VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Системы охлаждения являются неотъемлемой частью как техники ставшей привычным атрибутом современной жизни: автомобили, компьютеры, котлы отопления и т.д., так и различного рода промышленных устройств – теплообменных аппаратов, а также трансформаторов, ядерных реакторов. С ростом интенсивности тепловыделения устройствами, проблема интенсификация процесса отвода тепла от различных поверхностей становится крайне актуальной [1]. Наиболее эффективным видом охлаждения является жидкостное охлаждение – отвод излишнего тепла от поверхности тела посредством контакта с циркулирующей охлаждающей жидкостью.

Проведенные нами исследования в области теплообмена нанодисперсных намагничивающихся жидкостей (магнитных жидкостей) позволяют сделать вывод о том, что созданные с использованием их в качестве охлаждающей жидкости теплообменные аппараты позволят [3-10]:

• оперативно управлять интенсивностью отвода тепла посредством магнитного поля;

• повысить удельную мощность отводимого от нагретых поверхностей тепла;

• уменьшить массогабаритные параметры теплообменных установок.

С каждым годом производительность компьютеров существенно возрастает, растет и тепловыделение. Так с 80 года прошлого века по настоящее время энергопотребление и выделение тепла процессоров возросло в 50 раз и приблизилось к 200 Вт, а вес систем охлаждения увеличился до килограмма, а иногда и более, и ассоциируются скорее со сварочным аппаратом, нежели со сложным вычислительным прибором. Увеличивается и частота вращения вентиляторов, шум от которых достигает порога небезопасных для человека значений. Все это влечет за собой необходимость совершенствования систем охлаждения процессоров.

Особый интерес в области компьютерной электроники может представлять проблема проектирование и создание систем охлаждения процессоров персональных компьютеров, на основе намагничивающихся нанодисперсных жидкостей, решением которой мы занимаемся в рамках Гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Преимуществом таких систем охлаждения являются высокие показатели мощности отводимого тепла (TDP), которые позволят добиться максимальной производительности процессора. Кроме того, традиционные системы воздушного охлаждения характеризуются высоким уровнем шума, приближающимся к верхней границе нормы безопасности, жидкостное охлаждение на основе магнитных жидкостей позволит сделать системы охлаждения компьютеров практически бесшумными.

Рассмотрим основные типы систем охлаждения процессоров, существующие на данный момент [2].

Воздушные системы охлаждения представлены радиаторами и кулерами. Сам по себе радиатор не снижает температуру чипа, а лишь увеличивает площадь поверхность, которая соприкасается с воздухом. Тепло от охлаждаемого объекта идет к основанию радиатора, потом распределяется по всей площади и уходит в окружающую среду, но из-за закрытости процессоров, воздух постепенно нагревается, и такой процесс становится все менее эффективным. В качестве материала радиаторов часто используют алюминий благодаря низкой стоимости данного металла.

На сегодняшний день радиаторы не способны справиться с телоотводом от современных процессоров, поэтому их место занял другой тип воздушных систем охлаждения – кулеры. Кулер является совокупностью радиатора и вентилятора, главная функция этого устройства является снижения температуры охлаждаемого объекта и поддержание ее на определенном уровне. Самая важная часть любого кулера-вентилятор, который является главной причиной шума, который издает системный блок. По уровню шума кулеры классифицируются от условно бесшумных (24 дБ) до не эргономичных (больше 42 дБ). В общем, кулеры представляют собой доступный и недорогой способ спасти процессор от перегрева, но со временем у любого кулера появляются шумы, которые могут вызывать дискомфорт.

Все большее распространение получают водяные системы охлаждения. В состав системы входят радиатор, резервуар, водоблок и шлангов, которые образуют замкнутый контур, по которому идет жидкость (наиболее часто используется вода). Эффективность этой системы зависит от массивности радиатор и резервуара. Водоблок прикрепляется к центральному процессору, а помпа отвечает за циркуляцию воды. Вся эффективность прибора обуславливается высокой теплоемкостью воды, которая непрерывно циркулирую не дает водоблоку, а, следовательно, и процессору перегреваться. Водяные системы характеризуются большими размерами, так один из самых лучших представителей располагается вне системного блока, но если уменьшать их, то будет возрастать уровень шума, издаваемый системой. Сегодня все чаще вместо водоблок применяют ватерблоки, который представляет из себя алюминиевый или медный цилиндр, в котором проведены каналы для протока воды. Основное отличие ватерблока заключает в его более эффективной передачи тепла от процессора к воде.

