Univerzita Palackého v Olomouci. Pedagogická fakulta. Studijní obor: Informační výchova a anglický jazyk se zaměřením na vzdělávání BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Univerzita Palackého v Olomouci Pedagogická fakulta

Studijní obor:

Informační výchova a anglický jazyk se zaměřením na vzdělávání

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Problematika chlazení výkonových prvků elektronických zařízení Problematics of cooling electronic devices' power elements

Autor:

Vedoucí práce:

Marek Šnapka

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 domácí uživatele, tak pro profesionály v oblasti servisních služeb. Hlavním přínosem práce je obecné shrnutí problematiky chlazení spotřební elektroniky 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 electronic systems, their applications and practical usage. This work can also be used as a study reference or a guide book for maintenance professionals. This work's aim is to summarise the theoretical knowledge of cooling systems and to present different methods of their 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........................................................................9 1 Základní pojmy, fyzikální podstata chlazení.....................................................9 1.1 Účel a cíle chladících systémů........................................................................9 1.2 Vysvětlení používaných pojmů......................................................................10 2 Teoretický úvod do chladících systémů............................................................17 2.1 Přehled požadavků na chladící systémy........................................................17 2.1.1 Požadavky na prostor...............................................................................................17 2.1.2 Požadavky na hlučnost..............................................................................................17 2.1.3 Požadavky na bezúdržbovost...................................................................................18 2.1.4 Požadavky na hmotnost............................................................................................18 2.1.5 Koncentrace tepelných zdrojů v systému a vliv na okolí.......................................19 2.1.6 Prevence poruchových stavů (failure management)..............................................20 2.1.7 Požadavky na provozní prostředí............................................................................21

3 Přehled netradičních metod chlazení................................................................23 3.1 Vodní chlazení...............................................................................................23 3.2 Kompresorové chlazení.................................................................................27 3.3 Málo časté metody chlazení..........................................................................29 3.3.1 Chlazení ponorem do kapaliny (submerge cooling)...............................................29 3.3.2 Chlazení kapalným dusíkem....................................................................................30 3.3.3 Pevný CO2 – suchý led..............................................................................................31

4 Chlazení vzduchem.............................................................................................32 4.1 Pasivní chlazení.............................................................................................33 4.1.1 Pojem: pasivní chladič..............................................................................................33 4.1.2 Uchycení chladičů......................................................................................................37 CPU chladiče..................................................................................................................37 GPU chladiče..................................................................................................................40 Chlazení chipsetu............................................................................................................41 Elektronické součástky diskrétní ....................................................................................42 4.1.3 Materiál......................................................................................................................42 Měď.................................................................................................................................42 Hliník...............................................................................................................................42 Stříbro..............................................................................................................................43 4.1.4 Tvar.............................................................................................................................44

4.2 Aktivní chlazení.............................................................................................46 ..............................................................................................................................................46 4.2.1 Ventilátory..................................................................................................................47 Uložení rotoru.................................................................................................................47 Tvary a výkon ventilátorů................................................................................................50 Vyvážení rotoru................................................................................................................53 Účel.................................................................................................................................53 Dimenzování průtoku......................................................................................................54 Ochranné mřížky.............................................................................................................55 5

Prachové filtry.................................................................................................................55 4.2.2 Alternativní aktivní prvky pro vzduchové chlazení...............................................57 Elektrostatické vzduchové pumpy....................................................................................57 Piezoelektrické vějíře......................................................................................................59 Piezoelektrické komory...................................................................................................60 4.2.3 Doplňky vzduchového chlazení................................................................................62 Heatpipe..........................................................................................................................62 Teplovodivé pasty............................................................................................................64 Regulace výkonu aktivního chlazení...............................................................................67 Akcelerátor chlazení – Peltiérův článek..........................................................................70

Aplikační část.................................................................................73 5.1 Praktický rádce pro údržbu chlazení elektronických zařízení....................74 5.1.1 Metodika využitelná v organizacích...........................................................74 5.1.2 Shrnutí pro běžné uživatele........................................................................76 5.1.3 Nejčastěji řešené problémy.........................................................................77 5.2 Simulace problémových stavů chladícího systému.......................................80 5.2.1 Popis měřící sestavy...................................................................................81 5.2.2 Simulace selhání funkce ventilátoru v plné zátěži systému.......................83 5.2.3 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.

