Univerzita Palackého v Olomouci
Pedagogická fakulta
Studijní obor:
Informační výchova a anglický jazykse zaměřením na vzdělávání
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Problematika chlazení výkonových prvků elektronických zařízení
Problematics of cooling electronic devices' power elements
Autor:
Marek Šnapka
Vedoucí práce:
Mgr. Martin Havelka, Ph.D.
Olomouc, 2014
Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracoval samostatně a s využitím zdrojů uvedených v přiloženém seznamu.
V Olomouci dne 20.4.2014.
Marek Šnapka
…........................................
2
Poděkování
Na tomto místě bych chtěl poděkovat mnoha lidem, stáli na pozadí při vzniku této práce.
Mé díky patří mé rodině za podporu po všech stránkách, panu Jiřímu Sedláčkovi za cenné
rady v oblasti historie výpočetních technologií, mému nadřízenému, Mgr. Pavlovi Vojkůvkovi,
za tolerantní přístup v době dokončování mé práce a umožnění přístupu k technickému zázemí.
Svůj vděk bych rád vyjádřil i technikům z firem 4everPC, T.S. Bohemia, IT24,
Gigacomputer Opava a Garage Hilse, kteří byli v průběhu let ochotni podělit se se studentem o to
nejcennější – své know-how.
Zvláštní poděkování si však zaslouží pan Mgr. Martin Havelka, Ph.D. za jeho bezmeznou
trpělivost, za ochotu vyjít vstříc a rovněž za to, že při spolupráci na tvorbě této práce obětoval
mnoho večerů se svou rodinou.
3
ANOTACE
Jméno a příjmení: Marek Šnapka
Katedra: Katedra technické a informační výchovy
Vedoucí práce: Mgr. Martin Havelka, Ph. D.
Rok obhajoby: 2014
Název práce: Problematika chlazení výkonových prvků elektronických zařízení
Název v angličtině: Problematics of cooling electronic devices' power elements
Anotace práce: Práce se zabývá systémy chlazení spotřební elektroniky,technologiemi těchto systémů a má přesah i do aplikační roviny.Práce může být rovněž využita jako příručka jak pro pro domácíuživatele, tak pro profesionály v oblasti servisních služeb. Hlavnímpřínosem práce je obecné shrnutí problematiky chlazení spotřebníelektroniky a aplikace teoretických znalostí do praxe.
Klíčová slova: Chlazení, tepelná výměna, chladiče (aktivní, pasivní), elektronika,výpočetní technika.
Anotace v angličtině: This writing deals with different methods of cooling electronicsystems, their applications and practical usage. This work can alsobe used as a study reference or a guide book for maintenanceprofessionals. This work's aim is to summarise the theoreticalknowledge of cooling systems and to present different methods oftheir application.
Klíčová slova v angličtině:
Cooling, thermal exchange, heatsinks, , consumer electronics
Přílohy vázané v práci: Příloha 1:
Naměřená data z měření v oddíle 5.2.2
Příloha 2:
Naměřená data z měření v oddíle 5.2.3
Rozsah práce: 92 stran
Jazyk práce: čeština
Obsah
Úvod..................................................................................................7
TEORETICKÁ ČÁST........................................................................91 Základní pojmy, fyzikální podstata chlazení.....................................................9
1.1 Účel a cíle chladících systémů........................................................................91.2 Vysvětlení používaných pojmů......................................................................10
2 Teoretický úvod do chladících systémů............................................................172.1 Přehled požadavků na chladící systémy........................................................17
2.1.1 Požadavky na prostor...............................................................................................172.1.2 Požadavky na hlučnost..............................................................................................172.1.3 Požadavky na bezúdržbovost...................................................................................182.1.4 Požadavky na hmotnost............................................................................................182.1.5 Koncentrace tepelných zdrojů v systému a vliv na okolí.......................................192.1.6 Prevence poruchových stavů (failure management)..............................................202.1.7 Požadavky na provozní prostředí............................................................................21
3 Přehled netradičních metod chlazení................................................................233.1 Vodní chlazení...............................................................................................233.2 Kompresorové chlazení.................................................................................273.3 Málo časté metody chlazení..........................................................................29
3.3.1 Chlazení ponorem do kapaliny (submerge cooling)...............................................293.3.2 Chlazení kapalným dusíkem....................................................................................303.3.3 Pevný CO2 – suchý led..............................................................................................31
4 Chlazení vzduchem.............................................................................................324.1 Pasivní chlazení.............................................................................................33
4.1.1 Pojem: pasivní chladič..............................................................................................334.1.2 Uchycení chladičů......................................................................................................37
CPU chladiče..................................................................................................................37GPU chladiče..................................................................................................................40Chlazení chipsetu............................................................................................................41Elektronické součástky diskrétní ....................................................................................42
4.1.3 Materiál......................................................................................................................42Měď.................................................................................................................................42Hliník...............................................................................................................................42Stříbro..............................................................................................................................43
4.1.4 Tvar.............................................................................................................................444.2 Aktivní chlazení.............................................................................................46
..............................................................................................................................................464.2.1 Ventilátory..................................................................................................................47
Uložení rotoru.................................................................................................................47Tvary a výkon ventilátorů................................................................................................50Vyvážení rotoru................................................................................................................53Účel.................................................................................................................................53Dimenzování průtoku......................................................................................................54Ochranné mřížky.............................................................................................................55
5
Prachové filtry.................................................................................................................554.2.2 Alternativní aktivní prvky pro vzduchové chlazení...............................................57
Elektrostatické vzduchové pumpy....................................................................................57Piezoelektrické vějíře......................................................................................................59Piezoelektrické komory...................................................................................................60
4.2.3 Doplňky vzduchového chlazení................................................................................62Heatpipe..........................................................................................................................62Teplovodivé pasty............................................................................................................64Regulace výkonu aktivního chlazení...............................................................................67Akcelerátor chlazení – Peltiérův článek..........................................................................70
Aplikační část.................................................................................735.1 Praktický rádce pro údržbu chlazení elektronických zařízení....................74
5.1.1 Metodika využitelná v organizacích...........................................................745.1.2 Shrnutí pro běžné uživatele........................................................................765.1.3 Nejčastěji řešené problémy.........................................................................77
5.2 Simulace problémových stavů chladícího systému.......................................805.2.1 Popis měřící sestavy...................................................................................815.2.2 Simulace selhání funkce ventilátoru v plné zátěži systému.......................835.2.3 Srovnání výsledných teplot při použití nového a opotřebovaného ventilátoru............................................................................................................85
Závěr práce.....................................................................................87
Využité zdroje.................................................................................88
Přílohy.............................................................................................92
6
Úvod
Technologie chlazení prodělaly největší rozvoj v první dekádě 21. století. Tyto technologie souvisí
velmi úzce s elektronikou a výpočetní technikou. Vzhledem k prudkému vývoji technologií,
jenž daly v druhé polovině 20. století oboru výpočetní techniky vůbec vzniknout a vzhledem
k pokroku dosaženému v tomto oboru (kdy se výpočetní zařízení podařilo dostatečně
miniaturizovat) se nyní setkáváme s těmito přístroji v každodenním životě. Málokdo si však
uvědomí, že elektronika uvnitř jeho tabletu, notebooku, zesilovače v reproduktorech u PC, televize,
routeru či alarmu vyžaduje vůbec nějaké chlazení. Pokud však bude řeč o problematice chlazení
klasické výpočetní techniky, kde je potřeba nejvíce, vývoj na tomto poli neustal do dnes. Proto
se touto oblastí zabývá jak základní, tak aplikovaný výzkum. Neutuchající poptávka po stále vyšším
výpočetním výkonu s sebou přinesla dva dlouhodobé úkoly pro výzkumníky zabývající se návrhy
systémových celků.
Prvním z těchto úkolů je miniaturizace výrobního procesu polovodičových integrovaných
obvodů, což je pro výrobce, s ohledem na náklady na modernizaci výrobního procesu, velmi
nákladný proces. Investované náklady jsou však vykoupeny možností dosáhnout vyšších frekvencí
čipů, vyššího výpočetního výkonu, vysokých úspor po stránce energetické i ekonomické, snížení
výrobních nákladů a to jak samotných čipů, tak i systémů, ve kterých se budou používat. Je tak
možné zmenšovat i rozměry a hmotnost chladičů, je možno integrovat více zařízení do jediného
čipu – v posledních deseti letech bylo možné pozorovat přechod od 150nm technologie
až k technologii 22nm, což se stalo podkladem pro rozvoj např. i chytrých telefonů a rychlých
mobilních sítí.
Druhý úkol spočívá ve vývoji nových, menších, lehčích, efektivnějších a v neposlední řadě
také levnějších metod chlazení. A sumarizace právě této poznatkové báze je cílem této práce.
Předložená práce je rozčleněna do dvou hlavních částí. První část, teoretická, pojednává
o teorii chladících systémů. Cílem této části práce je seznámit čtenáře s pochody probíhajícími
uvnitř zařízení, jejichž údržba je v praxi často zanedbávána. V této části jsou čtenáři nastíněny
fyzikální pochody v oblasti termomechaniky. V návaznosti na vysvětlení těchto jevů následuje
analýza problémů, jenž je nutno vzít v úvahu při řešení chlazení elektronických zařízení
(např. vlastnosti nelineárních prvků, atp.). Dále jsou v této části představeny současné chladící
technologie používané ve světě spotřební elektroniky, taktéž je podrobněji popsán jejich princip
a fyzikální děje odehrávající se při používání daných metod.
Druhá, aplikační část je zaměřena praktičtěji. V této části práce je prokazováno,
7
že informace popsané v první části práce jsou založeny na reálném základu, popsány jsou některé
problémy z praxe, ověřován je potenciál jejich nebezpečnosti a z těchto informací jsou vyvozeny
důsledky. Cílem aplikační části práce je vytvoření prakticky použitelného textu zaměřeného
na oblast údržby elektronických zařízení laickými uživateli.
Práce je psána srozumitelnou formou za využití aktuálních informačních zdrojů tak, aby
mohla být použita jako referenční příručka jak pro běžného spotřebitele, tak např. i pro učitele
informatiky za účelem šíření obecného povědomí o důležitosti této problematiky pro zajištění
spolehlivého provozu elektronických zařízení a bezpečnosti uživatelů při jejich používání.
8
TEORETICKÁ ČÁST
1 Základní pojmy, fyzikální podstata chlazení
1.1 Účel a cíle chladících systémů
Veškerá výpočetní technika se potýká s jedním majoritním problémem. Energie, jenž není v zařízení
zužitkována ve formě energie magnetické (cívky, disky, atp.), či světelné (displeje, kontrolky)
se přemění v energii tepelnou, která, aby se neakumulovala, musí být odvedena mimo zdroj tohoto
tepla.
Za tímto účelem je využíváno různých metod chlazení:
Standardní metody
• vzduchové chlazení
◦ komponenta – blok – vzduch
• vodní chlazení
◦ komponenta – vodní blok – voda – radiátor – vzduch
• kompresorové chlazení
◦ komponenta – výparník – stlačené médium (→ odpar) – radiátor – vzduch
Alternativní metody
• kapalinové ponorné chlazení (submerge cooling)
◦ komponenta – vzduchový blok – kapalina
▪ (možnost instalace dochlazování kapaliny – probublávání vzduchu, „vodopád“,
přídavné radiátory, atp.)
• ztrátové metody
◦ komponenta – dusík
◦ komponenta – suchý led
9
Akcelerace chlazení zvýšením teplotní diference
• komponenta – Peltiérův článek – standardní metody
• klimatizace či free cooling – ochlazení přívodního vzduchu k vzduchovým chladičům
Výše uvedený výčet metod chlazení demonstruje platnost zákonů termodynamiky, tzn. že bez
ohledu na zvolenou metodu je, dříve či později, odvedené teplo vždy předáno zemské atmosféře.
Vzhledem k reálně nevyčerpatelné tepelné kapacitě zemské atmosféry (neustále vyzařuje teplo
do kosmu) je pro naše účely podstatné to, jak rychle a efektivně dokážeme toto teplo odvést
od kriticky se přehřívající komponenty.
1.2 Vysvětlení používaných pojmů
Pro účely této práce budou níže definovány základní pojmy.
Teplo
„Teplo je část vnitřní energie, kterou si systém vymění (tj. přijme nebo odevzdá) při styku s jiným
systémem, aniž by přitom docházelo ke konání práce. Mluvíme o tepelné výměně. Teplo je fyzikální
veličinou popisující změnu termodynamického stavu systému, nikoli stav samotný.“
Měrná tepelná kapacita
„Měrná tepelná kapacita udává, jaké množství tepla je třeba dodat jednomu kilogramu látky, aby
se její teplota zvýšila o jeden stupeň Celsia (resp. o jeden kelvin).“ 1
Q=m⋅c⋅Δt
Vzorec popisuje množství tepla „Q“ potřebné k ohřátí tělesa o hmotnosti „m“ a měrné tepelné
kapacitě „c“ o teplotní diferenci „Δt“.
Pro účely chladících systémů je tato veličina podstatná hlavně kvůli svému vlivu na tzv. tepelnou
setrvačnost chladiče. Tepelná setrvačnost má praktický význam při návrhu přechodových stavů
1 Měrná tepelná kapacita. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online]. 2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/578-merna-- tepelna-kapacita
10
algoritmu sloužícího k regulaci výkonu chladícího systému. Automatika regulace chlazení bývá
většinou založena na detekci okamžité teploty jednotlivých prvků a tak se může snadno stát,
že chlazení běží na minimální výkon, zatímco tepelný zdroj mezitím svůj výkon prudce zvýšil.
Energie se tak akumuluje v komponentách chladícího systému a ten pak reaguje se zpožděním,
které musí za cílem dosažení optimální teploty kompenzovat vlastním zvýšeným výkonem. Tato
výkonová špička se může projevit, v závislosti na typu chlazení, jako velmi nežádoucí.
Cestou k řešení tohoto problému se proto jeví predikce tepelného výkonu a okamžitá,
mírnější, reakce chladícího systému. Problémem při tomto návrhu však zůstanou výkonové špičky,
jenž jsou v reakci systému podle teploty prvků dobře ošetřeny. Optimálním řešením je zavedení
provozních režimů, ze kterých si může uživatel vybrat – prediktivní vs. okamžitý. Zdroje se však
nezmiňují, že by takovýto prediktivní systém byl v oblasti spotřební elektroniky někde používán.
11
Tepelná výměna
Přenos vnitřní energie z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou se může uskutečnit třemi
způsoby (ilustrovány obrázkem č. 1):
• Vedením (conduction)
◦ tzn. přímým fyzickým kontaktem těles, mezi jimiž je teplo rozváděno;
• Prouděním (convection)
◦ v případě pevných látek spočívá tento způsob v proudění cizího média (plynu, kapaliny)
mezi dvěma body s nenulovým teplotním spádem;
◦ v případě kapalin nebo plynů může dojít k tepelné výměně i jejich mísením;
◦ vzduchové chlazení: rozložení komponent a přívodu vzduchu, vzájemný vliv komponent
– ohřívání chladičů v rámci jednoho systému;
◦ vodní chlazení – proudění kapalného média systémem;
• Zářením (radiation)
◦ vyzařováním elektromagnetických vln, nejčastěji v infračerveném spektru;
◦ pro účely této práce je vliv přenosu tepla zářením zanedbatelný.
2
2 Vnútorná energia. O škole [online]. 2010 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=6254
12
Obr. 1: Metody tepelné výměny 2
Tepelná vodivost
Tepelná vodivost je fyzikální veličina popisující rychlost šíření tepla z jednoho bodu látky
do jiného, vždy ve směru od teplejšího k chladnějšímu. Je to schopnost materiálu vést teplo.
„Vedení si lze představit např. na kovové tyči délky d, na jejíchž koncích je udržován stálý teplotní
rozdíl ΔT. Předpokládejme, že teplota klesá rovnoměrně od teplejšího konce k chladnějšímu.
VýrazΔTd
značí teplotní spád (teplotní gradient). Teplo Q, které projde za těchto podmínek
libovolným kolmým průřezem S tyče za dobu, je rovno Q= λSΔTd
τ kde λ je součinitel tepelné
vodivosti: [ λ]=W
m⋅K.“ 3
Více o praktickém významu je možno nalézt v části práce zabývající se materiály pasivních
chladičů a heatpipe.
Teplotní spád
Rozdíl hodnot teploty chladiče a chladícího média v jeho prostoru. Cílem při návrhu chlazení je
zajištění co nejlepšího teplotního spádu. S rostoucím teplotním spádem roste rychlost tepelné
výměny. Výpočet je uveden v předchozím odstavci.
3 Přenos vnitřní energie. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online]. 2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/582-prenos--vnitrni-energie
13
Přechodový tepelný odpor
Pokud jsou k sobě přiloženy dva zdánlivě rovné materiály, z námi viditelné plochy je doopravdy
spojen pouze její malý zlomek, a to vlivem mikroskopické drsnosti obou povrchů. Jak vypadá
reálný spoj dvou povrchů je ilustrováno na obrázku č. 2. Tepelná výměna vedením (znázorněna
šipkami) pak může probíhat pouze v místě přímého styku povrchů. Praktická aplikace tohoto
principu vede k požadavku na dokonalé vyleštění základny chladiče – detaily jsou popsány v oddíle
o tvarech pasivních chladičů.
4
Tepelně-elektrické vlastnosti polovodičů – nelinearita PN přechodu
„Křemík krystalizuje v diamantové struktuře, tj. plošně centrovaná kubická soustava. Na uvolnění
elektronu z této kovalentní vazby je zapotřebí energie, která překoná vazebnou energii Ev = 1,1 eV.
Tuto energii musí elektron získat najednou. [...] Kladné ionty krystalové mřížky neustále kmitají
kolem svých rovnovážných poloh. Díky tomuto pohybu může elektron získat energii, která stačí
na překonání energie vazebné. Při pokojových teplotách (T ≈ 300 K) je energie tepelných kmitů
E = 0,025 eV a uvolňuje se tedy tímto způsobem velice málo elektronů. S rostoucí teplotou se však
jejich počet zvětšuje.“ 5
Výše popsaný jev se nazývá „vlastní vodivost polovodičů“. Vysvětluje, že polovodičový přechod
PN vykazuje s rostoucí teplotou úbytek odporu způsobený zvýšením pravděpodobnosti uvolnění
elektronů z vazeb. Pokles odporu s rostoucí teplotou je paradoxní oproti běžným vodičům.
Ilustrujme si tento příklad na srovnání V-A charakteristik žárovky a diody. Zatímco
v případě žárovky dochází se zvyšující se teplotou k nárůstu odporu (tzn. dle vzorce I = U/R)
4 Thermal contact resistance. Thermopedia [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.thermopedia.com/content/1188/?tid=110&sn=24 5 Vlastní polovodiče. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online]. 2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/262-vlastni--polovodice
14
Obr. 2: Znázornění příčiny přechodového teplotního odporu 4
a tudíž se při průchodu zkratového proudu rozžhaví na pracovní teplotu, na které se vlivem
zvyšujícího se odporu stabilizuje, v případě diody dochází s rostoucí teplotou k poklesu odporu
a tudíž v přímé návaznosti i ke zvětšování proudu, což vede k nárůstu ztrátového výkonu,
exponenciálnímu růstu teploty (→ exponenciálnímu růstu proudu) a po dosažení mezních hodnot
obou veličin k nevratné destrukci součástky vlivem tepelného průrazu PN přechodů.
Každá elektronická součástka má proto výrobcem stanovené úzké rozmezí pracovních
teplot, při jehož překročení směrem nahoru dojde buď k nezvratné destrukci součástky či, v tom
lepším případě, zafungování ochranných systémů. Toto rozmezí hraje při dimenzování chlazení
klíčovou roli.
Teplotní délková roztažnost a mechanické vlivy
Teplotní délková roztažnost, vzhledem k faktu, že plocha čipu není homogenním zdrojem tepla, je
zdrojem pnutí v čipech. Přestože se výrobci snaží tzv. horká místa (hot spots) při návrhu čipu
eliminovat, vždy se nějaké pnutí v čipu vyskytuje. Čipy jsou taktéž neustále pod přítlakem chladiče
a místy i mechanického namáhání ze strany uživatele (příklad – pád běžícího notebooku
na podlahu, prohýbání základní desky, atd.). Vzhledem k rozsáhlému používání křehkých
bezolovnatých pájek tak, hlavně u rozměrných čipů (jako např. grafických), může časem dojít
k uvolnění kontaktů typu BGA (ball grid array).6 Takto uvolněné čipy jsou typickou příčinou náhlé
smrti notebooků či grafických karet se špatně navrženým chlazením. 7 Nepříznivý vliv teplotní
délkové roztažnosti může koncový uživatel omezit údržbou chladícího systému (odstraňováním
akumulovaného prachu). Jev teplotní délkové roztažnosti získává na důležitosti hlavně při
hraničním přehřívání čipů.
TDP vs. SDP
Jedním z nejdůležitějších faktorů pro návrh chladícího systému je tepelný výkon chlazené
komponenty, označovaný hodnotami TDP (Thermal Design Power, dále jen TDP) a SDP (Scenario
Design Power, dále jen SDP). Tyto zkratky nejsou ani tolik používány ve vědecké sféře jako
ve sféře komerční – setkat se s nimi lze hlavně při procházení specifikací konkrétních výrobků.
6 Thermal Expansion of Ball Grid Arrays. Dantec Dynamics: Laser Optical Measurement Systemsand Sensors [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.dantecdynamics.com/thermal-expansion-of-ball-grid-arrays 7 HARE, Ed. SEM LAB INC. Failure Analysis of BGAs. 2007. Dostupné z: http://www.semlab.com/failureanalysisofbgas.pdf
15
Jedná se o hodnotu tepelného výkonu – hodnotu, jenž je prakticky rovna spotřebě komponenty
samotné, jelikož elektrická energie se v těchto typech obvodů nemění na žádnou jinou formu, než je
teplo (zanedbáme-li elmag. emise, ty se však ve stínění stejně přemění v teplo).
