Кулеры представляют из себя массивные добротные радиаторы, набранные из медных пластин толщиной 0,5 мм. По полкило чистой меди в каждом. Внизу пластины притянуты болтом к массивному цоколю. В общем, яркие представители направления раздутия веса и габаритов радиатора для увеличения теплосъема от процессора. Кулер IH-3400WFCA (в дальнейшем №1) выпускается вообще без вентилятора, хотя авторы в инструкции допускают, что если пользователю очень приспичит, то он сам его может поставить.
По данным сайта производителя вес кулера 488 г, размеры: 106Х106Х58 мм. Используется для процессоров AMD Athlon XP и Athlon 64 до 3400+, Intel P4 до 3.4 ГГц.
Кулер IH-3200C (в дальнейшем №2) имеет несколько меньший по диаметру радиатор. Вентилятор установлен внутри чаши радиатора.
По тому же сайту прозводителя: размер кулера — 92х92х67мм. Вес 548 г. Скорость вращения вентилятора 3000 rpm ±10%. Шум 32 dB. Для тех же процессоров.
В этих устройствах так и хочется количественно определить, что дает отдельно радиатор и вентилятор, и посмотреть слаженность их взаимной работы. Общепринятые сейчас методы исследования тепловой эффективности кулеров на работающих процессорах нам никак подойти не могли. Они не могут показать без ущерба для компьютера, какова была бы температура процессора без включения вентилятора и вообще без кулера. Поэтому мы попытались пойти другим, тоже известным путем, а именно, создать для испытаний тепловой стенд, подобный тем, что применяются при создании новых кулеров. В наших условиях лаборатории с такими техническими возможностями уже, в подавляющем большинстве, закрылись или разбежались. Поэтому наш стенд пока еще примитивен и несовершенен, но, на первых порах, совместно с аэродинамическими измерениями, помогает разобраться с тепловой эффективностью кулеров. Устройство стенда и система измерений
Основная идея такого стенда не нова – смоделировать тепловой поток от реального процессора, используя регулируемый нагревательный элемент, способный создать такой же поток. При этом он не выйдет из строя даже без применения системы охлаждения. В качестве платформы для контакта с кулерами мы использовали латунную пластину размером 9х11 мм. В ее центр был впрессован медный стержень, через который и подводится тепло (100 Вт). Просверлив обломок материнской платы с Socket 7, установили пластину со стержнем и прикрепили к лабораторному столу.
Снизу платформы в канавке глубиной 1 мм стационарно установлена термопара, подключенная к мультиметру DT-838. Измеряемая ей температура и является базовой в последующих опытах. Кулер крепится как и в компьютере, плотно прижимаясь к нашей платформе.
Температура в характерных точках радиатора измерялась другой термопарой, присоединенной к мультиметру DT-830. Следует отметить, что погрешность этого мультиметра оказалась в дальнйшем слишком высокой, порядка 5%, Поэтому он использовался только как контрольный, а все измерения проводились на DT-838.
В данной работе мы специально выбрали температуру платформы с работающим кулером №2 на 10-15°С выше, по сравнению с показаниями штатных датчиков процессора, чтобы заведомо иметь запас по мощности теплового потока.
Опыты повторялись минимум три раза в разные дни. Отклонение измеряемых параметров составляло не более 1,5-2%.
В аэродинамических тестах с кулером №2 для измерения скоростей воздушного потока использовался подробно описанный нами в статье термоанемометр DISA 55D80.Результаты тестирования кулера №1
В начале экспериментов нагревалась платформа без кулера при фиксированной мощности тепловыделяющего устройства. Время выхода на стационарный режим составляло около сорока минут. Стационарным считался режим, когда в течении 10 минут показания мультиметра не менялись более, чем на ±2°С.
Температура окружающего воздуха, измерение которой дублировалось ртутным термометром, составила 26°С. Температура платформы составила 374°С. Затем, используя термопасту КПТ-8, устанавливаем радиатор на платформу.
Результаты измерений представлены на следующем графике.
Видно, что после постановки радиатора, температура платформы понизилась почти на 230°С и составила 145°С. Кстати говоря, если не использовать термопасту, было бы на 12°С больше.
Температура в нижней части радиатора — 85°С, а внутри, в центре — 89°С. Особо обратим внимание на температуру вертикальной части ребер. Длина этой части составляет приблизительно половину длины всего ребра. В середине — 80°С, а в самой верхней части — 77°С. Здесь значение температур ребер по окружности отличаются друг от друга максимум на 2°С.