Obr. 1: Metody tepelné výměny 2 2

2

Vnútorná energia. O škole [online]. 2010 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=6254 12

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. Výraz

ΔT značí teplotní spád (teplotní gradient). Teplo Q, které projde za těchto podmínek d

libovolným kolmým průřezem S tyče za dobu, je rovno Q= λS vodivosti: [ λ]=

ΔT τ kde λ je součinitel tepelné d

W .“ 3 m⋅K

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.

Obr. 2: Znázornění příčiny přechodového teplotního odporu 4 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]. 20062014 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/262-vlastni- polovodice 14

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 Systems 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 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. ARS Technica [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://arstechnica.com/gadgets/2013/01/power-saving-through-marketing-intels-7-watt-ivy-bridgecpus/ 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: Server o 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 OpenXtra 10, 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-546783 11 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 Obr. 3: Vodní chlazení 13

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

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/27530teoreticky-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.

Obr. 4: 2× Radeon R290X v zapojení Cross- Fire 16 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 of 3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http:// 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. The Guru of 3D [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://www.guru3d.com/articles_pages/radeon_r9_290_review_benchmarks,11.html 26

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

Obr. 5: Principiální schéma kompres. chlazení 19

o malou plochu libovolné výkonové součástky.

„Kompresorový systém se skládá z:

4 •

řídící jednotky (1);

•

kompresoru (2);

•

tlakového radiátoru (3);

•

tlakového vedení (4);

•

expanzního bloku (5).

5

2 3 1

18

Obr. 6: Součásti systému kompresorového chlazení Prometeia Mach II GT 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-gtlibo-mrazene-cpu/13016 27

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

Obr. 7: Servery chlazené speciální kapalinou 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

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;

Obr. 8: Příprava pro chlazení kapalným dusíkem 22 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-LiquidNitrogen/?page=7 30

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.

Přístupy U 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.

Obr. 10: Pasivní chladič – pohled z profilu 22

Obr. 9: Pasivní chladič – celkový pohled 21 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

◦ 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

Obr. 11: Porovnání procesorů s a bez integrovaného heatspreaderu 25

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

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

Obr. 12: Procesor: odtržené jádro 26

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

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

Obr. 13: Kotvení pro socket Intel 1366 27

Obr. 14: Kotvení pro socket AM3 28

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

Obr. 15: Socket A 29

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: Installing the 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 on tech [online]. 2002 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: http://www.tomshardware.com/reviews/buildingpc,518-6.html 38

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

Obr. 16: Chlazení odvádějící teplo přímo do prostoru skříně – vedle konektorů je možné spatřit perforace pro původní chlazení 30

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-testchladicu-grafik-accelero-xtreme-iii-a-accelero-s1-plus?start=9 40

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).

Obr. 18: Uchycení pružným drátem 32

Obr. 17: Jednocestné kolíky 31 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-CNBS1/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 41

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

Obr. 19: Tranzistor s chlazením 33 připraveny pouze plochy, na něž se následně připevní chladič jinou metodou (např. samolepící přes připravené montážní otvory na něm (příklad na obr. 19) a nebo má 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

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

Obr. 20: Ukázka možného designu aktivního chladiče 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

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,

Obr. 21: Kluzné ložisko + princip zanášení 39

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

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

Obr. 22: Detailní schéma kluzného / hydrodynamického ložiska 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-ikompanii/174-sleeve-bearing-podshipnic-skolzhenia.html 48

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

Obr. 23: Řez valivým ložiskem 41

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

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

frekvenčního

spektra

hluku

do širšího

(psycho-akustický

efekt – energie rozložená do širšího spektra nepůsobí tak rušivě).