Еще один вид систем охлаждения это модуль Пельтье. Он представляет собой кулер со специальной пластиной с двумя соприкасающимися полупроводниками, которая переносит тепло при помощи электричества. Принцип работы основан на эффекте Петьлье: «при протекании тока через пластину, которая состоит из двух соприкасающихся проводников одна сторона будут нагреваться, а другая – остывать. Поэтому одна из сторон всегда будет нагрета сильнее другой, что соответственно заставить тратить больше времени на охлаждение процессора. Данный кулер не отводит тепло, а перераспределяет его внутри себя, что позволяет назвать его радиатором, поэтому кулер на основе модуля Петьлье обычно сопровождается с мощным вентилятором. Модуль Пельтье сопоставим по эффективности с водяными система, при этом по конструкции не сильно отличается от воздушных систем, а его цена находится в среднем диапазоне между двумя этими система.

Чтобы использовать весь потенциал процессоров прибегают к охлаждению процессоров до отрицательных температур. Этого добиваются использованием азота или сухого льда. Одной из проблем таких систем является их дороговизна и непрактичность: вблизи процессора конденсируется влага. Это связано с быстрым изменением температуры при включении и выключении ПК.

В основе разрабатываемой нами системы охлаждения процессора лежит механизм термомагнитной конвекции. Он заключается в том, что в магнитной жидкости нагретой неравномерно холодные слои начинают втягиваться в область с большей напряженностью магнитного поля, вытесняя более нагретые слои. Тем самым, ориентируя градиентное магнитное поле в направлении охлаждаемой поверхности, мы обеспечиваем к ней постоянный приток холодных слоев магнитной жидкости. По нашим оценкам интенсивность термомагнитной конвекции превышает интенсивность естественной гравитационной конвекции, используемой в стандартных системах охлаждения процессоров, примерно в 10 раз. Такая технология охлаждения лежит в основе охлаждения звуковых динамиков, производимых фирмой Sony. Разрабатываемые нами системы охлаждения процессоров на основе магнитных жидкостей, позволят увеличить мощность отводимого тепла, снизить уровень шума, и уменьшить их габариты.

Для реализации нашего проекта необходимо проведение исследований в области влияния магнитных полей на теплообменные процессы в намагничивающихся нанодисперсных жидкостях (магнитных жидкостях), а также конструирование материалов для создания и тестирования опытно-конструкторских образцов систем охлаждения.

В заключение выражаем благодарность Фонду содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере за финансовую поддержку в рамках предоставленного Гранта.

Список использованной литературы

1. Леонтьев В. Персональный компьютер. М.: изд. Медиа Групп, 2012. 134 С.

2. Жогов Н. Современные системы охлаждения // ЛКИ. № 11. 2008

3. Yanovskii A.A., Simonovskii A.Ya., Klimenko E.M. On the Influence of the Magnetic Field upon Hydrogasdynamic Processes in a Boiling Magnetic Fluid // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2014. – Vol. 50, No. 3, pp. 260–266.

4. Яновский А.А., Симоновский А.Я., Клименко Е.М. К вопросу о влиянии магнитного поля на гидрогазодинамические процессы в кипящей магнитной жидкости // Электронная обработка материалов. – 2014. – № 3, С. 66-72.

5. Яновский А.А., Спасибов А.С. Математическое моделирование процессов в кипящих намагничивающихся средах // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-2. С. 183-186.

6. Игропуло В.С., Яновский А.А. Математическое моделирование некоторых ориентационных процессов на наноповерхностях // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2008. т. 15. № 3. C. 484-485.

7. Литвин Д.Б., Яновский А.А., Донец З.Г. Интерполяция и аппроксимация данных в matlab // в сборнике: информационные системы и технологии как фактор развития экономики региона 2013. с. 97-99.

8. Яновский А.А. А.Я. Симоновский, Холопов В.Л. Влияние магнитного поля на процессы парообразования в кипящей магнитной жидкости // Фундаментальные исследования. 2013. №8(2). С. 332-337.

9. Яновский А.А. Тепло- и массоперенос при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла / Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, №4(3) С. 1289-1290

10. Симоновский А.Я., Яновский А.А. Влияние однородного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности // Наука. Инновации. Технологии. 2011, №6-1, С. 272-278.

Код для цитирования: Скопировать