Hodnoty TDP a SDP by měly být běžně udávány výrobcem dané komponenty. Zatímco
hodnota TDP, známější oproti SDP, udává, jaký tepelný výkon má komponenta při maximálním
proudovém zatížení na své maximální provozní teplotě a tudíž i proudu jím protékajícím, hodnota
SDP vyčísluje hodnotu tepelného výkonu, jenž komponenta produkuje ve středu doporučeného
teplotního rozsahu, taktéž při maximálním proudovém zatížení.8
Kombinací těchto dvou faktorů jsme schopni chlazení nadimenzovat: systém musí při svém
maximálním zatížení zvládnout zpracovat minimálně TDP (více v části o failure managementu),
zároveň je však dostatečné, zvládne-li uchladit plně zatíženou komponentu (stabilizovat její teplotu)
na teplotu ležící maximálně na horní mezi provozního rozsahu (avšak s omezeným výkonem
chlazení, což nám např. u vzduchového chlazení umožňuje snížit hlučnost a spotřebu chladícího
systému).
8 Ars at CES 2013 Power saving through marketing: Intel’s “7 watt” Ivy Bridge CPUs. ARSTechnica [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://arstechnica.com/gadgets/2013/01/power-saving-through-marketing-intels-7-watt-ivy-bridge-cpus/
16
2 Teoretický úvod do chladících systémů
Vznikne-li při návrhu elektronického zařízení potřeba chladit součástky, je potřeba vzít v potaz řadu
protichůdných požadavků. Vzhledem ke složitosti návrhu chladícího systému se totiž málokdy
setkáme s řešením, jenž by splnilo bez kompromisů všechny požadavky výrobce i koncového
uživatele.
Volba metody chlazení závisí primárně na zařízení, jež hodláme chladit. Samozřejmě
se budou lišit systémy pro chlazení čipů v mobilních telefonech, výkonových stupňů v zesilovačích
či řídících systémů v automobilech. Každá aplikace klade na chlazení jiné nároky, které vycházejí
z požadavků, jenž budou rozebrány v následujících odstavcích.
2.1 Přehled požadavků na chladící systémy
2.1.1 Požadavky na prostor
Pro chlazení výkonných systémů lze v teoretické rovině navrhnout parametricky výkonný systém,
který zajistí dokonalý odvod tepla z jednotlivých komponent elektronického systému. Je však
všeobecně známo, že praktické řešení se od teoretického návrhu téměř vždy značně liší. Při návrhu
chlazení je tak ku příkladu nutné brát v potaz prostor nutný jak pro instalaci chlazení, tak i pro jeho
správnou funkci. Výkonnější vzduchové chladiče mívají větší rozměry a přesahují tak prostor,
se kterým se počítalo při vývoji chlazení původního, kdy tvůrce chlazeného systému
nepředpokládal, že se uživatel někdy rozhodne vyměnit chladič za rozměrnější. Problém, se kterým
nezkušený člověk nemusí počítat, představují součástky v okolí chlazené komponenty. Je proto
vždy na místě ověřit si před návrhem či koupí hotového řešení – byť pro standardizovaný socket –
všechny rozměry.
2.1.2 Požadavky na hlučnost
Další podstatný faktor, který rozhodne o výsledné podobě chladícího systému je limit jeho
hlučnosti. Pro energeticky nenáročné systémy postačuje absolutně neslyšné pasivní chlazení.
Jedná-li se o požadavek na tiché chlazení vyšších výkonů, je zapotřebí použít buďto
sofistikovanější, větší a těžší chladiče v případě chlazení vzduchového, či naprosto jinou metodu
chlazení. Tyto budou rozebírány v příslušných kapitolách.
17
2.1.3 Požadavky na bezúdržbovost
Přenesme se na chvíli do korporátního světa počítačů. Počet pracovních stanic, za které je přímo
zodpovědný jediný správce, se dá odhadovat na stovky. Po prvotní instalaci lze jejich softwarovou
výbavu s dnešními technologiemi spolehlivě spravovat hromadně a na dálku, aktualizace se již
většinou provádějí naprosto nezávisle jak na uživateli, tak na administrátorech, což značně
zeštihluje nároky správu koncových zařízení pouze na hardwarovou část. Údržbu hardwaru však
za administrátora žádný program neprovede a ta tak představuje při obrovském množství počítačů
časově velmi náročnou činnost. Příčinou této náročnosti je hlavně prach.
Údržba je potřeba nejvíce tam, kde se nacházejí jakékoliv pohyblivé mechanické součástky.
V případě vzduchového chlazení se jedná hlavně o ventilátory, u kterých je třeba zajistit čistotu
ložisek a lopatek. Za podmínky, že volíme chlazení vzduchové aktivní (valná většina případů)
a žádáme od něj spolehlivý chod, je vhodné použít ventilátory určené pro tyto účely. Jak je možné
vyčíst v kapitole o aktivním chlazení, nejmenší teoretickou životnost mají ventilátory s ložiskem
kluzným, největší naopak s ložiskem keramickým či rovnou žádným; tím mám na mysli ventilátory
typu mag-lev, které drží pohromadě magnetické pole a postrádají tak komponenty, kde by
docházelo ke tření a s tím spojenému mechanickému opotřebení. Opotřebení ložisek však
představuje pouze část problému.
Vzhledem k výše uvedeným faktům bude tedy administrátor pravděpodobně usilovat
o vytvoření systému, jenž omezí zanášení prachem (a tudíž i náročné servisní zásahy) na minimum.
Toto řešení spočívá v zavedení preventivních opatření (např. výměnných nasávacích filtrů,
statických mřížek, atd.), které odstraní samotnou příčinu všech problémů a zesnadní údržbu celého
systému z práce na několik desítek minut (rozebrání a pročištění všech komponent PC) na několik
desítek sekund, které zabere vysátí, případně výměna rámečkového filtru. V praxi se taktéž
osvědčilo zavedení systému plánované údržby, kdy po uběhnutí určitého času doporučí
specializovaný software uživateli provedení zběžné prohlídky počítače dle předem určených bodů
(např. kontrola zanesení sacích filtrů, pohled do vnitřností PC skrze mřížky, kontrola hlučnosti).
Uživatel pak může například porovnat skutečný stav filtru s databází postupů a teprve v případě
zjištění problému požádat administrátora o servisní zásah.
2.1.4 Požadavky na hmotnost
Největší nároky na hmotnost kladou zařízení, která mají být lehce přenosná – mobilní telefony,
tablety, notebooky, atp. Chceme-li však současně, aby toto zařízení mělo velký výpočetní výkon,
neobejdeme se bez dobře vyřešeného chlazení. Právě u mobilních zařízení se však nelze vydat
18
cestou nucené cirkulace vzduchu, jelikož by to představovalo zvětšení rozměrů výrobku, markantní
snížení jeho spolehlivosti a taktéž růst spotřeby elektrické energie a zkrácení výdrže na baterii.
Proto se u ultramobilních zařízení setkáváme pouze s chlazením pasivním a to ve formě svrchních
krytů z lehkých slitin přímo doléhajících na chlazené součástky.
Notebooky jsou na rozhraní mobilních a stabilních zařízení. Rozlišujeme více typů – na trhu
jsou k mání např. ultrabooky, netbooky, designovky, herní notebooky, atp. U herního stroje se klade
důraz především na výkon, nemůžeme od něj proto čekat, že bude při stejných požadavcích
na hlučnost stejně těžký jako netbook. Obecně se však při řešení požadavků na snižování hmotnosti
snažíme využít pokročilé technologie chlazení, jako např. využití heatpipe, materiálů s vysokou
teplotní vodivostí (stříbro) či piezoelektrických vějířů. Chladiče jsou téměř vždy vyrobeny na míru
a je zde kladen důraz na kvalitu opracování výrobku.
2.1.5 Koncentrace tepelných zdrojů v systému a vliv na okolí
Řešením vedoucím k dosažení úspěchu však není pouze dodržení rozměrů a nadimenzování
chladiče na tepelný výkon součástek. Dalším, ne méně významným, problémem je, nakolik
efektivně bude chladič v dané konfiguraci fungovat. Výraznou roli v tomto případě sehrává počet
dalších tepelných zdrojů v okolí chladiče a jejich výkony. Standardně je v praxi používáno aktivní
či pasivní vzduchové chlazení, kdy je studený vzduch proháněn komponentou ohřívaným pasivním
chladičem za pomoci ventilátoru (v případě pasivního řešení skrze pasivní blok vzduch samovolně
proudí); následujících několik řádků bude tedy věnováno primárně těmto řešením.
Pro optimální funkci potřebuje každý vzduchový chladič v systému přísun co největšího
objemu co nejchladnějšího vzduchu. Trend miniaturizace však přináší i svá omezení, je tak nutné
nalézt co nejlepší kompromis mezi rozměry a výkonem zařízení (+ cenou, z čehož vyplývá použití
levnějších systémů s horšími vlastnostmi). Je tedy zákonité, že se při návrhu chladícího systému
nevyhneme faktu, že některý z chladičů bude nasávat již (částečně) ohřátý vzduch. K některým
chladičům tak doráží již ohřátý vzduch a tudíž, vzhledem k podstatě procesu tepelné výměny, není
možné využít jejich plného potenciálu. Míra efektivity vzduchového chladiče závisí na několika
podstatných faktorech, které je možné nalézt v kapitole o vzduchovém chlazení. Pro vyřešení
problému tohoto ražení je tedy vhodné dodržovat několik základních pravidel pro řazení tepelných
zdrojů za sebe ve směru proudění chladícího média (vzduchu, příp. vody).
19
Ve směru proudění je vhodné řadit komponenty:
1. s vysokým tepelným výkonem – pro dosažení největšího teplotního gradientu;
2. nekritické komponenty s nižším tepelným výkonem;
3. s vysokou teplotní odolností.
Výrobci však v praxi aplikují jednoduché, avšak účinné řešení, kdy se do jednoho pasivního bloku
svedou všechny heatpipe z celého systému a je tak dosaženo stejných teplot na všech
komponentách. Je to však vykoupeno nižším tepelným gradientem pro nejnamáhanější komponenty.
V případě diskrétních součástek je taktéž možné setkat se se špatným návrhem rozmístění
jednotlivých komponent na PCB (printed circuit board = deska plošného spoje). Lze jmenovat
např. dlouhodobý vliv teplotně namáhaného rezistoru na citlivý kondenzátor umístěný nad něj.
2.1.6 Prevence poruchových stavů (failure management)
Žádné zařízení není stoprocentně spolehlivé a tudíž je nutno pojistit se pro případ výpadku jejich
funkce. Případná náhlá porucha chlazení kriticky podstatné a teplotně výkonné komponenty by
mohla znamenat třeba i kolaps životně důležitých systémů, na kterých je moderní společnost
závislá. Ať už se jedná o jakýkoliv z nich, nikdo si nechce a nemůže dovolit ostudu ve formě
nefunkčního systému.
Z těchto důvodů se tedy přistupuje k implementaci různých doplňkových systémů, které jsou
z podstaty své funkce preventivní nebo represivní. To znamená, že se již při konstrukci systému
počítá s jeho potenciálním selháním a buďto jej dokáže určitý systém předvídat předem či řeší
až následky již vzniklé havarijní situace.
Mezi preventivní řešení vzniku havarijní situace může být například naddimenzování
chladícího systému, monitorování poměru otáček předpokládaných (kalibrace garantována
výrobcem) k otáčkám reálným, které budou v průběhu životnosti ventilátoru klesat. Dále lze
za preventivní opatření pokládat taktéž evidenci údržby s již výše zmiňovaným systémem plánování
údržby. Pro dokreslení, automobilový koncern VW tomuto mechanismu u svých výrobků říká
„servisní interval“ a jediné vozidlo jich může monitorovat i více najednou či je dynamicky
prodlužovat či zkracovat v závislosti na využívání zařízení.
Mezi represivní opatření řadíme primárně systémy hlídání (watchdog) otáček ventilátoru,
teplot komponent a na ně navázané alarmy. V případě zjištění selhání chladícího systému je taktéž
nutné zavést okamžitá ochranná opatření. Pokud systém není schopen kompenzovat výpadek
20
selhaného prvku, přichází na řadu opatření pro omezení tepelného výkonu komponenty
(CPU: throttling – vkládání prázdných cyklů) a pokud i toto opatření selže, mělo by být
samozřejmé, aby existoval i havarjiní systém pro odstavení celého zařízení při překročení teplotních
limitů. Tyto systémy však potřebují k fungování čidla vstupních hodnot, která nebývají vždy
spolehlivá. Pro kritické aplikace je tak vhodné zálohovat i tato čidla.
2.1.7 Požadavky na provozní prostředí
Vzhledem k náchylnosti elektronických systémů je nutné vzít v potaz jejich nároky na prostředí,
ve kterém mají fungovat. Hlavními faktory, jenž mohou činit potíže, jsou prach, teplotní limity,
vlhkost a změny teploty.
Co se nároků na teplotu a vlhkost provozního prostředí týče, chladící systém na něj musí být
dimenzován. Jinak budeme dimenzovat chlazení pro server, umístěný v prostředí s relativně
konstatní a nízkou vlhkostí, než pro řídící jednotku automobilu, kde může být systém vystaven,
kromě deště a mrazu, během pár minut teplotám od -20 °C do +60 °C, což s sebou může nést
i problémy ve formě teplotní délkové roztažnosti vedoucí ke ztrátě voděodolnosti (vedoucí
k dysfunkci jednotky – typický problém např. specifických sérií Octavia 1.9 TDi).
Vzhledem k nedávným událostem ve firmě Casablanca9 se rovněž zdá jako vhodné
implementovat čidla k hlídání provozního prostředí. Servery firmy Casablanca, jenž poskytuje
svým zákazníkům, mezi kterými lze nalézt i telefonní operátory, služby s garancí 100% dostupnosti,
byly totiž nedávno vyplaveny vodou z prasklého potrubí ve vyšších podlažích budovy, ve které
společnosti sídlí. Na tomto příkladu se ukázalo, že přestože lidé při návrhu počítali se všemi
běžnými hrozbami, objevila se zrovna ta nejnepravděpodobnější a zničila téměř vše. Čidla
represivního systému (hladinové kontakty ve falešném stropě) by pravděpodobně dokázala včas
registrovat nastalý problém, spustit alarmy, nouzově odpojit servery od elektřiny a v případě jejich
zaplavení tak zabránit alespoň jejich destrukci.
Zvláštní požadavky na provozní prostředí jsou kladeny v serverových sálech. V případě
kritičtějších systémů, jako jsou např. servery, mohou hrát prudké změny teploty, teploty nadměrné
či nadměrná vlhkost rozhodující roli v jejich spolehlivosti. V těchto bezprašných místnostech by
měl být vzduch o pokud možno co nejmenší vlhkosti a co nejstabilnější teplotě. Provozovatelé tak
buď chladí menší datacentra vzduchem, jehož teplota je hlídána klasickou klimatizací (což je řešení
energeticky velmi neefektivní, pokud není výstupní teplo využito např. pro vytápění jiných prostor)
9 Casablanca INT druhý den v potížích: po zatopení serverů obnovuje data. Lupa.cz: Servero českém internetu [online]. 2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.lupa.cz/clanky/casablanca-int-ma-problemy-nektere-sluzby-nejsou-dostupne/
21
nebo, v případě datacenter větších, nasadí sofistikovanější řešení.
Doporučované teploty pro serverové místnosti se dosti liší: dle firmy OpenXtra10,
specializující se na monitoring serverových řešení, se optimální teplota pohybuje v rozmezí
20 °C - 22 °C, avšak připouští, že se mohou požadavky zákazníků značně lišit, nikdy by však
neměla teplota klesnout pod 10°C a přesáhnout 28 °C. Google dle vyjádření zdroje11 udržuje
u serverů konstantních 26,5 °C, údajně kvůli nižší spotřebě energie. ASHRACE (The American
Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) doporučuje teploty v rozmezí
25 °C - 27 °C. Dle OpenXtra však většina uživatelů používá teploty 22,5 °C - 24 °C. Doporučená
teplota závisí primárně na počtu serverů a velikosti místnosti, dále však také na propracovanosti
vzduchových rozvodů či požadované odolnosti pro případ krátkodobého výpadku chlazení.
10 Determining the best server room temperature. IT Watchdogs [online]. 2013 [cit. 2014-04-13].Dostupné z: http://www.itwatchdogs.com/environmental-monitoring-news/data-center/determining-- the-best-server-room-temperature-54678311 BURT, Jeffrey. Google Uses Recycled Water to Cool Georgia Data Center. EWeek. 2012, s. 2-2.
22
3 Přehled netradičních metod chlazení
V této části práce bych rád představil několik metod chlazení elektronických zařízení, jenž jsou
v praxi používány. Vyjímku z této kapitoly však tvoří chlazení vzduchové, jemuž bude věnován
podstatně rozsáhlejší prostor v následujícím oddíle. O každé z následujících metod by se dala napsat
samostatná kniha, tento oddíl má však čtenáři posloužit k utvoření ucelené představy o této složité
problematice.
3.1 Vodní chlazení
Vodní chlazení je uzavřený okruh, ve kterém proudí chladící médium (destilovaná voda
s antikorozními přísadami), jenž díky své nesrovnatelně vysoké měrné tepelné kapacitě
(c = 4 200 J·kg-1·K-1 ) zajišťuje rychlý odvod tepla z kontaktních ploch (bloků), které jsou v přímém
kontaktu s chlazenou součástkou. Systém je vysoce modifikovatelný, dobře regulovatelný, velmi
výkonný a především velmi tichý. Jeho hlavními neduhy jsou náročnost na údržbu, z toho
vyplývající nevyhnutelné zásahy uživatele, náchylnost na poškození každého článku řetězce
a v neposlední řadě cena, jenž se může snadno vyšplhat k desetinásobku ceny vzduchového
chlazení (i výše).
Technický popis
„Základem systému je čerpadlo s expanzní nádobou. Ta je v systému pro kontrolu hladiny vody
v okruhu, umožňuje odvzdušnění okruhu (proto se umisťuje do nejvyššího bodu soustavy)
a umožňuje kompenzovat teplotně závislou změnu objemu chladící kapaliny. Čerpadlo saje chladící
kapalinu z expanzní nádoby, vytlačí ji hadicemi k chladicímu bloku, který zprostředkovává tepelnou
výměnu mezi komponentou a chladícím médiem, odtud voda dále proudí do radiátoru, což je
tepelný výměník mezi vodou a vzduchem, kde se voda ochlazuje a vrací se zpět do expanzní
nádoby. Radiátor může být ochlazován vzduchem hnaným ventilátory.
23
Systém sestává z pěti hlavních částí 12:
1. radiátor (tepelný výměník)
2. expanzní nádoba
3. čerpadlo
4. spojovací hadice s uchycením
5. chladicí blok
13
Vodní chlazení se používá hlavně tam, kde je potřeba odvést z chlazené komponenty větší množství
tepla, než je schopen (tak potichu) odvést běžný vzduchový chladič. Systémy jsou vysoce efektivní,
tiché, mají po spuštění okamžitý náběh, umožňují odvést teplo zcela mimo zařízení. Často nalézá
uplatnění při pokusech o extrémní přetaktování, jedná se o chlazení hojně rozšířené především mezi
fanoušky PC-tuningu.
Pro běžné uživatele je chlazení nevhodné především kvůli náročnosti na pravidelnou údržbu.
Jedná se např. o kontrolu hladiny a složení chladícího média, stavu těsnosti hadicových spojů,
pravidelná výměna kapaliny v okruhu, apod.
Nejzranitelnější částí systému jsou pružné spojovací hadice. Ty je možno zakoupit v mnoha
provedeních. Na trhu lze nejčastěji nalézt hadice ze dvou materiálů.
Prvním, vývojově starším, je PVC. To však trpí několika neduhy. Hadice totiž při průchodu
teplé vody získaly tzv. tvarovou paměť, následkem čehož se při manipulaci nezřídkakdy stala
nehoda, protože tyto hadice praskly.
Problém s degradací PVC byl vyřešen s nástupem výrobků ze silikonu. Tyto jsou velmi
pružné, mohou být i průhledné a netrpí paměťovým efektem. Vysoká pružnost si však vybrala svou
daň na jiném místě – hadice již nestačí pouze nasunout na přívody bloku a ponechat je svému
osudu, jelikož by snadno vyklouzly. Proto se oproti dřívějším systémům dnes používá upevňovací
12 A Beginner's Guide For WaterCooling Your PC. Tom's Hardware: The authority on tech [online]. 2007 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/a-beginners--guide- for-watercooling-your-pc,1573-2.html 13 CMS Water Cooling Kit. HighSpeed PC [online]. 1999-2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: www.highspeedpc.com/Merchant2/merchant.mv?Screen=PROD&Product_Code=CMSkit&Category_Code=WatercoolingKits
24
Obr. 3: Vodní chlazení 13
systém na bázi převlečných matic (z angličtiny: fit-in → matice = „fitinky“). 14
V případě nedodržení doporučovaných postupů se uživatel vystavuje riziku poškození
počítače. Pokud totiž vyklouzne nějaká hadice za plného provozu obou systémů (chlazení
i elektronika) z uchycení, je vysoce pravděpodobné, že dojde k masivnímu poškození
elektronických obvodů zkratem způsobeným vodou na plošných spojích.“ 15
Při návrhu vodního chlazení je nutno vzít klást důraz obzvláště na:
• riziko vzniku galvanického můstku mezi jednotlivými částmi okruhu (přísný zákaz
kombinování komponent z různých kovů);
• sjednocení parametrů komponent – volba optimální rychlosti průtoku chladícího média –
nejen malý průtok znamená problém (při velkém průtoku dochází u méně kvalitních bloků
k nedokonalému obtékání ploch);
• dimenzaci teplotní odolnosti komponent;
• kvalitu zpracování chladících bloků;
• potřebný objem expanzní nádoby;
• potřebnou chladící plochu na radiátorech.
Vodní chlazení se doporučuje volit v případě nutnosti chladit tepelně namáhanější komponenty. Volí
se buď z důvodu nesrovnatelně vyšší rychlosti odvodu tepla, kdy by i nejlepší vzduchové chladiče
buďto selhávaly či by nemohly být použity kvůli hmotnosti, rozměrů či koncentraci tepelných
zdrojů a nebo kvůli požadavku na tichost systému.
Typickým příkladem, kdy je vodní chlazení opravdu nutné použít, je stavba PC s více
grafickými procesory. Pokud vznikne potřeba postavit velmi výkonný počítač (náročné simulace,
těžba BitCoinů, atp.) a máme k dispozici software, jenž umí využít jazyka OpenCL, jenž umí dnešní
grafické karty počítat, stavba PC s více grafickými kartami se přímo nabízí. Jak je však možné vidět
na obrázku č. 4, při zapojení grafických karet do režimu Cross-Fire (ATI) či SLI (nVidia) je velmi
snadné zablokovat přísun chladícího vzduchu ostatním kartám a zvýšit tak jejich tepelné namáhání.
