Hladnjaci u elektroničkim uređajima

 

Hladnjaci su najosnovniji oblik hlađenja pored jednostavne površinske konvekcije u današnjim elektroničkim uređajima. U prosječnom računalu obično ćete pronaći dva do tri hladnjaka: na procesorima, grafičkim karticama i čak na čipsetu matične ploče. Hladnjaci se također koriste na elektroničkim uređajima za napajanje kao što su napajanja, pojačala, regulatori svjetlosti i komponente za prebacivanje električne energije (kao što su SSR uređaji). Obično izgledaju kao komadi aluminija s velikim brojem izbočina. Iako postoje različiti načini izrade hladnjaka i različite filozofije oblikovanja, ideja im je ista: povećati površinu kako bi se povećala disipacija topline. Nisu svi hladnjaci jednaki.

Najvažniji čimbenik kod hladnjaka je, prirodno, njegova sposobnost da u najkraćem vremenu odvede najveću količinu topline. Koliko je hladnjak dobar u tome obično se označava koliko će jedan vatio snage zagrijati hladnjak (ocjena C/W). Što je niža ocjena C/W, to je hladnjak bolji u disipaciji topline uz pravilnu ventilaciju i okolnu temperaturu. Komercijalno izrađeni hladnjaci obično imaju ovaj broj naveden u tehničkim podacima. Ova sposobnost prijenosa topline iz komponente ovisi o nekoliko čimbenika. Prvo je materijal. Većina hladnjaka izrađena je od aluminija.

Aluminij je odličan provodnik topline i relativno je jeftin. Grubo rečeno, provodljivost se može shvatiti kao prijenos molekulske kinetičke energije između čvrstih tvari.

Bakar je doista bolji provodnik od aluminija, ali zbog više cijene nije uobičajen.

Drugi čimbenik učinkovitosti hladnjaka je, kao što je spomenuto, površina. Izbočine služe kako bi izložena površina bila mnogo puta veća nego da je ista količina materijala u čvrstom bloku. Što je veća površina izložena zraku, to je veća disipacija topline za određenu količinu metala. Toplina izlazi iz hladnjaka kroz konvekciju i zračenje. Konvekcija prenosi kinetičku energiju iz čvrstog objekta u zrak.

Većina rješenja danas koristi ventilatore kako bi prisilili veće količine zraka preko površine hladnjaka. Kada je hladnjak vruć, također zrači nešto topline kao toplinsko zračenje, ali na niskim temperaturama hladnjaci obično (obično ispod 100 stupnjeva Celzijusa) imaju prilično nizak protok topline putem zračenja. Točno je da boja hladnjaka ima neki učinak na zračenje, ali različiti hladnjaci boje su tako slični kad su zatvoreni u vašem uređaju da ih možete sigurno zanemariti. Hladnjaci su približno jednaki, što se tiče disipacije topline, limu od aluminija debljine 1/8 inča dimenzija prikazanih u nastavku:

12″ X 12″ = približno 2,1 stupanj Celzijusa po wattu termičkog porasta (2,1 C/W)
15″ X 15″ = približno 1,5 stupanj Celzijusa po wattu termičkog porasta (1,5 C/W)
18″ X 18″ = približno 1,0 stupanj Celzijusa po wattu termičkog porasta (1,0 C/W)

U usporedbi, za postizanje istog učinka bilo bi potrebno dvostruko više čelika i četiri puta više nehrđajućeg čelika. Zapamtite da hladnjak uklanja toplinu iz elektroničke komponente koju treba hladiti i prenosi tu toplinu zraku u električnom kućištu. Zauzvrat, ovaj zrak mora cirkulirati i prenositi svoju toplinu na vanjsku okolinu. Osiguravanje otvora i/ili prisilne ventilacije dobar je način za postizanje toga. Dobra je ideja imati barem jedan inč ispod njih, tako da zrak može ući u područje rebrastog hladnjaka (ako imate manje slobodnog prostora, hladnjak je manje učinkovit, što znači veća vrijednost C/W).