Obr. 24: Opracování výstupních hran lopatek ventilátoru firmy Noctua 44

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.html 45 Stepped inlet design. Noctua [online]. 2012 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://noctua.at/main.php? show=stepped_inlet_design 51

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

Obr. 25: Pevné zavěšení 46

Obr. 26: Volné zavěšení 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-CoolingF8-80mm-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 52

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

Obr. 27: Ochranná mřížka 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. 28: Prachové filtry 50 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/sc3-a-132015/default.aspx 56

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

Obr. 29: Schéma elektrostatické vzduchové pumpy 51 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=100354 52 KŘIVOHLÁVEK, Jindřich. Chlazení počítače: kompletní průvodce (nejen) pro hráče. Vyd. 1. Brno: Computer Press. ISBN 978-80-251-1509-1. 58

Piezoelektrické vějíře

Obr. 30: Piezoelektrický vějíř 53 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.html 54 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

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

Obr. 31: Princip funkce piezoelektrické komory 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

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.

Obr. 32: Schéma proudění v microbloweru 56 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 Industries Global [online]. 2012 [cit. 2014-04-15]. Dostupné z: http:// www.murata.com/products/micromechatronics/feature/microblower/index.html 61

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

Obr. 33: Schéma heatpipe 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]. Dostupné z: http://btechgurus.blogspot.cz/2012/06/heat-pipes.html 62

Obr. 34: Průřez heatpipe 60 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

Obr. 35: Scythe Big Shuriken 2 – chladič využívající heatpipe k přenosu tepla ze základny do žebrování 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_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 63

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 Al 2O3, 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

Obr. 36: Arctic Cooling MX-4 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

Obr. 37: Coollaboratory Liquid Ultra 66

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/arcticreleases-mx4-high-performance-thermal-compound/ 64 Coollaboratory Liquid Pro. Coollaboratory Thermo Engineering [online]. 2012 [cit. 2014-0413]. 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

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. 201404-15]. 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

Obr. 38: Manuální regulátor Aerocool Touch-2000 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

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

Obr. 39: Použití Peltiérova článku pro akceleraci chlazení 69 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. 201404-15]. 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 71

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:

Obr. 40: Detailní specifikace měřeného procesoru

•

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

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 opotřebovaného ventilátoru 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 práce Cílem 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/262vlastni-polovodice 6. Thermal Expansion of Ball Grid Arrays. Dantec Dynamics: Laser Optical Measurement Systems 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. ARS Technica [online]. 2013 [cit. 2014-04-13]. Dostupné z: http://arstechnica.com/gadgets/2013/01/power-saving-through-marketing-intels-7-watt-ivybridge-cpus/ 9. Casablanca INT druhý den v potížích: po zatopení serverů obnovuje data. Lupa.cz: Server o 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. 2014-0413]. Dostupné z: http://www.itwatchdogs.com/environmental-monitoring-news/datacenter/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 technika 2010: 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. The Guru 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.ht ml 17. AMD Radeon R9-290 review – Graphics card temperatures. HAGEDOORN, Hilbert. The Guru 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/recenzeprometeia-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 technika 2010: 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-cggveritasinstallation/ 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-LiquidNitrogen/?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. 2014-0414]. 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/wolfdalesteroids,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. 201404-14]. 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: Installing the 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 on tech [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-zdrojechladice/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-CNBS1/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-a1159/ 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. 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. 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-techterminov-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 technika 2010: 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]. Dostupné z: 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/ArcticCooling-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/acarctic-f12-pro-tc 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. 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. 2014-0415]. Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/prachove-filtry-za-babku-aneb-konec-silonek-vcechach/sc-3-a-132015/default.aspx 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=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. 2014-0415]. Dostupné z: http://www.piezo.com/prodfan1vac.html 54. ŠNAPKA, Marek a Vítězslav IMRÝŠEK. Chlazení počítačů. In: Středoškolská technika 2010: 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 Industries Global [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 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_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-powercooling/arctic-releases-mx4-high-performance-thermal-compound/ 64. Coollaboratory Liquid Pro. Coollaboratory Thermo Engineering [online]. 2012 [cit. 201404-13]. 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. Coollaboratory Liquid Ultra. Coollaboratory: Thermo Engineering [online]. 2010 [cit. 201404-15]. 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. 2014-0413]. 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 použití nového a opotřebovaného ventilátoru

Obrázek 1

Obrázek 2

Obrázek 3

Obrázek 4