Vodní chlazení tento problém elegantně řeší odvedením tepla z tohoto limitovaného prostoru
14 Teoretický i praktický průvodce vodním chlazením. ŠULC, Tomáš. PCTuning.cz [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/27530-teoreticky-i-prakticky-pruvodce-vodnim-chlazenim? start=3 15 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 24-26.
25
a tepelnou výměnou s okolním prostředím na nekritickém místě.
16
Na obrázku č. 4 je možné vidět dvě karty ATI Radeon R290X – max. TDP každé karty je 290 W.
S referenčním chlazením tak máme na malém prostoru koncentrován výkon přesahující 580 W
a téměř zablokované sání vzduchového chladiče karty vpravo, což může snadno ovlivnit teploty
pasivně chlazených komponent v okolí – provozní teplota karty v plné zátěži se běžně pohybuje
okolo 94 °C. 17
16 Radeon R9-290X Crossfire vs GeForce GTX 780 SLI review: Power Consumption. The Guru of3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.guru3d.com/articles_pages/radeon_r9_290x_crossfire_vs_sli_review_benchmarks,4.html17 AMD Radeon R9-290 review – Graphics card temperatures. HAGEDOORN, Hilbert. The Guruof 3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://www.guru3d.com/articles_pages/radeon_r9_290_review_benchmarks,11.html
26
Obr. 4: 2× Radeon R290X v zapojení Cross-Fire 16
3.2 Kompresorové chlazení
Se zařízeními využívajícími principy kompresorového
chlazení se lze setkat denně. Málokdo si však
uvědomuje, že kompresory lze použít i jinak než jen pro
vytápění (tepelná čerpadla) či ochlazování vzduchu
(ledničky, klimatizace). Expandér kompresorového
chlazení totiž můžeme vyvést i do velmi malého
prostoru a chladit tak velmi cíleně i velmi malé
součástky. Ve výpočetní technice se nám, ať už
se rozhodneme chladit cokoliv, vždy se jedná pouze
o malou plochu libovolné výkonové součástky.
„Kompresorový systém se skládá z:
• řídící jednotky (1);
• kompresoru (2);
• tlakového radiátoru (3);
• tlakového vedení (4);
• expanzního bloku (5).
18
Princip funkce
Obrázek 6 názorně popisuje princip funkce kompresorového chlazení. Kompresor dokáže stlačit
speciální chladivo z výchozí plynné do kapalné podoby. Stlačením se kapalina ohřeje. Následně je
vedena tlakovým potrubím do radiátoru (condenser), kde se dostatečně ochladí a odkud je dále
vedena do expanzního bloku. Těsně před vstupem do bloku je médiu snížen tlak, vlivem čehož
se rozpíná a snižuje svou teplotu. V chladícím bloku (evaporator) se navíc vlivem přijetí tepla
18 Prometeia Mach II GT - libo mražené CPU?. Svět hardware: ...vše ze světa počítačů [online]. 2005 [cit. 2014-04-18]. Dostupné z: http://www.svethardware.cz/recenze-prometeia-mach-ii-gt-libo-mrazene-cpu/13016
27
Obr. 6: Součásti systému kompresorového chlazení Prometeia Mach II GT 18
1
2
3
45
Obr. 5: Principiální schéma kompres. chlazení 19
odvedeného z komponenty mění zpět na plyn a odebírá tak vypařováním teplo svému okolí. Tímto
okamžikem je médium opět ve výchozím stavu a je znova odvedeno ke stlačení do kompresoru.
Jak lze z popisu a schématu vyčíst, jedná se o uzavřený tlakový okruh. Z tohoto důvodu je
instalace systému mnohem složitější než v případě vodního chlazení, protože tlakové vedení
chladiva se nesmí moc ohýbat. Systém samotný je však velmi drahý, a to jak na pořízení, tak
na provoz. Má dokonce více nevýhod, než výhod. Jeho jediná praktická výhoda spočívá v možnosti
chladit komponenty na teploty pod bodem mrazu. Kompresory jsou například i při vysoké míře
přetaktování udržet teplotu topícího procesoru na -30 °C. Daní za to je však vysoká hladina hluku,
jenž vydává kompresor, jenž je v provozu neustále, jeho spotřeba a doba potřebná k náběhu
systému. 19
Kompresorové systémy nemají okamžitý účinek jako všechny ostatní typy chlazení.
Při sepnutí hlavního vypínače totiž není uvedena v činnost samotná chlazená elektronika, jak je
zvykem u ostatních systémů, avšak řídící jednotka chlazení. Ta spustí kompresorový chladicí
systém, čeká na dosažení pracovní teploty a teprve poté spustí samotnou elektroniku. Tento proces
„namražení“ může v závislosti na instalovaném výkonu trvat klidně i deset minut.
Kompresorové chlazení není, až na několik málo vyjímek, běžně k sehnání a většinou
se jedná o zakázkově vyráběné soustavy. Ať už se však zájemce rozhodne pro jednu nebo druhou
cestu, vždy dojde k závěru, že cena tohoto systému může i několikanásobně překročit cenu systému,
jenž chceme chladit.
Při práci s chlazením na teploty pod 15 °C (uvažujme práci za pokojové teploty okolí) si
musíme dávat extrémně dobrý pozor na srážení vzdušné vlhkosti v okolí součástek, které operují
na teplotách pod hladinou rosného bodu. Když už se tedy někdo rozhodne toto extrémní chlazení
použít, čeká jej spousta práce na tepelném odizolování chladícího systému a také na elektrické
izolací a impregnací veškeré přilehlé elektroniky pro případ, že by se přes všechna opatření nějaká
vlhkost vysrážela. Kvalita těchto opatření se musí několikrát znásobit v případě použití níže
uvedených metod.“ 20
19 HVAC – The Refrigeration Cycle. HVAC Training [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://hvacbeginners.com/refrigeration-cycle/20 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 28-29.
28
3.3 Málo časté metody chlazení
Krom výše uvedených metod chlazení je možné se setkat s ještě více netradičními metodami, jak
dosáhnout nízkých či alespoň stabilních teplot na komponentách. Přestože má každá specifický
účel, pro běžnou praxi jsou nepoužitelné.
3.3.1 Chlazení ponorem do kapaliny (submerge cooling)
Tuto metodu chlazení lze charakterizovat následovně:
• elektronika s originálním vzduchovým chlazením je ponořena do speciální kapaliny,
nejčastěji speciálního oleje či kapaliny vyrobené přímo pro účely chlazení (3M Novec);
◦ kapalina použitelná pro účely chlazení elektroniky ponorem je elektricky nevodivá,
chemicky velmi stálá, má mazací účinky, vysokou tepelnou kapacitu, je řídká;
• kladeny jsou vysoké nároky na kvalitu kapaliny → nečistoty jako vodní kondenzát,
rozpuštěný CO2, rez, apod. mohou způsobit probíjení a zničení elektroniky;
◦ lze omezit důkladným nalakováním veškeré elektroniky – pouze pro malé instalace;
• teploty komponent stabilní – kapalina má oproti vzduchu řádově vyšší tepelnou kapacitu;
• nedochází k opotřebení mechanických komponent – do ložisek nevniká prach, jsou stále
mazány;
• nemožnost chlazení HDD – vyžadují pro provoz vzduch → HDD mimo kapalinu nebo SSD;
• malé instalace: olej většinou nebývá chlazený, jakmile se zahřeje, teplo není kam odvádět;
◦ chlazení však lze vyřešit
např. probubláváním
vzduchu přímo olejem;
• profesionální použití:
kapalinové ponorné
chlazení pro servery (viz
obrázek 7). 21
21 Press Coverage of the CGGVeritas Installation. Green Revolution Cooling [online]. 2014 [cit.2014-04-14]. Dostupné z: http://www.grcooling.com/press-coverage-of-the-cggveritas-installation/
29
Obr. 7: Servery chlazené speciální kapalinou 21
3.3.2 Chlazení kapalným dusíkem
Pro chlazení dusíkem platí následující:
• jedná se o metodau používanou pro chlazení extrémně přetaktovaných systémů na teploty
pod bodem mrazu – „sub-zero cooling“ (sub-zero = pod nulou);
◦ procesory jsou za těchto teplot vysoce stabilní, mají prakticky nulovou vlastní vodivost,
lze využít i zvyšování napětí nad běžně přípustné meze;
22
• je nutná speciální výbava, komerčně se neprodává – na míru vyrobená nádoba na kapalinu
(viz obrázek 8) obalená tepelným izolantem (nebezpečí dotyku, zabránění masivní
kondenzaci vzdušné vlhkosti, zpomalení varu dusíku);
• náročná příprava elektronických komponent – musí být voděodolné – kondenzace vlhkosti
může způsobit probíjení a zničení komponent;
◦ lakování, obalení plastickými hmotami, zalití do plastu;
• dusík je drahý, metoda je ztrátová, médium vyvaří velmi rychle.
• maximální teplota média: -193°C
22 Core i7 Extreme Overclocking with LN2. Hot Hardware [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://hothardware.com/Reviews/Core-i7-Extreme-Overclocking-with-Liquid-Nitrogen/?page=7
30
Obr. 8: Příprava pro chlazení kapalným dusíkem 22
3.3.3 Pevný CO2 – suchý led
• nutná stejná opatření jako v případě kapalného dusíku
• rozdíl pouze ve fázi média a teplotě
• maximální teplota média: -78°C
31
4 Chlazení vzduchem
Vzhledem k nevýhodám výše uvedených metod chlazení bude přímé chlazení vzduchem v běžných
podmínkách vhodných pro lidský život představovat nejhojněji aplikovanou metodu chladících
systémů. Chlazení vzduchem se používá ve většině případů kvůli nízkým nákladům na výrobu,
údržbu i provoz, avšak kvůli nízkému tepelnému spádu a fyzikálním vlastnostem vzduchu nelze
tyto systémy využít pro chlazení tepelně exponovaných komponent a je tak nutné přistoupit
k využití sofistikovanějších systémů.
Následující text pojednává o metodách využívaných v technické praxi vůbec nejčastěji
a proto právě mu připisujeme největší důležitost a v této práci je mu věnován největší prostor.
PřístupyU chlazení vzduchem rozlišujeme dva hlavní přístupy:
1. pasivní chlazení
2. aktivní chlazení
Pasivní chlazení funguje na principu poklesu hustoty ohřátého vzduchu. O chladič ohřátý
vzduch stoupá vzhůru a vytváří tak v místě kontaktu s chladičem podtlak, který je vyrovnáván
prouděním chladnějšího okolního vzduchu směrem k chladiči. Tímto je zabezpečeno neustálé
ochlazování tělesa chladiče a to do doby, než se buď vyrovná tepelný spád mezi vzduchem
a chladičem (např. ohřátím vzduchu v uzavřeném prostoru na kritickou úroveň) nebo do doby, než
začne chladič produkovat více tepla, než je při daném teplotním spádu schopen odvést.
Aktivním chlazením se rozumí část chlazení řešící problém nedostatečně rychlé cirkulace
vzduchu. V závislosti na rozsahu publikací a autorově přístupu se lze setkat se dvěma přístupy
k definici aktivního chlazení. Některé zdroje uvádí, že aktivní chlazení je pouze doplněk chlazení
pasivního, některé zase tvrdí, že aktivním chlazením rozumíme sjednocení obou prvků do jednoho
celku, tzn. spojení pasivního bloku a systému nuceného proudění skrze a okolo něj se všemi
výhodami i nevýhodami z tohoto spojení vyplývajícími. Takovéto kombinované systémy jsou
v praxi používány nejčastěji.
Pro účely této práce bude, v souladu s výše uvedenou definicí, aktivní chlazení chápáno
jakožto doplněk chlazení pasivního. Aktivním chlazením budou tedy myšleny aktivní prvky
32
vzduchového chlazení sloužící k vytvoření nuceného proudění vzduchu. V současné technické praxi
se jedná nejčastěji o klasické ventilátory, setkat se však můžeme také například s piezoelektrickými
vějíři nebo tryskami (jets), iontovými pumpami či elektricky poháněnými turbínami.
4.1 Pasivní chlazení
4.1.1 Pojem: pasivní chladič
Pasivním chladičem rozumíme kus kovu s hladkou základnou (z profilu na obr. 10 dole) přiléhající
na chlazenou komponentu a žebrováním (obr. 9) o největší možné (potřebné) ploše, zajišťujícím
co nejefektivnější tepelnou výměnu mezi komponentou a vzduchem.
23 24
Pasivní bloky samotné se běžně nasazují do praxe pro chlazení komponent s TDP do cca 30 W.
Při vyšších tepelných výkonech narazíme, dříve či později, na limity pasivní metody:
• nedostatečná rychlost tepelné výměny;
◦ tu způsobuje především kumulace ohřátého vzduchu mezi žebry chladiče, odkud nestíhá
dostatečně rychle uniknout, což způsobuje pokles tepelného spádu a snížení rychlosti
tepelné výměny;
23Радиатор Zalman ZM-NB47J. Hotline.ua [online]. 2007 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://hotline.ua/computer-kulery-i-radiatory/zalman_zm-nb47j/ 24 Zalman ZM-NB47J Northbridge Chipset Heatsink. Frosty Tech [online]. 2007 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.frostytech.com/articleview.cfm?articleID=2236
33
Obr. 9: Pasivní chladič – celkový pohled 21 Obr. 10: Pasivní chladič – pohled z profilu 22
◦ Řešení 1: použití rozměrnějšího chladiče s větší plochou a roztečí žeber + rozvedení
tepla po bloku (např. pomocí heatpipe);
◦ Řešení 2: použití aktivních prvků k vytvoření nucené cirkulace za účelem urychlení
odvodu horkého vzduchu z prostoru chladiče, zvýšení tepelného spádu a urychlení
tepelné výměny;
▪ oproti první variantě velmi vhodné v případě požadavků na minimalizaci zabraného
prostoru;
▪ častěji volené řešení z ekonomických důvodů;
• kumulace horkého vzduchu v uzavřeném prostoru, odkud není vzduch aktivně odváděn;
◦ v tomto případě je chlazení vzduchem nahromaděným v neodvětrávaném prostoru
neúčinné – již není teplo kam odvádět, bylo dosaženo hraniční situace;
▪ nejtypičtější situace: PC uzavřený v neodvětrávané skříňce ve stole – typický
problém ve školních učebnách, kde se počítače zamykají;
◦ Řešení: přemístění celého zařízení, případně použití aktivního prvku k odvětrání
uzavřeného prostoru.
Co se pasivního systému týče, je nutné navrhnout tvar chladícího bloku s důrazem
na omezení aerodynamického odporu chladiče. Minimálního odporu je nutno dosáhnout, aby
vzduch, který se v prostoru chladiče ohřeje, mohl volně odejít vlivem své snížené hustoty, vytvořil
tak podtlak a nasál do chladiče vzduch studený. Pro tento účel se přímo nabízí tvarování žeber
pasivních chladičů do tvaru aerodynamických profilů s náběžnou hranou směrovanou (vzhledem
k faktu, že vzduch horkým chladícím blokem protéká ve směru od země nahoru) směrem k zemi.
Jako pasivní chladič však nemusí sloužit pouze specializovaná součástka jak si ji každý
představíme. Jako chladič může fungovat také například obal celého zařízení. K tomuto účelu však
musejí být skříň či šasi navrženy od samého počátku. Za cílem maximalizace chladící plochy může
být na vnější straně obalu použito i žebrování (PC skříně, zesilovače, zadní části autorádií...).
Spojení komponent s určenými chladícími plochami může být buďto přímé (mobilní telefony) či
nepřímé – pomocí heatpipe (notebooky, pasivní PC,...). Plochy samotné jsou taktéž nezřídkakdy
propojeny navzájem mezi sebou pro kompenzaci teplotních rozdílů vznikajících kvůli rozdílným
tepelným výkonům různých komponent. V případě notebooků je samozřejmě nemožné dát uživateli
pod ruce ostré hrany pasivnho chlazení, je však možné vyrobit notebook s lehkých slitin a použít je
34
za pomoci heatpipe pro rozvod tepla do všech částí. Existují již taktéž řešení pro pasivní chlazení
fungující na bázi vyzařování tepla prostřednictvím klávesnice (netbooky). V případě energeticky
nenáročných systémů tak lze vyrobit systém bez jakýchkoliv pohyblivých komponent, což vede
k eliminací nároků na údržbu a tudíž i ke snížení poruchovosti.
Pasivní chladiče se významněji liší v následujících bodech:
• materiál;
• tvar;
• metoda uchycení k chlazené komponentě.
Výše uvedené body mají vliv na koncové vlastnosti produktu, jenž zajímají koncového zákazníka,
předurčují tak úspěšnost produktu a mezi které patří například:
• výkon a účinnost chladiče;
• mechanická odolnost;
• hmotnost;
• výrobní náklady → cena.
Heatspreader
Kromě klasických pasivních bloků se můžeme setkat
také s jinými, velmi specifickými druhy pasivních
chladičů. Jednou z těchto skupin jsou
tzv. heatspreadery – chladiče bez žeber. Slouží pouze
pro rozprostření tepla do o něco málo větší plochy, než
má chlazená komponenta, avšak stále klade důraz
na rozměry. Nejlépe viditelné jsou na procesorech či
grafických čipech, u diskrétních součástek (např.
výkonové MOS-FETy) slouží jako heatspreader přímo
jejich obal, ilustrujme si však tento příklad na jádrech
výpočetních jednotek. 25
V praxi je nejčastěji možné setkat se
25 Application Instructions for Premium Silver Thermal Compound. Arctic Silver [online]. 2001[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://bis.midco.net/dweigu/application_instructions_for_pre.htm
35
Obr. 11: Porovnání procesorů s a bez integrovaného heatspreaderu 25
s heatspreadery vyrobenými z měděného či hliníkového plechu, což například pro chlazení čipů
paměťových modulů (většinou) plně postačuje, avšak důvod, jenž vedl k opravdu masovému
použití heatspreaderů je jiný. Při pohledu do sbírky procesorů pana Jiřího Sedláčka (Kobeřice) je
zřejmé, že v době vydání Pentií 2 a hlavně procesorů Athlon a Duron série K6 si výrobci procesorů
začali uvědomovat, že jejich procesory již nezvládnou kvůli svému tepelnému výkonu chladit
v pevných kovo-keramických pouzdrech (krom jiného také drahých na výrobu) a přešli tedy
na výrobu mikroprocesorů v pouzdrech PGA a později FC-PGA. V případě FC-PGA se jednalo
o zcela odhalené jádro CPU zalité v epoxidu vyleštěné do co nejhladší podoby. Tyto čipy se již daly
taktéž relativně dobře přetaktovat a tak uživatelé v honbě za výkonem, kterého nebyl nikdy
dostatek, přicházeli s novými metodami, jak dokonaleji uchladit vroucí čipy. Hliníkové referenční
chladiče, vzhledem ke svým vlastnostem uvedeným níže, sice stačily na uchlazení procesoru
v továrním nastavení, avšak po přetaktování byly svým designem již nedostačující – v módě byly
malé levné chladiče s malými vysokootáčkovými ventilátory. Uživatelský komfort při jejich
používání byl sice nulový, avšak vzhledem k hlučnosti tehdejších pevných disků se tímto
problémem výrobci nebyli nuceni zabývat.
S novými pouzdry se u levných chladičů projevil problém tepelné vodivosti hliníku,
docházelo tak k situacím, kdy žebra chladiče zůstala, oproti kriticky se přehřívajícímu jádru CPU,
relativně chladná. Plocha, ze které bylo nutno odebírat veškeré teplo, byla totiž v porovnání
s předchozími verzemi procesorů nesrovnatelně menší a teplo se v chladiči, vlivem nedostatečné
měrné tepelné vodivosti materiálu, lokálně kumulovalo. Tento problém se dá elegantně vyřešit –
použitím měděného jádra a kruhového chladiče nebo
vložením tenkého stříbrného plíšku mezi chladič
a procesor. Díky vysoké tepelné vodivosti stříbra
(418 W·m-1·K-1) bylo možné docílit efektivního
rozprostření tepelného toku na větší plochu a tudíž
i lepšího odvodu tepla hliníkovým chladičem. 26
Jelikož uživatelé nejsou vždy 100% zruční
a docházelo často k poškození jader CPU při montáži
chladičů (běžná chyba při montáži chladičů na AMD
Duron / Athlon – ulámané rohy jader), přistoupili
výrobci (přibližně od roku 2002) k výrobě
desktopových CPU přímo s továrně osazenými
26 Overclocking Intel's Wolfdale E8000. Tom's hardware: The authority on tech [online]. 2008 [cit.2014-04-14]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/wolfdale-steroids,1777-6.html
36
Obr. 12: Procesor: odtržené jádro 26
heatspreadery, jenž do dnes poskytují výpočetním jádrům ochranu před poškozením. Tyto
heatspreadery se označují zkratkou IHS – integrated heatspreader.Z ekonomických důvodů výrobci
ořezávají výrobní náklady všude, kde je to možné a v tomto případě vyrábí heatspreadery nejčastěji
z mědi či jiných běžně dostupných materiálů. To častěji představuje problém, než výhodu – levné
„heatspreadery“ totiž rozvádí teplo pomaleji, než by to dokázala základna moderního kvalitního
chladiče. Na rohraních jádro-IHS a IHS-chladič taktéž vznikají, vlivem nedokonalosti spoje,
přechodové odpory – brzdy procesu tepelné výměny. Právě kvůli těmto přechodům se ve světě
PC-tuningu můžeme setkat s uživateli, kteří IHS z procesorů bez okolků odstraní a s nimi i 2
přechodové odpory. Tato operace však může být pro procesor nebezpečná, je zde riziko zničení
procesoru v případě, že je heatspreader na jádro přilepený a uživatel se jej pokusí odstranit silou –
v závislosti na konstrukci čipu může dojít k poškození či dokonce odtržení jádra – výsledek je
vyobrazen na obrázku 12.
