже. Теоретически потенциал подобных систем охлаждения позволяет создать пассивное (бесшумное) охлаждение, которое превзойдет по эффективности воздушные и многие жидкостные системы. Сейчас подобную технологию используют преимущественно в дорогих радиаторах для оверклокеров-энтузиастов. Конструкции в большинстве случаев идентичны. На медном основании установлено большое количество медных ребер. На первый взгляд, это обычный радиатор — но для быстрой теплопередачи в основание радиатора встроено несколько тепловых трубок, соединенных с ребрами. Существует модификации, в которых радиатор вообще отделен от основания, и вся теплопередача осуществляется при помощи тепловых трубок. Поскольку рядовые потребители компьютеров редко становятся обладателями подобных систем охлаждения и покупают кулер “на сдачу”, этот продукт нацелен на оверклокеров и прочую “рукастую” публику и в большинстве случаев поставляется как радиатор. Пользователь сам подбирает вентилятор по потребностям. В последнее время в продаже появились устройства охлаждения винчестеров, основанные на тепловых трубках. “Игромания” уже писала о подобном устройстве — Zalman ZM-2HC1. Процитирую первый номер этого года: “Результаты превзошли всяческие ожидания”. Однако производитель не полностью использовал преимущества этой технологии, и функциональность устройства оказалась посредственной. Пожалуй, наиболее распространены сегодня системы охлаждения для видеокарт — ведь там проблема габаритов и охлаждения наиболее критична. Примером подобной системы можно назвать Zalman ZM80C-HP и Thermaltake Giant II.

Пять интересных фактов о… __ Рабочая температура — от 4 до 2300 градусов Кельвина. Длина — от нескольких сантиметров до десятков метров. Диаметр — от 2—3 мм до нескольких метров. Мощность теплопередачи — до 25 кВт/см 2. Ресурс работы — до 100 000 часов, в зависимости от используемых материалов и рабочей жидкости.
Камо грядеши? Что можно сказать в итоге? Вот если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича… то все было бы намного лучше. Производители стали использовать тепловые трубки в радиаторах. Но по каким-то причинам подобных продуктов не так много, в особенности на нашем рынке. В России наиболее распространены радиаторы для видеокарт — Zalman ZM80C-HP (тихий кулер ZM-OP1 продается отдельно) и Thermaltake Giant II. Хотя технология тепловых трубок внедряется, мягко говоря, не сверхактивно, стоит отметить, что перспективы у нее великолепные. Технология применима даже при изготовлении корпусов для настольных РС. В системный блок можно встроить, к примеру, тепловую трубку, охватывающую весь корпус по периметру. Это позволит отводить и рассеивать до 1 киловатта (!) тепла. Непонятно, правда, кому это может понадобиться, но сама возможность вдохновляет. Словом, смотрим в светлое будущее и с надеждой ждем того часа, когда включенный компьютер по уровню шума станет неотличим от выключенного. Когда настанет этот час? Да, пожалуй, годика через полтора. А для энтузиастов, у которых руки растут из нужного места, — хоть завтра. Надо только подыскать соответствующие компоненты и не испугаться воспитательной работы, которую предстоит проделать с компьютером.

Система охлаждения для видеокарт Zalman ZM80C-HP.
Внимание, внимание! Ваш любимый журнал решился на драматич еский эксперимент! Впервые на арене — одна из самых современных видеокарт (Radeon 9700 Pro) в одной упряжке с “трубочными” системами охлаждения от Zalman и Thermaltake! Только у нас — спешите видеть: результаты тестов и ответ на вопрос “брать или не брать?”. Вы найдете подробный отчет об этом нетривиальном опыте в следующем номере “Игромании”.
P.S. Низкий поклон компаниям TMG ( www.tmg.ru ) и ULTRA Computers ( www.ultracomp.ru ) за предоставленное оборудование!