Hladnjaci uvijek trebaju imati prazan prostor iznad sebe tako da topao zrak može izaći iz područja hladnjaka. Toplina se mora prenijeti s elektroničke komponente na hladnjak na neki način, obično se komponenta montira na hladnjak (regulatori, tranzistori, tiriistori itd.) ili se hladnjak montira na vrh komponente (obično IC-ovi).

Najbolji termalni kontakt je metal na metal (kada se cijelo metalno područje dodiruje i nema izolirajućih zračnih praznina između metala). Najbolji način postizanja toga je “lapiranje” kontaktnih područja s finim abrazivom. Kada to učinite, primjena male količine termalne paste poboljšava provodljivost za manje od 0,5%. Također smo otkrili da primjena više paste značajno smanjuje provodljivost (za 10% ili više). Zbog procesa obrade gotovo svaki hladnjak će imati grubu površinu. Golim okom može izgledati ravno ili čak glatko, ali postoje mikroskopske brazde na površini. Te brazde će zarobiti zrak između hladnjaka i CPU-a ili druge komponente koja generira toplinu, što uzrokuje loš prijenos topline.

Termalna pasta (Arctic Silver, Nanotherm, itd.) koristi se za ispunjavanje tih brazdi i pomaže u prijenosu topline s CPU-a ili druge elektroničke komponente na hladnjak. Mnogi OEM ili hlađenje niskog ranga koriste ili termalni interfejski jastučić (TIM) ili onu bijelu pastu (silikonsku pastu) koju možete dobiti u trgovini. Činjenica je da ni jedan od njih ne radi izvrsno u prijenosu topline s procesora ili druge komponente na hladnjak, rade pristojno.

Problem s trenutnim komercijalnim pastama je što su se usredotočile na toplinsku vodljivost materijala, a ne na temeljno načelo termalne paste, a to je ispunjavanje praznina. Silikonska ‘goop’ pasta prilično je termički vodljiva, ali veličina čestica i loša širina mogu uzrokovati da bude više izolator nego vodilica. S druge strane, upotreba potpuno tekućih stvari poput mineralnog ulja također ne hladi dobro jer nije dovoljno provodljivo.

Čak i najbolja pasta srebrno-punjenja ima 1/32 termičke vodljivosti aluminija. Brtva od indija vjerojatno je najbolje što možete učiniti, ali još uvijek je znatno lošiji provodnik temperature od aluminija. Pasta se ne smije koristiti kao punilo za karoseriju automobila. Ključ je pronaći nešto s pravilnom ravnotežom vodljivosti i širine. Pokušajte eliminirati prazninu. Pravilna primjena ključna je za učinkovitost termalne paste. Ideja je dobiti vrlo tanki, nekontaminirani sloj između čipa i hladnjaka. Bilo kakvo ulje, ogrebotine, prašina itd. mogu uzrokovati smanjenje učinkovitosti.

 

Najbolje termičke paste za učinkovito odvođenje topline s procesora uključuju:

Arctic MX-4:

Visoka toplinska vodljivost.

Dugotrajan učinak.

Jednostavna primjena i nanošenje.

 

Noctua NT-H1:

Izvrsne performanse u prijenosu topline.

Dugotrajan i pouzdan.

Ne sadrži štetne tvari poput metalnih čestica.

 

Thermal Grizzly Kryonaut:

Izuzetno visoka toplinska vodljivost.

Odlična stabilnost na visokim temperaturama.

Niska električna vodljivost.

 

Cooler Master MasterGel Maker:

Vrlo dobra toplinska vodljivost.

Niska električna vodljivost.

Otporna na starenje.

 

Gelid Solutions GC-Extreme:

Vrhunska toplinska vodljivost.

Dugotrajan učinak i stabilnost.

Nije električki provodljiva.

Ove paste su priznate među entuzijastima i profesionalcima zbog svojih odličnih svojstava u prijenosu topline, što doprinosi boljem hlađenju procesora i drugih komponenata računalnog sustava. Pri odabiru termičke paste važno je uzeti u obzir potrebe vašeg sustava i pravilno slijediti upute za nanošenje.