4.1.2 Uchycení chladičů
Každý chladič se k chlazené komponentě uchycuje jiným, pro danou aplikaci specifickým,
mechanismem, jenž se odvíjí primárně od potřeb výrobce. Vzhledem k faktu, že s typickým
(a v případě CPU i celkem dobře standardizovaným) pasivním chlazením se setkáme nejčastěji
u osobních počítačů, v následujících odstavcích budou ilustrovány rozdíly v uchycení běžných
chladičů na hlavních komponentách standardního PC – CPU, GPU a chipsetu.
CPU chladiče
Procesory osobních počítačů jsou výměnné komponenty s různými parametry, různým výpočetním
a tepelným výkonem. Moderní CPU je možné členit podle tzv. socketů. Socket je standardizované
rozhraní na základní desce, do kterého se procesor vkládá a pomocí jehož je zajištěna komunikace
mezi čipem samotným a ostatními částmi základní desky. Každý socket má krom svých signálních
specifikací taktéž standardizované rozměry a způsob, kterým se kotví chladiče k procesorům
do socketů vloženým. Diametrální rozlišnost mezi kotvícími mechanismy můžeme spatřit například
mezi řešeními firem Intel a AMD.
37
Zatímco firma Intel prosazuje řešení, kde se do předvrtaných děr v základní desce zatlačí
jednocestné zajišťovací kolíky chladiče (obrázek 13), konkurenční AMD využívá inovovaného
systému nožiček z tvrzeného plastu a upínacích spon na tělese chladiče (obrázek 14). Oproti
minulosti, kdy byly záchytné háčky jednolitou a nevyměnitelnou součástí patice (obrázek 15),
bývají dnes umístěny na vyměnitelném rámu
obklopujícím celou patici. Na některých základních
deskách lze nalézt na rámečku háčky na každé straně
rovnou tři. Je to z toho důvodu, že působí-li na jeden
háček dlouhou dobu velká zátěž, může dojít
až k jeho zlomení a, vzhledem k montážní poloze
základních desek (deska vertikálně, chladič
v horizontální ose), upadnutí chladiče. 27 28 29
Pokud chladič disponuje nezvykle silným
kotvícím mechanismem, doporučuje se použít při
instalaci příslušnou deskovou sponu, která se před
ukotvením chladiče umístí na zadní stranu základní
desky, vytvoří tak záchytný bod pro kotvení
27 Beginners Guide: How To Install/Remove Intel Socket LGA1366 CPU and Heatsink: RemovingSocket 1366 heatsinks and processors safely. PC Stats [online]. 2011 [cit. 2014-04-14]. Dostupnéz: http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleid=2385&page=6 28 Beginners Guide: How To Install/Remove AMD Socket AM3 CPU and Heatsink: Installing theSocket AM3 Heatsink. PC Stats [online]. 2012 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleid=2676&page=429 Building Your Own PC, Part 2: Assembly Step by Step. Tom's hardware: The authority on tech[online]. 2002 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/building-pc,518-6.html
38
Obr. 13: Kotvení pro socket Intel 1366 27 Obr. 14: Kotvení pro socket AM3 28
Obr. 15: Socket A 29
chladiče, vyztuží základní desku a zabrání tak jejímu torznímu namáhání, které nezřídka po čase
vyústí až v poškození PCB.
Větší přítlak je pro výrobce chladiče cestou k lepšímu kontaktu s chlazenou komponentou
a tudíž i k lepšímu odvodu tepla. V případě, že tato spona nebude při instalaci chladičů se silným
přítlakem využita, deska se může, i přes její kvalitní upevnění ke skříni, prohnout natolik,
že popraská PCB a dojde tak k znehodnocení jejích elektrických obvodů.
Tento systém lze však kvůli konstrukčních omezení dodatečně namontovat pouze
na deskách pro Intel, u kterých existuje možnost nasadit speciální sponu s maticovými rohy
do originálních děr a následně ukotvit chladič nikoliv pomocí jednocestných kolíčků, avšak pomocí
obyčejných šroubů. U AMD je spona, vzhledem ke konstrukci kotvícího rámečku, buď zbytečná
a nebo je ji prakticky nemožné bez konstrukčních změn jednoduše připevnit, což s sebou nese
omezení pro maximální přítlak chladiče se všemi vyplývajícími důsledky.
Vzhledem k faktu, že pro chlazení procesorů je možné použít i velmi těžké chladiče, které
pak ve standardní skříni formátu ATX visí v horizontální ose kolmo na vertiální plochu desky, je
třeba si dát pozor nejen na namáhání kotvícího mechanismu přímým tahem, ale i na to, že čím vyšší
chladič je, tím delší tvoří páku a tím větší trvalá zátěž působí na kotvící mechanismus.
V extrémních případech je tak nutné, za účelem omezení mechanického namáhání spojovacího
mechanismu, chladič ukotvit kromě patice taktéž na jeho volně visícím vrcholu odlehčovacím
lankem.
39
GPU chladiče
Je všeobecně známo, že grafické karty jsou kvůli svému obrovskému výpočetnímu výkonu jedněmi
z největších konzumentů elektrické energie na poli elektroniky obecně. Jejich ztrátový výkon je
však nutno nějak uchladit. Přestože jsou grafická jádra mnohem větší, než jádra procesorová, mívají
jejich chladící systémy leckdy problém uchladit jimi vyzářený tepelný výkon referenčními chladiči.
A to dokonce i přes fakt, že chlazení GPU jednotek si může, díky svému umístění na dedikované
kartě, dovolit zabrat mnohem větší plochu, než v případě procesorů. Pro porovnání – TDP
v současnosti tepelně nejvýkonnější grafické karty dosahuje až k hodnotě 375 W
(Radeon HD 7990), zatímco v případě procesoru pouze k 125 W v případě AMD Phenom X4 9850,
což je pouhá třetina předchozí hodnoty. Z tohoto důvodu jsou taktéž chlazení grafických karet
(pokud neuvažujeme low-endové modely) ve valné většině postaveny na aktivních systémech. 30
Pro chlazení grafických karet vzduchem
se tak většinou volí systémy zabírající celou
plochu karty. Ty již dnes zabírají nejčastěji prostor
více rozšiřujících slotů, což přináší výhodu
v podobě možnosti odvodu velké části horkého
vzduchu mimo uzavřený prostor počítačové
skříně. Typický příklad takového systému je
vyobrazen na obrázku 16.
Setkat se lze také se systémy využívajícími
rozměrné radiátory, z nichž je teplo aktivně
odváděno právě do prostoru počítačové skříně, což, za podmínky, že uživatel řešil pouze odvod
tepla z grafického čipu a opomenul odvod horkého vzduchu ze systému, představuje při TDP
grafických čipů krajně nedostačující řešení vedoucí k poklesu tepelného spádu na všech chladících
systémech v PC, tepelnému namáhání všech komponent a v případě automatického řízení aktivních
prvků k nárůstu aerodynamického hluku.
V praxi bylo možné setkat i s případy, kdy poddimenzovaný průtok vzduchu ve skříni vedl k tak
výraznému tepelnému namáhání grafické karty, že na ní selhaly buď obvykle špatně chlazené
napájecí stabilizátory či se dokonce odlepilo jádro od PCB. Tato situace však nastala buď
na pasivně chlazených kartách či na kartách chlazených silně opotřebovanými ventilátory.
30 Test chladičů grafik — Accelero Xtreme III a Accelero S1 Plus. PCtuning.cz [online]. 2012 [cit.2014-04-14]. Dostupné z: http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/24698-test-chladicu-grafik-accelero-xtreme-iii-a-accelero-s1-plus?start=9
40
Obr. 16: Chlazení odvádějící teplo přímodo prostoru skříně – vedle konektorů jemožné spatřit perforace pro původníchlazení 30
Chlazení chipsetu
Čipové sady jsou dnes již vesměs na chlazení nenáročná zařízení. Výrobci základních desek
u svých high-endových desek počítají s faktem, že zákazník, který si takovýto výrobek zakoupí,
se nejspíše nebude chtít smířit se základními takty celého systému a bude taktovat všechny
sběrnice, které přetaktovat půjdou. V případě čipsetů se výrobci řídí nepsaným pravidlem (trhu),
že by měly být pokud možno chlazeny vždy pasivně, avšak maximálně využít proudění vzduchu
vytvořeného aktivními prvky ostatních chladících systémů. Této filozofie využili i někteří výrobci
procesorových chladičů a tak např. v případě AC Freezer 7 Pro můžeme nalézt na spodních třech
žebrech ohyby směrující proud vzduchu k základní desce, kde se většinou u high-end desek nachází
pasivní chladiče napájecích obvodů spojené s čipsety pomocí heatpipe (viz dále). Tyto systémy
bývají většinou do desky uchyceny pevně šrouby nebo volně, vhodně rozmístěnými jednocestnými
kolíky, udržujícími konstantní přítlak.
Ne všechny čipové sady jsou však takto náročné na chlazení – pro uchlazení čipsetů
kancelářských strojů leckdy stačí malý hliníkový pasiv přilepený oboustrannou lepící teplovodivou
páskou. Ve valné většině případů se setkáme s kompromisním řešením, které však bude vždy čistě
pasivní – pasivním blokem přichyceným buďto jednocestnými kolíky zapadajícími do předvrtaných
děr v základní desce (obr. č. 17) či do připájených drátěných oček nasazeným pružinovým drátem
(obr. 18).
31 32
31 Enzotech - Chipset Heatsink - Cuivre - CNB-S1. Amazon [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.amazon.co.uk/Enzotech-Chipset-Heatsink-Cuivre-CNB-S1/dp/B002HSP1ZM32 SilenX IXN-40C Copper Chipset Cooler. Newegg [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.newegg.com/Product/Product.aspx?Item=N82E16835226019
41
Obr. 17: Jednocestné kolíky 31 Obr. 18: Uchycení pružným drátem 32
Elektronické součástky diskrétní 33
V případě diskrétních elektronických součástek je situace velmi
různorodá, jelikož každou součástku lze vyrobit v mnoha různých obalech
a provedeních jejich celků, které navíc mohou měnit své rozložení
v koncovém produktu. Obecně je pro zajištění optimálního spoje
elektronika s chladiči vždy spojena pevným, tepelně co nejvodivějším
spojem (za použití teplovodivé pasty). Součástka proto má buď
předpřipravené otvory pro šrouby, kterými se přitáhne přímo k chladiči
přes připravené montážní otvory na něm (příklad na obr. 19) a nebo má
připraveny pouze plochy, na něž se následně připevní chladič jinou metodou (např. samolepící
teplovodivou páskou).
4.1.3 Materiál
„Základní materiály využívané pro výrobu chladících aparátů jsou dva: měď a hliník. Každý má své
výhody a nevýhody, ale hlavně je každý materiál určen k použití v jiných aplikacích. Od použitého
materiálu se také odvíjí výše uvedené koncové vlastnosti produktu.
Měď
Tento kov hnědo-oranžové barvy má pro výrobu chladičů nejvhodnější vlastnosti z hlediska
fyzikálního. Jeho tepelná vodivost činí 386 W·m-1·K-1. Je dobře tepelně opracovatelný, avšak
za mnohem vyšších teplot, než hliník. Co však činí problémy, je hustota tohoto materiálu, která činí
8 960 kg·m-3. Tato vlastnost znemožňuje použití v rozměrnějších (a hlavně objemnějších) chladičích
bez použití speciálního zajištění. Existuje zde totiž reálné nebezpečí poškození základní desky
vlivem hmotnosti takovéhoto chladiče, jehož hmotnost může přesáhnout i 1 kg. Měděné chladiče
jsou také dražší a to nejen kvůli ceně samotné mědi, ale také kvůli nutnosti použití nákladnějších
metod k opracování kovu.34
Hliník
Měkký, dostupný, lehce opracovatelný kov stříbrné barvy. K jeho nasazení v oblasti chlazení
výpočetní techniky došlo hlavně z ekonomických důvodů. S tepelnou vodivostí 237 W·m-1·K-1
nemůže hliník s mědí nikterak soupeřit. Jeho hustota dosahuje hodnoty pouhých 2 700 kg·m-3..
33 Electronica 2. Gameroom [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://gameroom.flipperwinkel.nl/games/dmdgames/tz/3rdmag/electronica2_e.htm 34 JIŘÍ, Mikulčák. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. 1. vyd. Praha: SPN n.p., 1989, 131,141.
42
Obr. 19: Tranzistor schlazením 33
Mnohem lépe se proto hodí k použití v objemných chladičích, zvláště u věžovitých konstrukcí. Kov
je skvěle tvarovatelný, což snižuje výrobní náklady na minimální možnou hladinu, na druhou stranu
však přináší i nevýhody ve formě nízké materiálové pevnosti a z ní vyplývající náchylnosti výrobku
na mechanické namáhání. Buď tedy výrobce použije tlustší pláty kovu (je-li řeč o nejnáchylnéjších
žebrech) nebo zvolí jiný materiál, většinou relativně dostupnou měď. 35
Výrobci procesorů dodávají s většinou svých produktů již zmiňované referenční chladiče.
Tyto chladiče jsou však konstruovány tak, aby se ušetřilo co nejvíce finančních prostředků a daný
procesor uchladily dostatečně, tzn. na hraniční teploty a bez výkonové rezervy. Právě tyto chladiče
bývají téměř vždy celohliníkové. Svůj účel sice plní, avšak vzhledem k faktu, že je při výrobě
chladiče hleděno spíše na cenu, než na užitné vlastnosti, tento typ chladičů bývá oproti
„after-market“ konkurentům velmi hlučný. Referenční chladiče lze vidět na obrázcích 13 a 14.
Pro dosažení nejlepších vlastností chladičů – i s ohledem na ekonomické hledisko – se oba
výše popsané materiály často kombinují. Máme tak možnost setkat se s chladiči, které tvoří jádro
z mědi, avšak žebra již tyto chladiče mají hliníková. Neméně časté je taktéž využití dále popsaných
heatpipe trubiček, jenž se vyrábí právě z mědi. Touto kombinací se výrobci snaží dosáhnout co
nejlepšího poměru cena / hmotnost / výkon.“ 36
Stříbro
Pro velmi specifické účely, kde je potřeba s minimem místa dosáhnout dokonale tepelně vodivého
spoje a kde se není třeba ohlížet na náklady, lze pro vedení tepla použít stříbro s tepelnou vodivostí
418 W∙m-1∙K-1 - 429 W∙m-1∙K-1. Jelikož však cena hraje roli na každém kroku, využívá se tento
materiál v chlazení pouze jako heatspreader u extrémně výkonných bodových zdrojů tepla
(extrémně přetaktované procesory, výkonné lasery, apod.).
Následuje sumarizace pravidel, která ovlivní kvalitu chladiče po stránce materiálové:
• měď má vyšší hodnotu měrné tepelné vodivosti, než hliník – dokáže odvést teplo rychleji
než hliník – k lokálnímu přehřívání nedojde tak snadno jak při použití hliníku;
• měď je pevnější, než hliník – výrobce si může dovolit vyrobit tenčí žebra;
• tenčí žebra → více žeber na objemové jednotce → větší plocha pro tepelnou výměnu;
35 Co potřebují naše CPU? - Měděné chladiče!. Živě [online]. 2000 [cit. 2014-04-16]. Dostupné z:http://www.zive.cz/clanky/co-potrebuji-nase-cpu---medene-chladice/sc-3-a-1159/ 36 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 15.
43
ALE:
• žebrování z materiálu s vyšší hustotou → těžší výsledný produkt → nároky na pevnost
ukotvení.
4.1.4 Tvar
„Tvar je velmi podstatným faktorem rozhodujícím o celkové účinnosti jakéhokoliv typu chladiče.
Nebudou zde rozebírány tvarové vlastnosti, jenž dávají designovou podobu výslednému výrobku,
zmíněny budou pouze ty, jenž mohou ovlivnit jeho výkon.
Za nejdůležitější tvarovou vlastnost chladiče lze proto považovat drsnost povrchu základny.
Ať už se jedná o chlazení vodní, vzduchové, kompresorové nebo dusíkové, vždy bude jen natolik
účinné, kolik tepla zvládne odvést část, jenž je v přímém kontaktu s chlazenou komponentou.
Pro dosažení co nejvyšší účinnosti tepelné výměny musí být zajištěna největší možná styčná plocha
mezi odvodovou plochou chladiče a chlazenou součástkou. Tento požadavek je ale prakticky
neproveditelný. Mohou za to nerovnosti povrchů tvořící mezery mezi komponentou a chladičem,
které vyplňuje vzduch, jenž slouží jako dobrý tepelný izolant. Při výrobě chladiče se proto musí
styčná plocha, základna, perfektně vybrousit a vyleštit, a to do co nejhladší podoby při současném
dodržení rovinnosti dosedacích ploch. Toto však citelně prodražuje výrobní proces a tak se lze
setkat s levnými chladiči, na jejichž základnách jsou dosud patrné hrubé stopy po broušení.
Nejúčinnější základnu poznáme tak, že ji lze použít jako malé zrcadlo. Kvalita odrazu se snižuje
s klesající kvalitou výbrusu – můžeme si to představit jako analogii rozlišení obrazu – čím více
kvalitně vyhlazených, dokonale rovných ploch (analogie pixelů), tím kvalitnější obraz.
Efektivitu tepelné výměny ovlivníme hladkostí chladiče jen tehdy, bude-li dokonale hladká
i kontaktní plocha na komponentě. Přiložíme-li dokonale hladký chladič na nedokonalý
heatspreader na čipu, žádné markantní změny nebude dosaženo. Částečně tento jev dokáže
kompenzovat kvalitní teplovodivá pasta, ovšem i její vlastnosti mají limity, o kterých bude řeč níže.
Za nejdůležitější vlastnost lze považovat hladkost základny proto, že i když bude mít vzduchový
chladič sebelepší žebrování, špatně opracovaná základna tyto vlastnosti nikdy neumožní na plno
využít, což naopak neplatí. Žebra na dobré kostře se vždy dají dotvarovat i v domácích podmínkách.
Základnu si však většina z nás do dokonalejší podoby vyleštit nezvládne.
Rozměry a počet žeber určují, jaká bude celková účinná plocha sloužící k tepelné výměně
se vzduchem. Vzdálenost žeber ovlivňuje odpor, jenž bude proudění vzduchu klást. Pro čistě
pasivní systémy se používají bloky s větším rozestupem a nižším počtem žeber, což snižuje
aerodynamický odpor proudění vzduchu, žebra jsou taktéž většinou robustnější, než v případě
44
aktivních systémů. Pro aktivní chlazení se za účelem maximalizace účinné plochy používají menší
rozestupy mezi žebry, jelikož aktivní prvky horký vzduch z prostoru mezi žebry vytlačí lehce.
Použití aktivních systémů přináší problém s optimálním obtékáním žeber chladiče hnaným
vzduchem. Problém bude blíže rozebrán v kapitole o aktivních systémech.“ 37
37 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 15-16.
45
4.2 Aktivní chlazení
V následujících odstavcích budou představeny technologie aktivního vzduchového chlazení
používané v době psaní této práce nejhojněji, tj. ventilátory. Budou zde ale zmíněny i některé
technologie mající potenciál ventilátory nahradit. Všechny níže popsané technologie mají jedno
společné – mají za cíl vytvořit vzduchové proudění skrze pasivní chladič.
38
38 AURAS CTC-868 CPU Cooler. TNTrade e-shop [online]. 2013 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.shop.tntrade.cz/auras-ctc-868-cpu-cooler_d50678.html
46
Obr. 20: Ukázka možného designu aktivního chladiče 38
4.2.1 Ventilátory
Ventilátor určený pro chlazení elektroniky je elektrické zařízení sloužící k rozpohybování vzduchu
požadovaným směrem za pomoci elektrické energie. Jeho dvě hlavní části jsou rám (stator), rotor
s lopatkami, spojovací ložisko, ovládací elektronika a dvou- až čtyřžilový kabelový přívod. Rám
slouží jako nosná konstrukce celého zařízení. Může mít několik podob, o kterých bude řeč později.
Uprostřed ventilátoru je na vzpěrách připevněno PCB s řídící elektronikou a statorovým vinutím.
Nad tímto vinutím se pohybuje rotor uložený pomocí níže popsaných metod. Stator vytváří točivé
magnetické pole, jehož vlastnosti závisi jsou ovlivňovány řídící elektronikou a na něž reaguje rotor
(reakce závisí na použité technologii – může být synchronní, asynchronní, etc.). PCB slouží pouze
jako rozhraní (driver) zjednodušující regulaci ventilátoru – převádí řídící logiku na logiku spínání
příslušných cívek a poskytuje zpětnovazební signál kontrolním a řídícím systémům. Metodám
regulace je rovněž věnován prostor v následujícím textu.
Uložení rotoru
Uložení rotoru hraje nejzásadnějších roli ze všech konstrukčních částí ventilátoru, je totiž
na ventilátoru prakticky jediným opotřebitelným prvkem. Na kvalitě uložení závisí, zda bude rotor
pevně držet v zamýšlené poloze, zda bude či nebude rezonovat, taktéž přímo ovlivňuje velikost
tření a tudíž i spotřebu ventilátoru. Nejdůležitějším parametrem pro domáciho uživatele je hlučnost.
Pojďme si nyní přiblížit detaily jednotlivých technologií používaných pro tyto účely.
Ložisko kluzné 39
Kluzné ložisko je ve spotřební elektronice
využíváno nejčastěji – jeho výrobní proces je
nenáročný, výsledný produkt je tudíž levný.
Uprostřed ventilátoru je osa upevněná
v rotoru. Tato osa je zasunuta do plastového
pouzdra naplněného mazivem a na konci je
zajištěna proti vypadnutí pojistkou ve formě
pružného plastového O-kroužku. Mazivo
časem vysychá, což způsobuje nárůst tření
v ložiska, vydírání plastového pouzdra,
39 GlacialTech Igloo 5750 Silent CPU Cooler Review. Hardware Canucks [online]. 2008[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.hardwarecanucks.com/forum/39997-post1.html
47
Obr. 21: Kluzné ložisko + princip zanášení 39
zvětšování vůlí a v konečném stádiu vibrace rotoru. Na opotřebení tohoto ložiska má taktéž vliv
instalační poloha ventilátoru – u vertikální instalace se mazivo rovnoměrně rozprostře, zatímco
v případě instalace horizontálně mazivo steče do nejnižšího bodu a druhá strana ložiska je mazána
pouze díky vzlínání. Tento typ ložiska je méně odolný vůči zanášení prachem. Jeho krytí je
nejčastěji realizováno jen přelepením nálepkou. Její lepidlo však časem degraduje a značná část
prachu, jenž do ložiska pronikne, se do něj dostane taktéž skrze mezeru mezi pouzdrem a rotorem
(viz obr. 20 dole). Přestože se nejedná o velké masy prachu, stačí tato troška na to, aby nasála část
volně tekoucího maziva a posloužila jako abrazivum přímo uvnitř měkkého pouzdra.