А вот далее мы все-таки последовали робкому совету производителей и поставили просто сверху радиатора идеально подошедший по размеру китайский вентилятор Glacialtech Everflow. Температура платформы упала до 102°С. Но, самое интересное, что температура вертикальной части ребер упала до 27°С, то есть, практически сравнялась с температурой окружающего воздуха.
Это явление мы подробнее рассмотрим ниже при тестировании уже настоящего кулера №2, а не радиатора с нахлобученным, как попало, вентилятором.Результаты тестирования кулера №2
Проделаем все то же самое для кулера №2.
Сейчас температура окружающего воздуха 25°С. Кстати, ее колебание на 1-3 градуса никаких видимых воздействий на температуру платформы не оказывало.
Изменение на 10°С, конечно должно как-то сказаться, но специально мы в комнате холодильник не устраивали.
Результаты измерений представлены на рис. №2.
Измерение температур. Кулер IH-3200C
Видно, что температура платформы составила все те же 374°С. С радиатором — 140°С (вентилятор был просто не включен). Температура ребер радиатора соответственно — 87°С внизу, 78°С — в середине вертикальной части, 77°С — в ее верхней части.
То есть, по сути дела, полная аналогия кулеру №1.
Но вот при работающем вентиляторе температура платформы становится равной 87°С, что на 15°С ниже, чем в №1. Ясно, что здесь вентилятор уже неотделим от радиатора, вот и результат налицо.
Если опять положить тот же, что и в предыдущим случае, вентилятор и включить их вместе (оба вращаются против часовой стрелки), то температура платформы понизится еще на 5°С.
Но вот, если основной выключить, то температура опять станет 87°С, как опыт ни повторяй. Этому есть объяснение и не одно, но пока не будем строить гипотез и ограничимся информацией к размышлению.
А вот температура вертикальных ребер опять практически равна температуре окружающего воздуха — 27°С. У основания радиатора — 32°С.
Чтобы понять происходящее, измерим скорости воздуха в межреберном пространстве на выходе из радиатора.
На следующем рисунке обозначены характерные зоны и представлены результаты измерения скоростей воздуха. Опыты проводились на холодном кулере.
Отсюда видно, что большая часть воздуха идет на сравнительно небольших участках 3 и 4. Именно здесь и снимается основное тепло. Наиболее протяженная вертикальная часть ребер как бы блокируется и активного участия в теплообмене не принимает.
Аэродинамические измерения как раз и подтверждают, что основное тепло отводится на этих участках. Поэтому и температура вертикальной части ребер близка к температуре окружающего воздуха.
Для подтверждения этого закроем снаружи вертикальную часть картонным кольцом. Температура платформы и ребер не меняется. По-видимому, можно существенно сократить объем меди, расходуемый на радиатор, без ощутимого ухудшения теплосъема.
И, напоследок, рассмотрим влияние поперечного потока воздуха, создаваемого автономным корпусным вентилятором, на температуру платформы для кулера №1.
Ось вращения автономного вентилятора совпадает с верхним срезом радиатора.
Расстояние L между выходным срезом вентилятора и осью радиатора составляло 200 и 100 мм.
На следующем рисунке представлены результаты измерений.
Влияние автономного потока на температуру радиатора
Начальная температура платформы — 380°С, с радиатором — 143°С, середины вертикального участка — 85°С, верхнего — 76°C. В общем, картина уже знакомая.
При включении автономного вентилятора при L=200 мм температура платформы заметна упала -110°С, верхнего участка вертикальных ребер — 41°С. При L=100 мм эти значения соответственно равны 104°С и 33°С.
Естественно, неравномерность температуры ребер по окружности здесь уже составила 6°С.
Следовательно, такого рода радиаторы очень чутко реагируют на любые автономные потоки воздуха. Заключение
В этой работе не будем делать каких-либо обобщающих выводов. Частные уже прозвучали выше. Здесь мы показали влияние радиатора и вентилятора на температуру платформы только для одного типа кулеров. И попытались связать аэродинамические и тепловые их испытания. В технике при конструировании тепловых аппаратов обычно эти вещи всегда неразрывны.
Свой стенд и методы измерения мы, конечно, будем доводить и модернизировать по мере сил. И постараемся накопить побольше информации о других кулерах. Сама методика будет, к какой-то мере, совершенствоваться. Шумовыми характеристиками будут заниматься профессионалы.
Эта статья лишь пробный камень, попытка посмотреть на проблемы охлаждения с нетривиальных сторон.