Tento typ ložiska trpí řadou neduhů, které lze přičíst primárně jeho výrobním nákladům.
Od výroby je tiché, má kratší životnost ve srovnání s ostatními typy. Ventilátory s kluznými ložisky
patří mezi nejlevnější, nalezneme je prakticky všude. S trochou nadsázky jsou na jedno použití.
Jakmile se zanesou prachem, jejich životnost končí. Od výroby bývají také nevyvážené, protože
se to výrobcům s ohledem na cenu výrobku nevyplatí. V případě těch nejlevnějších ventilátorů se
lze setkat s cívkami vyluzujícími zvuky podobné komářímu bzučení. Seriózní servis při požadavku
na ztišení počítače ventilátory vymění za nové se sofistikovanější technologií uložení rotoru.
Hydrodynamické (fluidní) uložení 40
Hydrodynamické ložisko funguje podobně jako ložisko kluzné, avšak s tím rozdílem, že mezi
pouzdrem a v něm uloženou osou existuje větší vůle, jenž je vyplněna kapalným médiem, nejčastěji
olejem a nejlépe pod tlakem. Při roztočení rotoru na toto médium působí odstředivá síla, jejíž
40 Подшипник скольжения - как устроен, принцип работы, плюсы и минусы. XtechX.ru [online]. 2009 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.xtechx.ru/spravochnik-hi-tech-terminov-i-kompanii/174-sleeve-bearing-podshipnic-skolzhenia.html
48
Obr. 22: Detailní schéma kluzného / hydrodynamického ložiska 40
vlivem je rotor kapalinou vystřeďován do optimální polohy. Navíc slouží tento olej jako lubrikant,
takže tření v tomto ložisku je eliminováno na minimální možnou mez. Zásadní nevýhodou tohoto
ložiska je vysychání kluzného média, jež má za následek okamžité vyosení rotoru, vznik silných
vibrací, případně tření o obal (typický problém jednoslotových chladičů grafických karet). Médium
nelze v domácích podmínkách doplnit.
Ložisko valivé 41
„Kuličková či válečková ložiska jsou známá svou odolností. Uplatnění proto naleznou v serverové
technice, na kterou je kladen požadavek dlouhého bezchybného provozu. Tato ložiska jsou mnohem
hlučnější než kluzná, na rozdíl od nich však svou hlučnost po dobu své životnosti mění výrazně
pomaleji a přestože jsou již velmi hlučné a opotřebené,
nemůže v těchto zařízeních dojít k jejich náhlému selhání.
Ložisko tvoří ocelové kuličky či válečky umístěné
mezi dvě vodící drážky vytvořené v soustředných
ocelových kroužcích. Jeden z nich je součástí statoru, druhý
rotoru.
Někteří výrobci se snaží obejít problémy
s vydíráním kovových valivých ložisek použitím tvrdšího
materiálu, např. keramiky. Ložisko má být dle výrobce tišší,
odolnější, mít menší tření a tudíž i několikanásobně delší
životnost. Ventilátory s těmito ložisky jsou specialitou firmy Arctic (bývalý Arctic Cooling).
Magnetické uložení rotoru
Princip magnetického uložení rotoru je analogický k principu fungování vlaků MagLev –
ventilátory využívající této technologie nemají mezi statorem a rotorem žádný fyzický kontakt.
Rotor je udržován v konstantní pozici a roztáčen magnetickými silami, které ovládá prostřednictvím
soustavy cívek integrovaná řídící jednotka. Podstatnou výhodou je fakt, že díky absenci fyzického
spojení statoru a rotoru je neopotřebitelné. Dle konstrukce je možno setkat se s provedením, kde je
proti vypadnutí rotoru při převrácení instalována osa, stejně jako u ložisek kluzných. Tato osa může
sice podléhat opotřebení, které však není tak markantní jako u ložisek kluzných, jelikož je celý rotor
vystřeďován hlavně magneticky a na pouzdro tak nepůsobí tak velké síly. Díky své nízké
41 Ceramic Ball Bearings. Indomarchingband [online]. 2014 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://indomarchingband.com/ceramic-ball-bearings/
49
Obr. 23: Řez valivým ložiskem 41
poruchovosti nalézá uplatnění převážně v serverové technice a noteboocích.“ 42
Ložiska – shrnutí
Výše popsané technologie uložení jsou často pouze výchozím bodem pro vývoj. Na trhu se lze
setkat s mnoha typy proprietárních ložiskových systémů, kterými se výrobci velmi rádi chlubí.
Je rovněž nutné nezapomínat na fakt, že každý výrobce zaměstnává pracovníky v oddělení
marketingu a při rozebrání výrobku je možné například zjistit, že avizované „Hyper Bearing“ je
obyčejné kluzné ložisko s minimální životností. Na trhu však existují i velmi propracované
ložiskové systémy, jako například vícekrát stabilizované Twister Bearing od Enermaxu, ložiska
ventilátorů Nanoxia, SSO2 od Noctua, atp. S malými variacemi se téměř vždy jedná o kombinace
výše popsaných technologií.
Tvary a výkon ventilátorů
Ventilátory se vyrábí v nejrůznějších rozměrech, od 25 mm až po 240mm. Běžně používané
rozměry jsou (v milimetrech): 80, 92, 120 a 140. Tyto velikosti udávají přibližný průměr rotoru
ventilátoru. Výsledné parametry ventilátoru, které lze srovnávat, jsou zejména průtok vzduchu
a statický tlak, jenž je schopen vytvořit. Statický tlak je možné relativně snadno změřit umístěním
ventilátoru výstupní částí do uzavřeného prostoru propojeného se spojenými nádobami a vypočítat
jej podle výšky výtlaku vodního či rtuťového sloupce.
Tvarování lopatek
Největší vliv na průtok vzduchu ventilátorem má tvarování a účinná plocha jeho lopatek. Obecně
platí, že čím větší má ventilátor průměr rotoru, tím více vzduchu jím při konstantních otáčkách
projde. Plocha lopatek závisí na jejich počtu, průměru rotoru a hloubce ventilátoru.
Otřepy na hranách špatně opracovaných lopatek jsou často příčinou nepříjemného šumění.
Ve vysokých otáčkách dochází za otřepy k tvorbě malých kapes vzduchu se sníženým tlakem, jehož
vyrovnávání s okolním prostředím vede k nežádoucímu turbuletnímu proudění. Toto proudění
můžeme pozorovat taktéž mezi boční hranou lopatky a rámečkem ventilátoru. Ventilátory firmy
Noctua, jenž je recenzenty považována za špičku v oboru vývoje tichých systémů pro vzduchové
42 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 20-22.
50
chlazení, využívají speciálního tvarování na hranách lopatek, které mají největší úhlovou rychlost.
Typický ventilátor za svého provozu generuje aerodynamický hluk způsobený přechodem
od laminárního proudění k turbulentnímu za výstupními hranami lopatek rotoru. Vzhledem
k podstatě funkce ventilátoru nelze efekty vznikající na tomto přechodu eliminovat zcela, avšak lze
je pomocí různých technik výrazně zredukovat.
Z webových stránek firmy Noctua43 lze vyčíst, že se jedná o následující techniky:
• zvětšení mezery mezi lopatkami rotoru a rámečkem na výstupní hraně;
◦ cílem je vytvořit prostor, kde dochází k vyrovnávání rázů vznikajících kvůli toku
vzduchu z předchozí průchozí lopatky vlivem odstředivé síly – bez této funkce se tvoří
(ve směru rotace) za lopatkou vír u rámečku;
• usměrnění odstředěného vzduchu;
◦ k usměrnění vzduchu, jenž se dostal odstředivou silou až na kraj lopatek, ze kterých by
mohl uniknout, řeší Noctua speciálními výstupky právě na okrajích lopatek – vzduch je
jimi usměrňován k výstupu, což má za následek výrazné omezení vířivého proudění;
• záměrné rozrušení proudu vzduchu za výstupní hranou lopatek; 44
◦ Noctua uvádí 45, že vytvoření kontrolované turbulence na výstupní hraně dokáže lépe
vyřešit problém s přechodem rychlého vzduchu do pomalejšího prostředí – turbulentní
proudění za výstupní hranou lopatek klasického ventilátoru údajně tvoří méně velkých
vírů (což přináší intenzivní hluk v úzkém
spektru), avšak cílem vytvoření umělé
turbulence je vytvoření více menších vírů,
což má zajistit efektivnější promíchání
vzduchových proudů, rychlejší vyrovnání
rychlostí a rozložení hluku do širšího
frekvenčního spektra (psycho-akustický
efekt – energie rozložená do širšího spektra
nepůsobí tak rušivě).
43 Technologies. Noctua.at [online]. 2012 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://noctua.at/main.php?show=technologies&lng=en 44 Noctua NF-S12B ULN, FLX. X-bit Laboratories [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.xbitlabs.com/articles/coolers/display/120-140-fans-roundup_14.html45 Stepped inlet design. Noctua [online]. 2012 [cit. 2014-04-13].Dostupné z: http://noctua.at/main.php? show=stepped_inlet_design
51
Obr. 24: Opracování výstupních hranlopatek ventilátoru firmy Noctua 44
Konstrukce rámu
I v tomto prvku se mohou ventilátory značně lišit. Nejvíce rozšířené jsou následující formy
uchycení středové nosné části:
• pevné
◦ vzpěry pevně spojené s rámem ukotveným ke kostře zařízení (pasivnímu bloku),
◦ používá většina produktů na trhu,
• volné
◦ rotor zavěšený na gumových trnech,
◦ vibrace rotoru jsou trnech z velké části utlumeny a nemohou se šířit dále do zařízení, kde
by mohly způsobovat rezonanci volnějších komponent. 46 47
Přes všechny výhody volně uložených ventilátorů přináší pevné uložení s rámečkem funkční
výhodu, kterou je efektivita funkce. Volně uložený ventilátor trpí kvůli absenci rámečku neduhem
v podobě špatné směrovosti proudění. Vzduch z těchto ventilátorů jednoduše uniká bokem.
V případě použití technologií popsaných výše (Noctua) by bylo možné tento fenomén dobře omezit,
avšak i přesto by ventilátor nemohl nikdy dosáhnout při stejných parametrech takového statického
tlaku, jako ventilátor s rámečkem. Tento rámeček totiž slouží jako usměrňovač proudění a hlavně
dokáže v omezené míře zadržovat tlak, jenž lopatky generují.
Praktické použití ventilátorů s volně uloženým rotorem je tedy v aplikacích nenáročných
46 Arctic Cooling F8 80mm High Performance Case Fan - 3pin - ARCTIC F8. Overclock.co.uk [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.overclock.co.uk/product/Arctic-Cooling-F8-80mm-High-Performance-Case-Fan-3pin_25522.html47 Arctic Cooling Arctic F12 Pro TC, Temp Controlled High Performance Rear Fan. QuietPC.com [online]. 2009 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.quietpc.com/ac-arctic-f12-pro-tc
52
Obr. 25: Pevné zavěšení 46Obr. 26: Volné zavěšení 47
na směrovost proudění a statický tlak, což bývá nejčastěji odsávání horkého vzduchu z prostoru
zařízení (PC case, obal zesilovače). Rozdíl v cenách ventilátorů s uložením volným oproti výrobků
s uložením pevným je zanedbatelný.
Vyvážení rotoru
„Problém, který je většinou výrobců často opomíjen, je vyvážení rotoru ventilátoru. Podobný
problém musíme řešit u kol automobilů, která by v případě, že by nebyla před použitím vyvážena,
mohla ve vyšších rychlostech nebezpečně kmitat. V případě nevyváženého ventilátoru sice
bezprostřední nebezpečí nehrozí, avšak stále se jedná o nežádoucí jev – ložiska se mohou
opotřebovávat zvýšenou rychlostí, působit nevítaný nadměrný hluk či v případě trvalých silných
vibrací, vlivem únavy materiálu, uvolnit chladič z uchycení se všemi důsledky. Vyvážení se provádí
vlisováním malých vyvažovacích závaží (plíšků, trnů, apod.) do otvorů na rotoru.
Účel
Pozornému čtenáři z předchozích pasáží určitě vyplynulo, že každý ventilátor nalezne své využití
v jiné aplikaci. Rozdílné požadavky na vlastnosti ventilátorů se musí promítnout i do jejich
konstrukce. Rozdíl mezi ventilátorem, který má sloužit v tichém (a hlavně levném) domácím PC
a ventilátorem, který má několik let bez přestávky sloužit v serveru. Pro tichá PC na doma
se využívají ventilátory o větší délce hrany, které dokáží s přehledem uchladit oněch několik wattů
ztrátového tepla, jenž tato PC vyprodukují. Nejčastěji lze zde nalézt ložiska kluzná. V případě,
že se počítač začne po určité době vypínat, přijde ve valné většině případů na řadu servisní zásah,
při kterém se vymění ventilátor za kvalitnější, vysaje pasivní blok a nakonec se sestava vrátí
majiteli za cenu do pěti set korun i s materiálem.
V případě chlazení serverů je situace odlišná. Vyžadována je minimální údržba a vysoká
spolehlivost. Z tohoto důvodů se v serverech používají kvalitní ventilátory zásadně s kuličkovými,
resp. keramickými ložisky, které mají mnohem delší životnost. Na hluku v serverovně nikomu
nezáleží, tyto místnosti nejsou určeny k obývání. Podstatná je zde stabilně nízká teplota komponent,
bezprašnost prostředí, kterou zajišťují filtry vzduchu a prostorové nároky systémů. V serverových
skříních umisťovaných do racků se používají vysokootáčkové ventilátory s malou délkou hrany.
Údržba chlazení se zde provádí jen jednou za pár let, pokud vůbec, vzhledem k životnosti
elektroniky.“ 48
48 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 20-21.
53
Dimenzování průtoku
Všechny pasivní bloky vyráběné pro použití s aktivními systémy sestávají ze sady rovnoběžných
kovových plátů teplovodivě spojených s jádrem. Podíváme-li se však na náběžnou hranu každého
plátu, zjistíme, že se jedná o mikroskopicky velmi nedokonalý povrch, proti kterému je poté hnán
s relativně vysokou rychlostí vzduch. Co se s ním stane při nárazu na tento povrch záleží nejvíce
na tvaru náběžné hrany každého plátu, jenž záleží na výrobním postupu použitém pro vytvarování
těchto hran. Ať už jsou ale jednotlivá žebra z plechu vyřezávána, vypalována plasmou či laserem,
vždy budou z profilu vypadat přibližně jako obdélník s nezanedbatelnou šířkou. Předpokládejme,
že na žebro proudí homogenní proud vzduchu ve směru podélném.
na účinné ploše a
Co se stane se vzduchem při nárazu na hranu je ve velmi zjednodušené podobě popsatelné
následujícím způsobem:
1. vzduch je hnán ideálním ventilátorem kolmo proti pasivnímu bloku,
2. vzduch naráží na profil hrany žebra,
3. vzduchový proud se „rozbije“ o hranu a pokračuje v proudění do boku,
4. na boční proudění naráží vzduch hnaný vodorovně s plochou žeber a dochází ke skládání sil,
5. vedle žebra vzniká vzduchová kapsa, jejíž velikost závisí na výchozí rychlosti vzduchového
proudu.
Každý pasivní blok má v důsledku působení výše popsaných jevů svou optimální rychlost proudění
vzduchu, při které dokáže odvést nejvíce tepla. Vzhledem k tomu, že proudění plynů a kapalin je
v praxi velmi těžce předvídatelná záležitost, je nutné za účelem dosažení optimálního výsledku
provést řadu praktických testů v různých podmínkách. Výpočet optimální rychlosti není, vzhledem
k nestejným chybám vznikajícím ve výrobním procesu, prakticky použitelným řešením.
54
Ochranné mřížky
Vzhledem k faktu, že v téměř každém elektronickém zařízení se nacházejí
volné kabely, prodávají se na trhu ochranné mřížky na ventilátory, které
mají za cíl zabránit jejich vniknutí do rotoru, jeho následnému zablokování
a znefunkčnění chlazení. Tyto mřížky však vytváří nežádoucí odpor
a turbulentní proudění na sání, což přináší krom snížené účinnosti i hluk.
Z tohoto důvodu je mnohem vhodnější učinit opatření přímo na kabelech –
vyvázat je pásky k libovolnému bodu hlavní kostry zařízení. 49
Prachové filtry
Vzhledem k nemalým objemům vzduchu, jejž ventilátory nasávají, je otázkou času, kdy
se na funkčnosti systému projeví zanášení prachem. V korporátní sféře se jedná o problém, který
většinou nikdo neřeší až do selhání systému. Prach je velice špatný tepelný vodič a snadno se „lepí“
na místa s největším průtokem vzduchu – například mezi žebra pasivních bloků, která se následně
velmi špatně čistí a vyžadují časově náročné servisní zásahy, po dobu kterých je navíc systém
znefunkčněn. Řešení tohoto problému přináší odstranění zdroje problémů – prachu – již na vstupu
do systému. Z tohoto důvodu je velmi vhodné vyčlenit vzduchu jen jednu přívodní cestu
přehrazenou prachovým filtrem.
Prachové filtry se vyrábí v různých provedeních, jako filtrační materiál slouží nejčastěji
molitan, kovová síťka či papír. Samotný filtr se skládá z filtračního materiálu a nosné konstrukce.
U molitanových filtrů (měkký filtrační materiál) tvoří konstrukci plastová mřížka s mohutnějšími
okraji s otvory pro šrouby. U filtrů kovových, jenž jsou řádově pevnější, postačuje pouze
orámování, jenž zajišťuje konstantní tvar trvalým napnutím kovové síťky.
49 Mřížka ventilátoru FG 120. Lindr CZ: chladící a výpočetní technika [online]. 2014[cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://eshop.lindr.cz/mrizka-ventilatoru-fg-120
55
Obr. 27: Ochranná mřížka 49
50
Filtry by měly být omyvatelné a jednoduše vyjímatelné za účelem vyčištění. Lepší omyvatelnost
poskytují filtry kovové, jelikož vodu nesají a po profouknutí po umytí je lze ihned namontovat zpět.
Nejlepšího filtračního účinku lze dosáhnout filtrem molitanovým, lehce napuštěným olejem na filtry
(ne nadarmo se tato technologie využívá i v motocrossu).
50 Prachové filtry za babku aneb konec silonek v Čechách. Živě [online]. 2006 [cit. 2014-04-15].Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/prachove-filtry-za-babku-aneb-konec-silonek-v-cechach/sc-3-a-132015/default.aspx
56
Obr. 28: Prachové filtry 50
4.2.2 Alternativní aktivní prvky pro vzduchové chlazení
Elektrostatické vzduchové pumpy
• známé rovněž pod hovorovějším názvem „iontový vítr“.
Iontový vítr je vyspělá technologie aktivního vzduchového chlazení s obrovským potenciálem
rozvoje. Mezi její hlavní výhody se řadí zabudovatelnost do čipů samotných a z toho vyplývající
malé nároky na rozměry celého systému.
Rozměry těchto generátorů vzduchového proudu umožňují vyrábět elektroniku složenou
z vrstev – vrstva elektroniky prokládaná vrstvou jejího chlazení. Tato technologie by mohla přinést
také vyšší spolehlivost elektroniky a zjednodušení designu, jelikož eliminuje
tzv. „hot-spots“ – lokálně se přehřívající místa čipů.
Mezi nevýhody patří hlavně potřeba operovat s (na elektroniku) dosti vysokým napětím,
které je třeba někde vyrobit a někudy vést, což v případě zabudování do velmi rychlých výpočetních
jednotek na bázi tranzistorů může způsobit velké problémy v podobě jejich ovlivňování elektrickým
polem. Vzhledem k faktu, že technologie je stále ještě experimentální, nebyl dosud prozkoumán
vliv prachu na zanášení mikrokanálků.
Princip
„Princip technologie je následující. Nanotrubičky jsou vyrobeny z materiálu na bázi fullerenů, což
je speciální forma uhlíku. Ta ve formě C60 vytváří tvar podobný fotbalovému míči. Tento materiál
se vyznačuje mnoha zvláštními fyzikálními vlastnostmi. Tloušťka těchto nanotrubiček se pohybuje
v řádech nanometrů. O jejich křehkost se není nutné obávat, protože tento materiál disponuje
extrémní pružností a pevností. Pevnost je dokonce vyšší než u oceli. Tyto nanotrubičky zde působí
jako záporně nabité elektrody. V systému jsou pak umístěny i kladné elektrody. Pokud je na záporně
nabité elektrody přivedeno napětí, začnou se pohybovat elektrony směrem ke kladným elektrodám.
Tyto elektrony způsobí ionizování vzduchu. Je to stejný princip jako při bouřce. Tímto procesem
vzniknce proud částic. Je to jev podobný Koronovému větru, který ovšem vzniká mezi elektrodami
při napětí 10 kV. U počítače bychom ale takovéto napětí nemohli vyvolat. Díky malým
nanotrubičkám, které jsou od elektrod vzdáleny 10 mikronů, postačuje pro vyvolání požadovaného
efektu pouhých 100 V. Tento proces probíhá v oblasti generování, jak je vidět na následujícím
obrázku.
57
51 Tímto procesem jsme získali ionizovaný vzduch, který potřebujeme ještě urychlit. Toto
urychlení probíhá pomocí rychlých změn napětí na mikrokanálcích o určité frekvenci. Ionizovaný
vzduch se tak dá do pohybu a jeho části narážejí na neutrální atomy. Při nárazu pak vznikají ionty
a vznikne tak mnohem více částic, které se dají do pohybu. Tento proces pak probíhá v oblasti
pumpování. U tohoto principu se mluví i o jeho nástupci, kde bude místo nanotrubic použito
slabých vrstev syntetického diamantu. Tím by mohla klesnout cena při zachování stejného
chladícího výkonu.“ 52
Výrobní náklady by po odladění výrobního procesu neměly být vysoké, výrobní postup je
dle stejného zdroje dobře adaptovatelný na postupy fungující pro výrobu široké škály
elektronických komponent. Na druhou stranu, žádný z výrobců elektroniky nechce udělat první
krok a technologii do praxe zavést. Výrobci jsou si dobře vědomi faktu, že pokud takovéto čipy
do praxe zavedou, koncová cena pro zákazníka bude vyšší a upgradovatelnost systému žádná.
A jelikož zákazníci chtějí investovat do odzkoušených řešení, je nasnadě, že první, kdo vstoupí
na trh s vrstvenými čipy s iontovým chlazením bude sloužit jako průzkumník pro ostatní a celý
tento „průzkum“ zaplatí sám.
51 A Tiny Wind to Cool the Tiniest Circuits. National Science Foundation: where discoveries begin[online]. 2004 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=10035452 KŘIVOHLÁVEK, Jindřich. Chlazení počítače: kompletní průvodce (nejen) pro hráče. Vyd. 1.Brno: Computer Press. ISBN 978-80-251-1509-1.
58
Obr. 29: Schéma elektrostatické vzduchové pumpy 51
Piezoelektrické vějíře
53
„Tato technologie pracuje na analogickém principu jako tisíce let staré čínské vějíře. Místo papíru
jsou zde dnes používány malé pružné plastové membrány. Tyto jsou upevněny k materiálu
s piezoelektrickými vlastnostmi (při průchodu elektrického proudu změní svůj tvar). Jelikož proud
vzduchu je vytvářen pouze když se lamela pohybuje, nejjednodušší cesta k zajištění pohybu je její
rozkmitání průchodem střídavého elektrického proudu přes piezoelektrickou látku. Výhoda chlazení
vějíři spočívá hlavně v jejich odolnosti. V extrémně prašných prostředích (průmyslové stroje) jsou
běžné ventilátory nepoužitelné, jejich ložiska by i přes občasnou údržbu (profouknutí chlazení
stlačeným vzduchem) brzo odešla. Nabízí se zde proto varianta nahrazení piezo-vějíři, jimž
samotným prach vůbec nevadí. Spotřeba vějíře je minimální, výrobní náklady oproti ventilátorům
taktéž. Je pravděpodobně otázkou času, kdy se dočkáme praktického nasazení tohoto typu chlazení
i ve spotřební elektronice, např. v ultratenkých noteboocích.“ 54
53 115VAC / 60Hz Piezoelectric fan blade. Piezo Systems, Inc. [online]. 2011 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.piezo.com/prodfan1vac.html54 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 36.
59
Obr. 30: Piezoelektrický vějíř 53
Piezoelektrické komory
Zařízení, která jsou v komerční sféře známá pod různými názvy, jako např. „microblower“,
„piezoecelectric jets“, atp., využívají ke své funkci taktéž piezoelektrického jevu. 55
Piezoelektrické trysky „P-E jets“ fungují na principu kvádrové komory s jednou otevřenou
stěnou, jejíž horní a spodní podstava dokáží měnit svůj tvar. Komora má 2 fáze pracovního cyklu –
sání a výfuk. Při sání se podstavy prohnout směrem od sebe, čímž dojde v komoře k vytvoření
podtlaku, při výfuku se podstavy prohnou opačně – směrem k sobě – což vytvoří v komoře přetlak
a vzduch je tak vytlačen ven. Vzhledem k faktu, že vzduch jde jedinou cestou tam i zpět, chlazení je
v případě, že je zařízení přímo spojeno s pasivním blokem, krajně neefektivní. V prvním cyklu
a první fázi dojde k nasátí studeného vzduchu přes pasivní chladič do komory. Z ní je již ohřátý
vzduch vytlačen zpět, opět přes chladič, který je však v druhé fázi chlazen, velmi neefektivně,
horkým vzduchem. Horký vzduch poté vyjde ze zařízení, odkud je předpokládáno, že okamžitě
(kvůli menší hustotě) unikne a na své místo nasaje vzduch studený, jenž může být znova nasát
přes chladič do komory. Tento předpoklad je však velmi naivní, jelikož vzduch má určitý odpor,
operační frekvence komory je cca 25 kHz, což dává vzduchu na výměnu pouze 4 × 10-5 sekundy.
V praxi se tedy toto řešení nedá použít bez použití usměrnění vzduchového proudu.
Výše zmiňovaný systém firmy Murata Manufacturing Co., Ltd. tento problém řeší velmi
55 GE's "dual piezo cooling jet" could enable even cooler gadgets. Gizmag [online]. 2012[cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.gizmag.com/ge-dual-piezo-cooling-jet/25447/
60
Obr. 31: Princip funkce piezoelektrické komory 55
elegantně. Místo designu navrženého v General Electrics využili pouze jednomembránový systém,
navíc s plněním kolmo na membránu, na rozdíl od bočního v případě P-E jets. Kolem tohoto
funkčního celku navrhli obtokový systém na principu rezonančního sání. V sací fázi prvního cyklu
dojde k rozpohybování vzduchu ve všech kanálech a naplnění komory skrze její vstupní trysku.
V následující fázi je vzduch vypuzen z komory skrze právě tuto trysku a vlivem své setrvačnosti
pokračuje k výstupní trysce obtokového tělesa, jenž má větší průměr, než výstupní tryska komory.
Účel tohoto zvětšení je prostý: za tryskou komory dochází k rozptylu koncového paprsku vlivem
vzájemného tření a mechanické interakce molekul rychle se pohybujícího vzduchu z trysky
s pomalým vzduchem v obtokovém systému; krom toho však tato interakce pomalý vzduch
rozpohybuje směrem kolmým na dosavadní proudění a výsledný objem vzduchu procházející
výstupní tryskou celku je větší, než objem vzduchu vystupujícího z komory. Tato konstrukce
zároveň usnadňuje sání vzduchu do komory, jelikož není nutné rozpohybovaný vzduch napřed
zastavit a teprve poté uvést do pohybu opačným směrem. Microblowery je taktéž možno sériově
spojovat za účelem dosažení vyššího statického tlaku na výstupu.
56
Obě popisovaná zařízení mají společných mnoho vlastností – jsou dostatečně malá (desítky
milimetrů), oproti ventilátorů jsou schopny dosáhnout při svých rozměrech nesrovnatelně vyšších
tlaků na výstupu, avšak menšího výsledného průtoku. V době psaní této práce se jednalo
o technologii, jejíž vývoj stále nebyl ukončen. Zdroje nehovořily o jejich masovějším nasazení.
56 Micromechatronics: Features and Technical Specification of Microblower. Murata IndustriesGlobal [online]. 2012 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.murata.com/products/micromechatronics/feature/microblower/index.html
61
Obr. 32: Schéma proudění v microbloweru 56
4.2.3 Doplňky vzduchového chlazení
Heatpipe
„Heatpipe je hermeticky uzavřená měděná trubička, jejímž úkolem je rychle odvádět teplo
z kriticky tepelně zatížených oblastí do míst, kde jsou pro tepelnou výměnu lepší podmínky. Když
se tato technologie dostala na scénu spotřební elektroniky, zvláště pak mobilní výpočetní techniky,
způsobila zde doslova revoluci v technologii chlazení. Čistá měď, o které byla řeč v kapitole
o pasivních blocích, má tepelnou vodivost 386 W·m-1·K-1. Heatpipe mají tepelnou vodivost
100-1000 krát vyšší (liší se dle konstrukce, velikosti). 57
Tohoto enormního efektu je dosaženo díky celkem jednoduchému principu. Trubičky jsou duté,
z vnitřní strany jsou „vystlány“ houbovitou, či síťovitou strukturou (viz obr. 30), která umožňuje,
na principu vzlínání, vést kapaliny. Vnitřek této trubičky je naplněn buď deionizovanou vodou nebo
jiným druhem kapaliny. V trubičce je snížený tlak na takovou hodnotu, aby při provozních teplotách
voda, která steče houbovitou strukturou k základně chladiče, na tomto místě vyvařila, odebrala tak
svému okolí teplo a při kondenzaci v chlazené části trubičky toto teplo předala žebrování pasivního
bloku. Velmi často tyto trubičky výrobci používají přímo jako základnu, tzn. že mají přímý kontakt
s chlazenou komponentou.
57 B.tech project: HEAT PIPES [Study]. B.tech project [online]. 2012 [cit. 2014-04-15]. Dostupnéz: http://btechgurus.blogspot.cz/2012/06/heat-pipes.html
62
Obr. 33: Schéma heatpipe 57
Trubičky lze vyrobit také jako duální vodiče, tzn. že v základně chladiče je prostřední část heatpipe
a vyvařená kapalina je odváděna do obou polovin této jedné trubičky, čehož lze využít při rozvodu
tepla do nezávislých částí chladiče. Trubičky se nesmí pro zachování optimální funkčnosti
ohýbat.“58 59 60 61
58 KŘIVOHLÁVEK, Jindřich. Chlazení počítače: kompletní průvodce (nejen) pro hráče. Vyd. 1. Brno: Computer Press, 2007, s. 27. ISBN 978-80-251-1509-1.59 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 17.60 Heat pipe. Wikipedia: The Free Encyclopedia [online]. 2014 [cit. 2014-04-15].Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe61 Scythe Big Shuriken 2. Hardware.info [online]. 2014 [cit. 2014-04-15].Dostupné z: http://uk.hardware.info/productinfo/130359/scythe-big-shuriken-2
63
Obr. 34: Průřez heatpipe 60
Obr. 35: Scythe Big Shuriken 2 – chladič využívajícíheatpipe k přenosu tepla ze základny do žebrování 61
Teplovodivé pasty
„Teplovodivé pasty nacházejí své použití úplně všude, kde je potřeba vytvořit co nejdokonalejší
teplovodivý spoj dvou těles. Jedná se o polotekuté látky, které mají za úkol vyplnit mikro-dutiny,
které jsou přítomny na každé běžnými způsoby opracované kovové ploše a které jsou v zemské
atmosféře vyplněny vzduchem. Při pohledu do tabulek tepelné vodivosti vyčteme následující data62:
• Vzduch – 0,026 W∙m-1∙K-1
• Měď – 386-395 W∙m-1∙K-1
• Stříbro – 418-429 W∙m-1∙K-1
• Diamant – 895-2300 W∙m-1∙K-1
Z těchto údajů můžeme vyčíst, že tepelná vodivost vzduchu je oproti mědi či hliníku naprosto
zanedbatelná a že ve srovnání funguje jako velmi dobrý tepelný izolant. A právě proto se tyto
vzduchové mikrobubliny vyplňují teplovodivými pastami.
Teplovodivých past existuje mnoho typů lišících se ve složení. Všechny z nich se však
nanášejí ve velmi tenké vrstvě přímo na součástku, kterou chceme chladit. Nikdy však nesmíme
pasty použít příliš mnoho. Pasta má primárně sloužit doplněk pro vyplnění mikrodutin v materiálu
chladiče, nikoliv jako přechodová vrstva mezi chladičem a součástkou. Kov má se součástkou
vždy lépe vodivé spojení, než skrze pastu.
Pasty se nanáší na součástku a to nejlépe prstem přes mikrotenový sáček, jímž můžeme
pastu dobře vtlačit do všech nerovností. Po upevnění chladiče na součástku lze tímto opatrně
zahýbat, čímž pastu vtlačíme do všech mezer ještě lépe a vytlačíme z nich zbývající vzduch.
Chladič však nesmíme naklonit, do pasty by mohly opět vniknout vzduchové bubliny a celá práce
by tak byla zbytečná.
Poznámka: Níže uvedené hodnoty měrné tepelné vodivosti jednotlivých typů teplovodivých past je
nutno brát pouze orientačně – vychází nikoliv z reálných měření, ale z hodnot udaných
marketingovými odděleními jednotlivých výrobců. Ve velkých recenzích dopadají leckdy pasty
s lepší udanou hodnotou měrné tepelné vodivosti hůře. Hodnoty slouží pouze pro utvoření představy
o pokročilosti dané technologie.
62 JIŘÍ, Mikulčák. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. 1. vyd. Praha: SPN n.p., 1989, 141
64
Silikonové pasty
Hlavní součástí silikonových past jsou silikonové polymery. Jejich měrná tepelná vodivost se dle
provedeného průzkumu trhu pohybuje v rozmezí od 2 W∙m-1∙K-1 do 6,5 W∙m-1∙K-1, přičemž takto
široké rozmezí lze přičíst jak rozdílnému složení jednotlivých past, tak i nejednoznačnosti
používané terminologie (silikonové × keramické × uhlíkové pasty). Silikonové pasty jsou elektricky
nevodivé. Uplatnění nalézají zásadně při distribuci OEM produktů a všech ostatních aplikacích
s důrazem na cenu. Silikonové pasty taktéž postačují k vytvoření lepšího spoje pro chlazení
nenáročných diskrétních součástek. Při použití těchto past neznalým uživatelem, jenž zastává logiku
„čím více, tím lépe“, může dojít i k efektu izolace.
Kovové pasty
Kovové pasty jsou vyrobeny z velmi jemně rozdrcených částic daného kovu. Udávaná tepelná
vodivost se pohybuje v rozsahu od 4 W∙m-1∙K-1 do 10 W∙m-1∙K-1. Náhradou silikonové pasty
za kovovou můžeme dosáhnout výrazného zlepšení tepelné vodivosti. Nevýhoda tohoto řešení
spočívá v elektrické vodivosti pasty. Při aplikaci musíme dávat obzvláště dobrý pozor na to, aby
se pasta nedostala do míst, kde nemá co dělat. V dnešní době jsou tyto pasty překonány, avšak jsou
s oblibou používány buďto neznalými uživateli nebo lidmi, kteří nechtěji silikonové pasty, ale
do lepších nechtějí investovat. Mohou být využity taktéž pro zvláštní účely kvůli své elektrické
vodivosti (odemykání násobiče CPU přemostěním vývodů, repase vodivých cest atp.).
Keramické pasty
Keramická pasta je suspenze, již tvoří keramické mikročástečky (chemicky nejčastěji Al2O3, atp.)
společně s dalšími, tekutějšími, teplovodivými látkami, jenž pastu spojují a dávají jí tvárnost.
Zde se pozastavme nad terminologií typů past – z mnohdy protichůdných informací
nalezených na internetu lze usoudit, že za silikonovou pastu (přičemž křemík je hlavní součástí
keramiky, což může působit zmatek) jsou označovány pasty na bázi polymerů bez jakýchkoliv
pevných příměsí; pasty keramické jsou zato velmi hutné, jelikož obsahují velké množství příměsí,
jenž dělají z pasty suspenzi, jako pojivo však využívají právě silikonové pasty.
S tepelnou vodivostí v rozsahu řádově od 6 W∙m-1∙K-1 do 9 W∙m-1∙K-1 o třídu předčí
silikonové pasty, avšak s pastami kovovými jsou srovnatelné. Jejich výhodou je však elektrická
nevodivost, což přináší nižší nároky na manipulaci a předchází problémům se znečištěním dalších
ploch. S dobrou cenou se uplatní jako náhrada za pasty čistě silikonové.
V souvislosti s keramickými pastami lze narazit i na produkty chlubící se příměsemi na bázi
65
uhlíku. Jedním ze zástupců těchto past je například uznávaná Arctic Cooling MX-4 (viz obr. 35).
Výrobce nebyl ochoten složení pasty blíže upřesnit. 63
Tekuté kovy
Jediné dva zástupce na trhu v této kategorii vyrábí firma Coollaboratory. První z nich nese jméno
Liquid Pro a je tekutou slitinou několika kovů – jmenovitě jde o galium, indium, rhodium, stříbro,
zinek a cín. Pasta je navržena speciálně pro měděné, či stříbrné chladiče, hliníkové plochy by
s pastou mohly reagovat. Bod tání této pasty je 8 °C, dodává se v injekční stříkačce s aplikátorem.
Sloučenina je údajně dobře adhezivní a měla by jít nasát ubrouskem, což se hodí obzvláště
při stečení na plochy, kde by mohla způsobit zkrat – směs kovů svou skvělou elektrickou vodivostí
nepřekvapí.64 Při pohledu na sbírku ocenění
recenzentů je zřejmé, že se jedná o kvalitní
výrobek, avšak její cena je téměř dvojnásobně
vyšší, než u ostatních kvalitních past. Nástupcem
Liquid Pro má být čerstvě vydaná Liquid Ultra.
Výrobce uvádí, že hlavní změny se udály v
oblasti konzistence pasty – měla by jít
jednodušeji aplikovat a místo kohezní tekuté
hmoty se údajně setkáme s pastou v pravém slova
smyslu.“ 65
63 Arctic Releases MX-4 High Performance Thermal Compound. HardwareCanucks [online]. 2010[cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.hardwarecanucks.com/news/cases-power-cooling/arctic-releases-mx4-high-performance-thermal-compound/64 Coollaboratory Liquid Pro. Coollaboratory Thermo Engineering [online]. 2012 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.coollaboratory.com/en/products/liquid-pro/ 65 ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010, s. 27-28.
66
Obr. 36: Arctic Cooling MX-4 63
Obr. 37: Coollaboratory Liquid Ultra 66
66
Regulace výkonu aktivního chlazení
Regulace aktivních systémů na bázi ventilátorů je nejčastěji řešena regulací otáček rotoru. Na trhu
lze dnes běžně zakoupit mnoho typů zařízení, jenž nám umožňují otáčky minimálně plynule
regulovat v určitém rozmezí, pokročilejší zařízení nám nabídnout například i plynulou regulaci
na bázi programu v závislosti na teplotách, dochlazovací režimy či úplné odstavení částí chladícího
systému v případě, že k uchlazení daných komponent na dané teploty nejsou potřeba. S otáčkami
ventilátorů (a s nimi přímo korespondujícím průtokem vzduchu) jsou spojené i další veličiny, jako
je například hlučnost systému, rychlost tepelné výměny a tudíž výsledné teploty chlazených
komponent.
Regulační zařízení využívají tří základních přístupů:
1. Manuální – otáčky ovládá přímo uživatel
2. Automatické – otáčky jsou řízeny v závislosti na neměnném, výrobcem napsaném programu
3. Semi-automatické– otáčky řízeny automatikou, avšak do programu lze zasahovat.
Nejčastěji lze spatřit systémy s plně automatizovaným řízením, které, v případě počítačů nebo
serverů, obstarává BIOS základní desky. BIOS získává vstupní data o teplotách komponent z čidel
zakomponovaných přímo v pouzdrech těchto komponent (CPU, chipset, MOSFETy) a data
o otáčkách z četnosti pulzů ve výstupních žlutých kabelech vedoucích z jednotlivých ventilátorů.
Programy chladící automatiky fungují na bázi 2D mapy otáček ventilátoru v závislosti
na naměřené teplotě s případnými korekcemi a doplňkovými algoritmy (dochlazování, hysterezní
korekce tepelné setrvačnosti, přepínání více map v závislosti na požadovaném režimu – např. Asus
MB modes: Silent / Standard / Turbo; profuk při startu, watchdog doby náběhu za účelem kontroly
opotřebení ložisek, toleranční mapa teplot vztaženým k otáčkám,...). Automatickou regulaci
preferují uživatelé, kteří chlazení nevěnují přílišnou pozornost.
66 Coollaboratory Liquid Ultra. Coollaboratory: Thermo Engineering [online]. 2010 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.coollaboratory.com/en/products/liquid-ultra/
67
Metody regulace
Regulaci ventilátorů lze dále rozdělit dle technické metody řízení otáček.
1. Žádná regulace
• cca. do roku 2005 nejpoužívanější (ne)řešení problémů s hlučností a zanášením systémů
prachem – chlazení funguje neustále na plný výkon.
2. Napěťové řízení externí automatikou (základní desky)
• Ventilátor je ovládán změnou velikosti napětí na přívodu. Takovýto ventilátor je
nejčastěji napájen tří-pinovým konektorem – dva piny (kabely černý a červený) slouží
pro dodávku napětí o proměnné hodnotě, třetí pin (žlutý kabel) je výstupní, slouží pro
kontrolu otáček.
3. PWM regulace externí automatikou (základní desky)
• Funguje na principu přerušování toku elektrické energie vinutími, tzn. že do ventilátoru
je dodáváno neměnné napětí o konstantní hodnotě, avšak krom něj vede do ventilátoru
ještě jeden vodič navíc. Tento vodič slouží jako ovládací, přenáší signál z elektroniky
řízení otáček. Tento signál má obdélníkový průběh o konstantní amplitudě a frekvenci,
mění se pouze délka trvání jednotlivých pulzů.
• Z grafu průběhu signálu je možné vyčíst, že logika signálu funguje na bázi změny
poměru doby, kdy je ventilátor zapnut a kdy vypnut za periodu času. Čím déle je
ventilátor vypnut, tím menší práci motor vykonal a tím nižších otáček rotor dosáhne.
Svůj podíl na tom má setrvačnost rotoru a odpor vzduchu. Otáčky se ustálí na hodnotě,
kdy se výkon ventilátoru rovná výkonu potřebnému k rozpohybování objemu vzduchu.
PWM řízení nám dovoluje efektivně řídit výkon motoru. Metoda PWM umožňuje snížit
otáčky na mnohem nižší úroveň, než napěťové řízení, jelikož elektronika ovládající
spínání vinutí ventilátoru je napájena neustále a nemůže dojít k jejímu výpadku vlivem
nízkého napětí. PWM řízení je taktéž mnohem efektivnější kvůli neměnnosti napětí
na vinutí motorů. Pokles napětí na všech prvcích ventilátorů s sebou totiž přináší
problém v podobě poklesu účinnosti řídících obvodů, což může vést ke zbytečným
tepelným ztrátám.
68
4. Manuální regulace
• Regulace změnou napětí – potenciometry, vyhlazované pulzní regulátory, atp.
• PWM regulátory – uživatel ovládá potenciometrem (nikoliv na bázi automatiky) vstup
obvodu, který reguluje četnost pulzů za periodu – detaily viz výše.
• Regulátory mohou mít podobu například malé plastové krabičky pro jeden ventilátor
s potenciometrem (vhodné pro nasazení v aplikacích, kde není po prvotním nastavení
zásah uživatele žádoucí), výkonových potenciometrů do instalačních pozic pro přídavné
karty (vhodné pro málo časté zásahy do nastavení) nebo čelních panelů pro ATX skříně.
Tyto panely jsou, vzhledem ke své jednoduchosti a funkcím, ekonomickou variantou pro
náročné uživatele. Vyrábí se do pozic o velikosti 5,25“ (ODD) a 3,5“ (FDD). 67
5. Přímo regulovatelné ventilátory
• ventilátory s integrovaným regulačním mechanismem
• dnes nejčastěji manuální nebo semi-automatické řízení
• v minulosti používány ventilátory čistě automatické (s externí diodou, jenž
se umisťovala do pasivního bloku) – s oblibou používány OEM výrobci
• potenciometr na těle ventilátoru slouží buďto k přímé regulaci konstantních otáček
67 Aerocool Touch-2000. Tweakers.net [online]. 2014 [cit. 2014-04-15].Dostupné z: http://tweakers.net/pricewatch/253541/aerocool-touch-2000.html
69
Obr. 38: Manuální regulátor Aerocool Touch-2000 67
či jako vstupní proměnná obvodu s přednastavenou automatikou
6. Softwarová regulace
• lepší základní desky umožňují skrze sběrnici SM-bus propojení operačního systému
s řídícím čipem chlazení – umožní tak regulaci systému softwarově, který může
fungovat v libovolném režimu – ad absurdum můžeme dokonce na základě predikce
TDP zvýšit výkon chlazení dříve, než se stačí systém vůbec ohřát – chladící systém má
tepelnou setrvačnost, které lze při hraničních výkonech předejít;
• semiautomatické řízení chlazení nabízí skrze sběrnici USB taktéž i dobrá dedikovaná
zařízení (panely, zdroje, atp.), tyto technologie využívají většinou proprietární řešení;
• nové základní desky podporující UEFI (z vlastní zkušenosti např. MSI H61M) podporují
grafické nastavení semi-automatického řízení chladícího systému dokonce bez nutnosti
zavedení operačního systému.
Akcelerátor chlazení – Peltiérův článek
Peltiérův článek je polovodičová destička vyrobená z termoelektrického materiálu, nejčastěji
se jedná o Bi2Te3. Při průchodu elektrického proudu vzniká na rozhraní těchto dvou materiálů
tzv. Peltiérův jev.
Článek dokáže přesunout, úměrně svému výkonu, obrovské množství tepla z jedné strany
své plochy na druhou. Nespornou výhodou při využití Peltiérova článku je, že dokáže ochladit
příslušnou komponentu na teplotu pod hranicí teploty okolního prostředí – odstraňuje tak limity
teplotního spádu mezi prostředím a komponentou.
Popišme si pro ilustraci vlastnosti článku HP 199 1.4.0.8 od firmy TE Technology, Inc..
Operační teplotní rozsah článku se pohybuje v rozmezí -40°C až +80°C. Při teplotě horké strany
t = 50°C výrobce udává maximální teplotní rozdíl mezi stranami Δt = 78°C. Při napájení napětím
Vmax = 27,3 V prochází při 50°C na horké straně článkem proud 11,3 A. Při výše uvedené
maximální konfiguraci dokáže takto odvést článek z chladné strany maximálně 188,7 W tepla.68 Je
však nutné uvědomit si, že tato hodnota má udanou toleranci ±10% a hodnoty platí pro ideální
podmínky, jichž se velmi těžko dosahuje.
68 Thermoelectric couple HP-199-1.4-0.8. TE Technology, Inc. [online]. 2010 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.tetech.com/Peltier-Thermoelectric-Cooler-Modules/High--Performance/HP-199-1.4-0.8.html
70
69 Tato technologie má však rovnou několik podstatných nevýhod 70:
1. Spotřeba a efektivita
◦ Peltiérův článek je dimenzován s rezervou. Počítáme na 1 watt tepla, jež je třeba odvést,
2 watty ztrátového výkonu samotného článku. V případě našeho modelového příkladu
potřebuje článek na odvedení 188,7 W tepelného výkonu 308,5 W příkonu, který
se v článku přemění na další teplo. Na horké straně článku je pak tedy nutné uchladit
součet těchto výkonů. Dohromady se tedy jedná o téměř půl kilowattu tepla, což už je
hodnota, který si nezadá s výkonem elektrického topení. Má-li nakonec toto teplo
skončit ve vzduchu, musíme zajistit jeho dobrý odvod.
2. Výška článku
◦ V případě chlazení počítačů jsou rozměry chladičů přesně předepsány standardem
popisujícím konstrukci příslušenství pro daný socket. Je-li pod chladič nainstalován
Peltiérův článek (v našem případě s výškou 3,2 mm), dochází k porušení standardu
a vzniká tak zákonitě problém s uchycením spony – buď ji není možné uchytit vůbec
nebo má příliš velký přítlak ohrožující mechanickou pevnost spony, kotvícího
mechanismu nebo v nejhorším případě PCB. Jediným řešením těchto problémů je úprava
69 12V 60W TEC1-12706 Thermoelectric Cooler Peltier. Buy in Coins [online]. 2014 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.buyincoins.com/item/1165.html70 FAQ & Technical Information. TE Technology, Inc. [online]. 2010 [cit. 2014-04-13].Dostupné z: https://www.tetech.com/FAQ-Technical-Information.html
71
Obr. 39: Použití Peltiérova článku pro akceleraci chlazení 69
spony či kotvícího mechanismu podle potřeby.
3. Závislost účinnosti na napájení
◦ Je taktéž nutné vzít na vědomí, že v případě, že neprochází-li Peltiérovým článkem
proud, jeho schopnost vést teplo. Z tohoto důvodu se jeví jako vhodné připojit článek
na nezávislý, kontrolkou či akusticky hlídaný zdroj napájení a dobře implementovat
represivní ochrany pro případ výpadku chlazení.
72
Aplikační část
Pro spolehlivý chod každého elektronického zařízení je třeba jej pravidelně udržovat. Nejčastěji
jsou tyto problémy řešeny v organizacích, jelikož každá porucha zařízení, jenž zaměstnanci
používají k práci může vést k potížím v celém řetězci pracovníků dané organizace. Většina správců
má za účelem zabránění těmto potížím vypracován plán údržby. Takovýmto plánem rozumíme
rozvržení údržby v organizaci tak, abychom eliminovali obecně známé příčiny poruch výpočetní
techniky v organizaci a zajistili tak její plynulý chod.
Aplikační část je rozdělena na dvě přímo související podkapitoly. Informační báze shrnutá
v praktickém rádci vychází ze zkušeností autora v roli správce sítě na Masarykově střední škole
zemědělské v Opavě, aplikovatelnost popsané metodiky je tedy prakticky ověřena. Metodika však
není cílena pouze pro uživatele řešící údržbu zařízení ve své organizaci, její význam by neměli
podcenit ani domácí uživatelé. Tito sice nejsou časovými nároky a objemem práce nuceni zabíhat
do všech detailů textu, avšak text má pro tyto uživatele mít hodnotu demonstrativní – aby si
uvědomili, že příčinou valné většiny běžných potíží s elektronikou v domácnostech je zanedbání její
údržby a aby poznali, jaké postupy jsou používány profesionály.
V části zabývající se měřením jsou shrnuty výsledky simulací typických problémů
vyplývajících ze zanedbání údržby.
73
5.1 Praktický rádce pro údržbu chlazení elektronických zařízení
5.1.1 Metodika využitelná v organizacích
Tvorba přehledu servisovaných zařízení
V prvním kroku je nutné seznámit se se všemi zařízeními, která bude nutno servisovat. V tomto
kroku si musíme uvědomit, že nejčastější servis vyžadují primárně aktivně chlazená zařízení, jako
jsou servery, pracovní stanice, notebooky, aktivně chlazené switche a tiskárny. Primárním cílem
údržby aktivních chladících systémů je vyčištění zařízení od prachu, sekundárním cílem je kontrola
opotřebení jednotlivých dílů, vyřešení případných problémů a evidence problémů, jež nelze
operativně řešit.
Všechna zařízení je vhodné zaevidovat buď do tabulky o několika listech (každý list eviduje
určitý typ zařízení), pro rozsáhlejší organizace je vhodnější zavést specializovaný software
(např. freeware „MP Basic“). Vhodné je rozlišit do kategorií servery, pracovní stanice, switche,
datové rozvaděče a tiskárny. U každého zařízení je vhodné mít rozepsány jeho detailní specifikace,
specifické požadavky uživatelů na HW a SW a taktéž datum poslední údržby. Výše zmíněný
MP Basic však dokáže uživatelům nabídnout i kompletní kalendář všech provedených operací,
automatické plánování příští údržby a navíc i statistiky poruchovosti analýzu příčin problémů, apod.
Sepsání servisních postupů
Dalším krokem po sepsání plánu údržby je stanovení jednotných typových pracovních postupů.
Nejlépe mohu tuto položku ilustrovat praktickým příkladem:
Stolní počítače – kompletní údržba:
I. odpojit kabeláž, otevřít bočnice, vyfoukat prach tlakovým vzduchem
II. sundat chladič CPU, vyměnit teplovodivou pastu
III. dotlačit konektory a vyvázat kabely ve skříni
IV. zkontrolovat stav ventilátorů; poškozené, hlučné či nevyvážené vyměnit
V. pokud nejsou, doinstalovat prachové filtry na sání vzduchu
VI. aktualizovat HW specifikace v databázi
Jednotné servisní postupy zaručí neměnný přístup k veškeré technice v síti a zároveň poslouží jako
kontrolní seznam provedených úkonů – nestane se, že by administrátor zapomněl provést jakýkoliv
74
důležitý úkon, což krom jiného přispívá i ke zvýšení životnosti hardwaru.
Kompletace mobilní sady nářadí, zajištění servisního zázemí
Pro správce hardwarových prostředků je velmi vhodné pořídit si vlastní sadu nářadí, se kterou bude
vždy rychle k dispozici. Nejpraktičtější je umístit si toto nářadí do mobilního zavazadla, ideálně
do rozkládacího kufříku, ale klidně i do obyčejné plastové krabice na nářadí. Taktéž je vhodné
přidat k nářadí i jeho seznam, aby mohl člověk případně hned na místě zjistit, jaký nástroj ještě
zapomněl. Tato opatření dokáží uspořit nepředstavitelné množství času.
Správce by měl mít k dispozici taktéž vlastní servisní zázemí. Nejčastěji je možné
se v organizaci setkat s řešením, kdy administrátor dostane přidělenu vlastní technickou místnost,
která může sloužit jako serverovna, místnost pro rozsáhlejší opravy a sklad náhradních dílů.
Místnost by měla být vybavena zásobou technického lihu, papírových ubrousků a štětci k čištění
ventilátorů a komponent od prachu, lepší dílny si mohou dovolit i malý kompresor či tlakovou
nádobu se stlačeným vzduchem na hrubé vyfoukávání prachu ze silně zanesených strojů.
Zmíněný sklad náhradních dílů je velmi důležitý pro okamžité řešení akutních technických
problémů. Měl by bezpodmínečně obsahovat nové ventilátory běžných rozměrů (případně atypické
ventilátory pro kriticky důležitá zařízení jako jsou aktivně chlazené switche, routery nebo servery),
předobjednané vzduchové filtry na projektory, rezervní filtry pro počítače pro případ jejich
poškození a v neposlední řadě zásobu náhradních dílů pro počítače a notebooky, nepotřebné
kompletní chladiče nevyjímaje.
Odhad délky zásahu pro daný případ
Součástí tabulky seznamu zařízení by měla být odhadovaná maximální délka servisního zákroku,
případně popis činností, jež je nutné vykonat specificky u daného zařízení. Pro ilustraci –
potřebujeme-li odhadnout časovou náročnost kompletní údržby PC učebny za účelem jejího
odstavení z provozu po dobu nezbytně nutnou, je dobré vědět, že se např. k počítačům lze dostat
fyzicky jednoduše, avšak uvnitř každého z nich jsou tři ventilátory („120 odtah, 120 zdroj, Intel
BOX atyp.“) a čtyři pasivní chladiče a že rozebrání, vyčištění a přepastování jednoho systému
posledně zabralo 23 minut. Do plánu je tedy vhodné poznačit si minut třicet a nahlásím odstávku
učebny pro jistotu na 7 hodin. Na rozdíl od odhadování potřebného času je s tímto systémem práce
možné vyjít z reálných dat a rozplánovat si tak pracovní dobu mnohem efektivněji. Na první pohled
se může nezasvěcenému člověku zdát, že se jedná o zbytečnosti, v praxi se však vždy najde
problém, se kterým nebylo počítáno. Do poznámky je rovněž vhodné zapsat si zvláštní nářadí
75
potřebné pro provedení údržbových prací na daném zařízení.
Vypracování periodického rozvrhu údržbových prací
V momentě, kdy máme připravený seznam zařízení s odhadovanou časovou náročností zásahů, je
možné vypracovat samotný plán pravidelné údržby. Tento plán nám umožní objevit příčiny
problémů dříve, než vůbec vzniknou. Jako vedlejší efekty se však dostaví i větší spokojenost
uživatelů, lepší vztahy na pracovišti a uvolněnost na obou stranách. Dále je možné vypozorovat
dlouhodobé snížení nákladů na servisní zákroky vzhledem k jejich snížené potřebě.
Ladění metodiky
Podstatným faktorem pro trvale udržitelný rozvoj je nutnost aktualizovat servisní postupy podle
aktuálních potřeb. V průběhu praxe je docela jisté, že administrátora napadnou různé metody, jak si
určité činnosti zjednodušit a tak je vhodné tyto nápady do plánu zapracovat taktéž. Cílem poctivého
technika je taktéž přechod od represivních zásahů k preventivním, což sice vyžaduje zvýšené usilí
v prvotních fázích, avšak vložená práce se následně několikanásobně zúročí.
V případě údržby vzduchových systémů si můžeme preventivní opatření představit
například v podobě instalace prachových filtrů na přívod vzduchu do stolních počítačů či zavedení
webového helpdesk portálu pro uživatele vyžadující preventivní kontrolu svého zařízení.
5.1.2 Shrnutí pro běžné uživatele
Pro domácí uživatele z předchozího textu vyplývá jediné. Věnujte svým zařízením pozornost.
Pokud se Vám zdá, že počítač nebo notebook je podezřele hlučný nebo se, v horším případě,
bezdůvodně vypíná, pravděpodobně jste zanedbali jeho údržbu. Je běžným jevem, že uživatelé
takovéto chování počítače dlouhou dobu neřeší a do servisu jdou až tehdy, když počítač nelze
nastartovat. Budete-li věnovat svým zařízením pozornost, vyvarujete se spousty potenciálních
problémů a můžete dokonce ušetřit spoustu peněz. Nejlépe je možné toto ilustrovat na příkladech
běžně řešených problémů.
76
5.1.3 Nejčastěji řešené problémy
Zanesení prachem
Zanášení elektroniky prachem je problém, kterému se nelze vyhnout. Je ho však možné jednoduše
omezit. V prostoru, kde je elektronika provozována, je více než vhodné udržovat dobrý pořádek.
V případě osobních počítačů hraje velkou roli také fakt, zda jsou postaveny na zemi nebo
na vyvýšené ploše. V momentě, kdy se prach dostane k počítači, je nasán dovnitř ventilátory. Z míst
kam se osobní počítače běžně umisťují se prach hromadí nejvíce na podlaze, z vyvýšených ploch
má větší šanci spadnout níže.
Notebooky bývají oproti stolním počítačům k tomuto problému náchylnější ještě více.
Výkonnější stroje trpí, když je jim omezen přívod studeného vzduchu. Starší typy notebooků byly
na tento problém velmi náchylné, využívaly velmi často spodní sání. Dnes se častěji setkáme
se sáním skrze klávesnici nebo čelo, což jsou plochy, které se nedají zakrýt tak snadno.
Problém mohou rovněž představovat přístroje s perforovaným vrchem svého šasi. Jmenovitě
se jedná například o set-top boxy, zesilovače, HiFi věže, televize, monitory, atd. Všechna tato
zařízení bývají chlazená pasivně a perforace slouží k odvodu horkého vzduchu mimo zařízení.
Problémem je fakt, že tudy mohou projít i nečistoty dovnitř přístroje. V dnešní době prach
nepředstavuje tak vysoké riziko jako kdysi když byly v televizích a monitorech (CRT) používány
vysokonapěťové cívky, které, v případě poruchy, mohly přítomný prach dokonce i zapálit. Prach
fyzicky brání přirozené cirkulaci vzduchu a tepelné výměně mezi chladiči a vzduchem. Tato situace
pak vede k přehřívání a zbytečnému tepelnému namáhání všech komponent v daném zařízení. Může
se stát, že se zařízení plné prachu porouchá po dvou a půl letech na venek bezproblémového chodu
velmi náhle – nejčastěji kvůli vytečených kondenzátorů.
Řešení
Jednoduchým preventivním opatřením je udržování pořádku v okolí zařízení. Ani toto opatření však
nezachrání vše. V závislosti na míře používání je velmi doporučováno kontrolovat pravidelně stav
všech zařízení buď svépomocně nebo prostřednictvím preventivní prohlídky v servisu – preventivní
většinou není drahá. Jistota je zkontrolovat stav zařízení jednou za půl roku – zda je údržba potřeba
se může uživatel rozhodnout až poté.
Pokud se čtenář vydá cestou svépomocné údržby, jako první krok je nutné, aby si uvědomil,
77
že pracuje s delikátní elektronikou velmi citlivou na vlhkost (pozor na kompresory bez vysoušeče –
může z nich jít částečně vodní aerosol), statickou elektřinu (nutné se vybít vůči zemi, např. dotknout
se vodivé části radiátoru; ideálně pracovat se zemnícím náramkem) a fyzické namáhání. Vyfoukání
tlakovým vzduchem je asi nejjednodušší a nejšetrnější metodou pro čištění elektronických zařízení,
je však při něm nutno dbát zvýšené opatrnosti – vysoký tlak vzduchu může při blízkém kontaktu
fyzicky odtrhnout některé choulostivé elektronické součástky. Pokud není k dispozici kompresor,
tlakový vzduch lze zakoupit i v podobě spreje. Důrazně se doporučuje provádět čištění v exteriéru
a s nasazeným respirátorem.
Provoz v kuřáckém prostředí
Je-li zařízení provozováno v kuřáckém prostředí, je vystaveno velmi agresivním vlivům. Cigaretový
kouř, jak je známo, obsahuje mnoho škodlivých látek, výsledkem jejichž působení je chemická
degradace plastů, narušování optiky čtecích hlav v mechanikách a hlavně zanášení chlazení velmi
jemným lepivým prachem, jenž většinou nelze stlačeným vzduchem vyfoukat. Zanášení je tak
mnohem rychlejší a místo čištění vzduchem je nutné chemické čištění lihem či technickým
benzínem, což celý proces čištění značně prodlužuje. Řešením je vyvarovat se kouření v prostorech
kde je elektronika umístěna, případně, pokud prvnímu pravidlu nelze vyhovět (PC v barech, atp.), je
nutno zkrátit interval údržby.
Opotřebení ventilátoru
Opotřebený ventilátor se nejčastěji pozná zvýšenou provozní hlučností. Počítačové ventilátory nelze
opravovat, vždy se mění za nové, lepší a se zárukou. Lze je však udržovat, primárně výše
uvedenými pravidly. Žádná mechanická součást ale nevydrží pracovat věčně. Opotřebený ventilátor
je třeba vyměnit okamžitě – nikdy nebude mít průtok vzduchu, se kterým může počítat automatický
regulační systém chlazení a bude tak opět docházet ke zvýšenému tepelnému namáhání komponent.
Výměna ventilátorů je pak spíše záležitostí pro odborný servis. Uživatel si sice může koupit
libovolný ventilátor, jenž bude na dané místo pasovat rozměrově, avšak již nemusí znát klady
a zápory jednotlivých technologií a orientovat se na trhu.
78
Neodborné zásahy do chlazení
Neznalí uživatelé jsou často noční můrou servisních techniků. Často řešeným problémem je
například vniknutí předmětů do ventilátoru a zablokování rotoru. Příčiny tohoto problému jsou
leckdy i úsměvné – například zvědavé děti. Horší je pak, když se ve skříni počítače uvolní
nevyvázaný kabel, vnikne do roztočeného ventilátoru a zastaví jej uprostřed důležité práce.
Uživateli v ten moment funguje počítač dál, neví co to bylo za zvuk a tak jej raději ignoruje.
Po nějaké době se však počítač „pokazí“ – začne se zpomalovat nebo přestane reagovat nebo
vyskočí blue screen a nebo se z ničeho nic vypne.
Dalším z důvodů, proč je neznalým uživatelům častěji doporučována návštěva odborného
servisu je aplikace teplovodivé pasty, kdy se uživatelé řídí nejraději heslem „čím více, tím lépe“
a nebo ji naopak nepoužijí vůbec. V tom lepším případě se pak procesor zbytečně přehřívá,
v horším použili kovovou, elektricky vodivou pastu na odhalený čip s SMD součástkami okolo
jádra a vyzkratovali jej.
Kvůli neznalosti úchytného systému se také může stát, že uživatelé nedopnuli všechny
kotvící body tak, jak měli, chladič tak doléhá na chlazenou komponentu jen zlomkem své plochy
a PC se opět vypíná.
Řešení všech potíží uvedených výše je asi nejdůležitější ze všech – jako každý složitý
mechanismus vyžaduje i chladící systém odborný zásah.
79
5.2 Simulace problémových stavů chladícího systému
Za účelem ověření vážnosti výše uvedených problémů byla provedena dvě měření, při kterých byly
na klasickém stolním počítači simulovány poruchové stavy.
Jedná se konkrétně o:
1. simulaci náhlého zastavení ventilátoru v plné zátěži systému
2. srovnání výsledných teplot nového a silně opotřebovaného ventilátoru
Pro účely měření budeme rozumět:
• provozní teplotou bez zátěže hodnoty do 40 °C;
• provozní teplotou v plné zátěži hodnoty do 55 °C;
• bezpečnou teplotou hodnoty do 70 °C;
• kritickou teplotou hodnoty převyšující 70 °C.
80
5.2.1 Popis měřící sestavy
Měření byla prováděna na následující sestavě:
• základní deska Asus P5QL Pro s nejnovějším BIOSem
• 4 × 2 GB GEIL DDR2 @ 1066 Mhz vybavené heatspreadery
• ATI Radeon HD 3870
• zdroj Seasonic SS-500ET (500 W)
81
Obr. 40: Detailní specifikace měřeného procesoru
Řešení chlazení
• CPU chlazen chladičem Arctic Cooling Freezer 7 Pro;
◦ použitá teplovodivá pasta byla Arctic Cooling MX-2;
• ve zdroji je integrována automatická regulace otáček ventilátoru v závislosti na teplotě
komponent;
• odsávací ventilátor Arctic Cooling 12025 PWM;
◦ ventilátor disponuje rozbočkou pro připojení dalšího – využito pro připojení ventilátoru
na CPU, oba dva jsou tedy zapojeny na stejný výstup základní desky;
• teplota snímána přímo z čidel zabudovaných v jednotlivých komponentách.
Softwarová výbava testovací sestavy
• Operační systém Windows 7;
• programové vybavení AI Suite s aplikací Fan Xpert;
◦ tato aplikace slouží jako rozhraní mezi řídícími obvody základní desky a operačním
systémem – umožňuje regulaci otáček jednoho ventilátoru v semi-automatickém módu
(uživatelské nastavení automatiky) nastavováním procentuální délky PWM pulzů
v závislosti na teplotě procesoru;
• program Everest Ultimate v trial verzi;
◦ aplikace zaměřená na správu hardware;
◦ jednou z jejich funkcí je Test stability systému – umožňuje navolit vytížení specifických
komponent sestavy a monitorovat jejich výstupní parametry – teploty, hodnotu CPU
throttlingu (míra intervence represivní ochrany procesoru), otáčky ventilátorů, napětí
na jednotlivých komponentách, atd.
82
5.2.2 Simulace selhání funkce ventilátoru v plné zátěži systému
Metodika provedení testu:
1. Chladící systém byl nastaven do běžného provozního režimu.
2. Byl spuštěn zátěžový test v programu Everest.
3. Systém byl nějakou dobu ponechán v plné zátěži, aby se teplota procesoru stabilizovala.
4. Bylo odpojeno napájení ventilátorů (odsávání + CPU chladič).
5. Měření probíhalo do maximální možné míry intervence ochranného systému.
6. Zastaven zátěžový test.
7. Měřeno dochlazování bez aktivních prvků do stabilizace teploty.
8. Zapojeno napájení aktivních prvků a sledováno dochlazení aktivními prvky.
Analýza výstupních dat
Níže uvedená část textu obsahuje analýzu dat, jenž jsou uvedena na obrázcích v příloze 1.
• Obrázek 1:
◦ Po spuštění zátěžového testu skokově narostla teplota uvnitř procesoru. Tento fakt lze
přičíst přechodovým odporům mezi chladičem a jádrem – CPU je vybaven měděným
heatspreaderem (pod nímž je silikonová pasta) a po přetaktování má větší TDP. Tento
jev lze přirovnat ke zúženému potrubí, kterým má protéct objem vody (tepla), jenž
za normálního tlaku nemůže projít. Za zvýšeného tlaku (v tomto případě za vyššího
teplotního spádu) však projít zvládne.
◦ Napájení ventilátoru bylo odpojeno po třech minutách od spuštění testu.
◦ Za cca. 5 minut, kdy byl procesor zatížen bez řádného chlazení narostla jeho teplota
do kritických mezí (85 °C).
◦ Po dosažení 85 °C zafungoval ochranný systém procesoru a začal vkládat prázdné cykly,
což je metoda pro snižování zátěže (a výkonu) procesoru – teplota se stabilizovala.
83
• Obrázky 2 a 3:
◦ teplota se sice stabilizovala na hladině 85 °C, avšak, jak lze vyčíst z červené křivky
na spodním grafu, stabilizovala se jen díky neustále se zvyšujícímu podílu intervence
ochranného systému.
◦ Automatika řízení otáček se snaží přehřátí kompenzovat plným výkonem chlazení –
program Asus Fan Xpert si však nehlídá otáčky ventilátorů.
◦ Na grafu časového průběhu teploty je jasně demonstrováno, že v tomto případě dokázal
ochranný systém udržet teplotu CPU na limitní hodnotě při zachování funkce systému.
◦ S referenčním chladičem (natož pak zaneseným prachem) by toto s vysokou
pravděpodobností, vzhledem k jeho malé tepelné kapacitě a konstrukci, nebylo možné.
◦ Po jedenácti a půl minutách byl zátěžový test vypnut.
• Obrázky 4 a 5:
◦ Okamžitě po vypnutí testu lze pozorovat skokový pokles teploty jádra – teplotně
namáhané přechody od té chvíle zvládaly propustit dostatek tepla.
◦ Z obrázku 4 lze rovněž vyčíst, že chladič dokázal bez zátěže teplotu stabilizovat
na cca. 65 °C, což je hodnota převyšující doporučenou hranici o celých 25 °C.
◦ Po obnovení funkce aktivního prvku došlo k okamžité korekci teploty na běžnou
provozní hladinu – na grafu teploty lze pozorovat hyperbolickou křivku (účinnost
chlazení klesá s poklesem teplotního spádu).
Závěr
Z tohoto měření vyplývá, že v případě náhlého zastavení ventilátorů jsou chlazené komponenty
okamžitě vystavovány enormní teplotní zátěži. Tato teplotní zátěž může v extrémních případech
vést až k úplnému selhání systému kvůli zafungování systémových ochran a v případě jejich
absence ke zničení komponenty. Toto měření rovněž zdůrazňuje důležitost přítomnosti represivních
ochran.
84
5.2.3 Srovnání výsledných teplot při použití nového a opotřebovanéhoventilátoru
Metodika provedení testu:
1. Chladící systém byl nastaven do běžného provozního režimu.
2. Spuštěn zátěžový test v programu Everest.
3. Systém byl chvíli ponechán v plné zátěži, aby se teplota procesoru stabilizovala.
4. Zastaven zátěžový test.
5. Chladící systém byl přenastaven tak, aby simuloval použití opotřebeného ventilátoru – tření
v opotřebovaných ložiscích snižuje maximální otáčky ventilátoru.
6. Spuštěn zátěžový test v programu Everest.
7. Čekání na dosažení limitní teploty (70 °C).
8. Zastaven zátěžový test.
9. Měřeno dochlazování na běžnou provozní teplotu bez zátěže.
Analýza výstupních dat
Níže uvedená část textu obsahuje analýzu dat, jenž jsou uvedena na obrázcích v příloze 2.
• Obrázky 1 a 2 – plně funkční ventilátor:
◦ Otáčky plně funkčního ventilátoru se řídí kalibrační tabulkou vpravo nahoře.
◦ Při provozu plně funkčního ventilátoru bylo dosaženo stabilní maximální teploty 57 °C.
◦ Této teploty bylo dosaženo při automatickém nastavení 80 % otáček.
◦ Po vypnutí zátěžového testu spadla teplota okamžitě na běžnou provozní hladinu, která
se v tomto případě pohybovala okolo hranice 30 °C. Tohoto skokového poklesu bylo
dosaženo proto, že samotné těleso chladiče bylo chladné, avšak přechodový odpor mezi
jeho základnou a jádrem (přičítaný IHS) nedovoloval zvýšené množství tepla odvést.
85
• Obrázky 3 a 4 – opotřebovaný (přidřený) ventilátor:
◦ Opotřebení ventilátoru bylo simulováno snížením maximálních otáček v řídícím
programu rozhraní Fan Xpert na úroveň 40 % původní hodnoty. Program má však
zabudovánu ochranu – při dosažení 74 °C automaticky nastavuje rychlost ventilátorů
na 100 %, test byl proto proveden pouze do 70 °C.
◦ Regulační automatika po spuštění testu začala okamžitě zvyšovat otáčky ventilátoru, ty
však, kvůli simulované poruše, nedosáhly úrovně, na kterou je chladič dimenzován.
◦ Malý proud vzduchu nedokázal dostatečně ochlazovat pasivní blok chladiče a ten tak
začal akumulovat teplo.
◦ Při provozu opotřebovaného ventilátoru bylo dosaženo limitní teploty 70 °C, po jejímž
dosažení byl test ukončen. Těchto teplot by normálně nemělo být při provozu systému
dosahováno. Pokud se tak stane, chladící systém je buď vadný nebo poddimenzovaný.
◦ V závěru grafu na obrázku 4 je možné pozorovat, že po ukončení testu klesala teplota
procesoru ve srovnání s testem předchozího ventilátoru jen velmi pomalu. Za tento jev
může tepelná kapacita chladiče, jenž nestíhal být chlazen akumuloval tak teplo sám.
Závěr
Tento test měl za cíl demonstrovat. že důsledkem zanedbání varovných indikátorů poruchy
aktivního prvku chladícího systému může být výrazné přehřívání chlazených komponent. Výše
uvedený test lze rovněž považovat za simulaci zanesení pasivního bloku prachem, jelikož aktivní
systém, přestože může být v pořádku, nedokáže protlačit zaprášeným blokem takový objem
vzduchu jak v případě bloku čistého.
86
Závěr práceCílem této bakalářské práce bylo vytvořit poznatkovou bázi z oblasti pproblematiky chlazení
výkonových prvků spotřební elektroniky a výpočetní techniky. Předložená práce byla rozdělena
na teoretickou a aplikační část.
V teoretické části práce byly nejprve představeny vybrané pojmy a děje z oblasti fyziky
(termodynamiky). Následně byly definovány požadavky na chladící systémy, jenž hrají důležitou
roli při srovnávání výhod a nevýhod jednotlivých metod chlazení. Zvláštní pozornost byla věnována
v praxi nejčastěji používanému chlazení vzduchovému. V této oblasti byly definovány nejrůznější
odborné pojmy, rovněž byly aplikovány do praxe znalosti z kapitoly o fyzikálních dějích. Porovnali
a oddůvodnili jsme využití pasivních a aktivních prvků vzduchového chlazení a vysvětlili dílčí
technologie využívané k chlazení každou z těchto technik. V práci byly rovněž řešeny technologie
úzce související se všemi výše uvedenými metodami chlazení. Jedná se například o teplovodivé
pasty, Peltiérovy články či heatpipe. V případě aktivních prvků vzduchového chlazení byl rovněž
věnován prostor výhledu do budoucnosti a byly představeny technologie mající potenciál nahradit
aktivní prvky využívané v současné době.
V aplikační části práce byl čtenář seznámen s postupy aplikovatelnými v oblasti údržby
chladících systémů v organizacích. Laický čtenář mohl nalézt informace pro svou potřebu
ve stručném shrnutí předchozí odborné metodiky. Význam uvedených informací byl podložen
výčtem a analýzou běžných technických problémů a analýzou jejich příčin. Čtenář zde měl rovněž
šanci nalézt odpovědi na otázku, jak se vyvarovat chybám při údržbě. Význam převažujících chyb
byl podložen dvěma měřeními, jenž potvrdily předkládaná fakta.
S ohledem na výše uvedené lze usoudit, že dílčí cíle byly, s ohledem na omezený rozsah
práce, naplněny.
87
Využité zdroje
1. Měrná tepelná kapacita. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky[online]. 2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/578-merna-tepelna-kapacita
2. Vnútorná energia. O škole [online]. 2010 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=6254
3. Přenos vnitřní energie. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky[online]. 2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/582-prenos-vnitrni-energie
4. Thermal contact resistance. Thermopedia [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http:// www.thermopedia.com/content/1188/?tid=110&sn=24
5. Vlastní polovodiče. REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online].2006-2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/262-vlastni-polovodice
6. Thermal Expansion of Ball Grid Arrays. Dantec Dynamics: Laser Optical MeasurementSystems and Sensors [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.dantecdynamics.com/thermal-expansion-of-ball-grid-arrays
7. HARE, Ed. SEM LAB INC. Failure Analysis of BGAs. 2007. Dostupné z: http://www.semlab.com/failureanalysisofbgas.pdf
8. Ars at CES 2013 Power saving through marketing: Intel’s “7 watt” Ivy Bridge CPUs. ARSTechnica [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://arstechnica.com/gadgets/2013/01/power-saving-through-marketing-intels-7-watt-ivy-bridge-cpus/
9. Casablanca INT druhý den v potížích: po zatopení serverů obnovuje data. Lupa.cz: Servero českém internetu [online]. 2014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.lupa.cz/clanky/casablanca-int-ma-problemy-nektere-sluzby-nejsou-dostupne/
10.Determining the best server room temperature. IT Watchdogs [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.itwatchdogs.com/environmental-monitoring-news/data-center/determining-the-best-server-room-temperature-546783
11.BURT, Jeffrey. Google Uses Recycled Water to Cool Georgia Data Center. EWeek. 2012, s.2-2.
12.A Beginner's Guide For WaterCooling Your PC. Tom's Hardware: The authority on tech[online]. 2007 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/a--beginners-guide-for-watercooling-your-pc,1573-2.html
13.CMS Water Cooling Kit. HighSpeed PC [online]. 1999-2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:www.highspeedpc.com/Merchant2/merchant.mv?Screen=PROD&Product_Code=CMSkit&Category_Code=WatercoolingKits
14.Teoretický i praktický průvodce vodním chlazením. ŠULC, Tomáš. PCTuning.cz [online].2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje--chladice/27530-teoreticky-i-prakticky-pruvodce-vodnim-chlazenim? start=3
15.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 24-26.
16.Radeon R9-290X Crossfire vs GeForce GTX 780 SLI review: Power Consumption. TheGuru of 3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://
88
www.guru3d.com/articles_pages/radeon_r9_290x_crossfire_vs_sli_review_benchmarks,4.html
17.AMD Radeon R9-290 review – Graphics card temperatures. HAGEDOORN, Hilbert. TheGuru of 3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://www.guru3d.com/articles_pages/radeon_r9_290_review_benchmarks,11.html
18.Prometeia Mach II GT - libo mražené CPU?. Svět hardware: ...vše ze světa počítačů[online]. 2005 [cit. 2014-04-18]. Dostupné z: http://www.svethardware.cz/recenze-prometeia-mach-ii-gt-libo-mrazene-cpu/13016
19.HVAC – The Refrigeration Cycle. HVAC Training [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://hvacbeginners.com/refrigeration-cycle/
20.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 28-29
21.Press Coverage of the CGGVeritas Installation. Green Revolution Cooling [online]. 2014[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.grcooling.com/press-coverage-of-the-cggveritas-installation/
22.Core i7 Extreme Overclocking with LN2. Hot Hardware [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://hothardware.com/Reviews/Core-i7-Extreme-Overclocking-with-Liquid-Nitrogen/?page=7
23.Радиатор Zalman ZM-NB47J. Hotline.ua [online]. 2007 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http:// hotline.ua/computer-kulery-i-radiatory/zalman_zm-nb47j/
24.Zalman ZM-NB47J Northbridge Chipset Heatsink. Frosty Tech [online]. 2007 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.frostytech.com/articleview.cfm?articleID=2236
25.Application Instructions for Premium Silver Thermal Compound. Arctic Silver [online].2001 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http://bis.midco.net/dweigu/application_instructions_for_pre.htm
26.Overclocking Intel's Wolfdale E8000. Tom's hardware: The authority on tech [online]. 2008[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/wolfdale-steroids,1777-6.html
27.Beginners Guide: How To Install/Remove Intel Socket LGA1366 CPU and Heatsink:Removing Socket 1366 heatsinks and processors safely. PC Stats [online]. 2011 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleid=2385&page=6
28.Beginners Guide: How To Install/Remove AMD Socket AM3 CPU and Heatsink: Installingthe Socket AM3 Heatsink. PC Stats [online]. 2012 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleid=2676&page=4
29.Building Your Own PC, Part 2: Assembly Step by Step. Tom's hardware: The authority ontech [online]. 2002 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http://www.tomshardware.com/reviews/building-pc,518-6.html
30.Test chladičů grafik — Accelero Xtreme III a Accelero S1 Plus. PCtuning.cz [online]. 2012[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://pctuning.tyden.cz/hardware/skrine-zdroje-chladice/24698-test-chladicu-grafik-accelero-xtreme-iii-a-accelero-s1-plus?start=9
31.Enzotech - Chipset Heatsink - Cuivre - CNB-S1. Amazon [online]. 2009 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.amazon.co.uk/Enzotech-Chipset-Heatsink-Cuivre-CNB-S1/dp/B002HSP1ZM
32.SilenX IXN-40C Copper Chipset Cooler. Newegg [online]. 2014 [cit. 2014-04-14].Dostupné z: http://www.newegg.com/Product/Product.aspx?Item=N82E16835226019
33.Electronica 2. Gameroom [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://
89
gameroom.flipperwinkel.nl/games/dmdgames/tz/3rdmag/electronica2_e.htm 34.JIŘÍ, Mikulčák. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. 1. vyd. Praha:
SPN n.p., 1989, 131,141. 35. Co potřebují naše CPU? - Měděné chladiče!. Živě [online]. 2000 [cit. 2014-04-16].
Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/co-potrebuji-nase-cpu---medene-chladice/sc-3-a-1159/
36.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 15.
37.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 15-16.
38.AURAS CTC-868 CPU Cooler. TNTrade e-shop [online]. 2013 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.shop.tntrade.cz/auras-ctc-868-cpu-cooler_d50678.html
39.GlacialTech Igloo 5750 Silent CPU Cooler Review. Hardware Canucks [online]. 2008[cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.hardwarecanucks.com/forum/39997-post1.html
40.Подшипник скольжения - как устроен, принцип работы, плюсы и минусы. XtechX.ru[online]. 2009 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.xtechx.ru/spravochnik-hi-tech-terminov-i-kompanii/174-sleeve-bearing-podshipnic-skolzhenia.html
41.Ceramic Ball Bearings. Indomarchingband [online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http://indomarchingband.com/ceramic-ball-bearings/
42.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 20-22.
43.Technologies. Noctua.at [online]. 2012 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:http://noctua.at/main.php?show=technologies&lng=en
44.Noctua NF-S12B ULN, FLX. X-bit Laboratories [online]. 2009 [cit. 2014-04-14]. Dostupnéz: http://www.xbitlabs.com/articles/coolers/display/120-140-fans-roundup_14.html
45.Stepped inlet design. Noctua [online]. 2012 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z:http://noctua.at/main.php? show=stepped_inlet_design
46.Arctic Cooling F8 80mm High Performance Case Fan - 3pin - ARCTIC F8. Overclock.co.uk[online]. 2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.overclock.co.uk/product/Arctic-Cooling-F8-80mm-High-Performance-Case-Fan-3pin_25522.html
47.Arctic Cooling Arctic F12 Pro TC, Temp Controlled High Performance Rear Fan.QuietPC.com [online]. 2009 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.quietpc.com/ac-arctic-f12-pro-tc
48.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 20-21.
49.Mřížka ventilátoru FG 120. Lindr CZ: chladící a výpočetní technika [online]. 2014 [cit.2014-04-15]. Dostupné z: http://eshop.lindr.cz/mrizka-ventilatoru-fg-120
50.Prachové filtry za babku aneb konec silonek v Čechách. Živě [online]. 2006 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/prachove-filtry-za-babku-aneb-konec-silonek-v-cechach/sc-3-a-132015/default.aspx
51.A Tiny Wind to Cool the Tiniest Circuits. National Science Foundation: where discoveriesbegin [online]. 2004 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z:https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=100354
90
52.KŘIVOHLÁVEK, Jindřich. Chlazení počítače: kompletní průvodce (nejen) pro hráče. Vyd.1. Brno: Computer Press. ISBN 978-80-251-1509-1.
53.115VAC / 60Hz Piezoelectric fan blade. Piezo Systems, Inc. [online]. 2011 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.piezo.com/prodfan1vac.html
54.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 36.
55.GE's "dual piezo cooling jet" could enable even cooler gadgets. Gizmag [online]. 2012 [cit.2014-04-15]. Dostupné z: http://www.gizmag.com/ge-dual-piezo-cooling-jet/25447/
56.Micromechatronics: Features and Technical Specification of Microblower. Murata IndustriesGlobal [online]. 2012 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.murata.com/products/micromechatronics/feature/microblower/index.html
57.B.tech project: HEAT PIPES [Study]. B.tech project [online]. 2012 [cit. 2014-04-15].Dostupné z: http://btechgurus.blogspot.cz/2012/06/heat-pipes.html
58.KŘIVOHLÁVEK, Jindřich. Chlazení počítače: kompletní průvodce (nejen) pro hráče. Vyd.1. Brno: Computer Press, 2007, s. 27. ISBN 978-80-251-1509-1.
59.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 17.
60.Heat pipe. Wikipedia: The Free Encyclopedia [online]. 2014 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z:http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe
61.Scythe Big Shuriken 2. Hardware.info [online]. 2014 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z:http://uk.hardware.info/productinfo/130359/scythe-big-shuriken-2
62.JIŘÍ, Mikulčák. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. 1. vyd. Praha:SPN n.p., 1989, 141
63.Arctic Releases MX-4 High Performance Thermal Compound. HardwareCanucks [online].2010 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.hardwarecanucks.com/news/cases-power-cooling/arctic-releases-mx4-high-performance-thermal-compound/
64.Coollaboratory Liquid Pro. Coollaboratory Thermo Engineering [online]. 2012 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.coollaboratory.com/en/products/liquid-pro/
65.ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika2010: Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT. Praha: ČVUT, 2010,s. 27-28.
66.Coollaboratory Liquid Ultra. Coollaboratory: Thermo Engineering [online]. 2010 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http://www.coollaboratory.com/en/products/liquid-ultra/
67.Aerocool Touch-2000. Tweakers.net [online]. 2014 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z:http://tweakers.net/pricewatch/253541/aerocool-touch-2000.html
68.Thermoelectric couple HP-199-1.4-0.8. TE Technology, Inc. [online]. 2010 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.tetech.com/Peltier-Thermoelectric-Cooler-Modules/High--Performance/HP-199-1.4-0.8.html
69.12V 60W TEC1-12706 Thermoelectric Cooler Peltier. Buy in Coins [online]. 2014 [cit.2014-04-15]. Dostupné z: http://www.buyincoins.com/item/1165.html
70.FAQ & Technical Information. TE Technology, Inc. [online]. 2010 [cit. 2014-04-13].Dostupné z: https://www.tetech.com/FAQ-Technical-Information.html
91
Přílohy
92
Příloha 1
Simulace náhlého selhání
funkce ventilátoru
Obrázek 1
Obrázek 2
Obrázek 3
Obrázek 4
Obrázek 5
Příloha 2
Porovnání výsledných teplot při použitínového a opotřebovaného ventilátoru
Obrázek 1
Obrázek 2
Obrázek 3
Obrázek 4
