UUSIMMAT

Jäähdytysmenetelmät

22.07.2011 00:19 |

 

Lämpötahna

Jäähdytyselementin pohja ja mikroprosessorin lämpöä levittävä suoja eivät ole mikroskooppisella tasolla täysin tasaisia, joten niiden väliseen liitoskohtaan jää runsaasti ilmataskuja. Ilman 0,026 W/m∙K lämmönsiirtokyky on erittäin huono, joten se täytyy eliminoida liitoskohdan lämmönsiirtoreitiltä. Ilmataskujen täyttämiseksi jäähdytyssiili painetaan mikroprosessorin pintaa kohti kiristysmekanismilla ja väliin levitetään ohut kerros ilmaa paremmin lämpöä johtavaa lämpötahnaa.

Lämpötahna koostuu silikonista tai hiilivetyöljystä, johon on sekoitettu lämpöä johtavaa materiaalia, kuten alumiinioksidia, sinkkioksidijauhetta, hienonnettua hopeaa tai CVD-timanttia (Chemical Vapor Deposition). Seoksen lopputuloksena on lämpötahna, joka täyttää ilmataskut ja lämmönsiirtokyky on noin 1,0–16,0 W/m∙K eli huomattavasti parempi kuin ilmalla.

 

Jäähdytyssiili

Jäähdytyssiilit valmistetaan tyypillisesti hyvin lämpöä johtavista materiaaleista, kuten kuparista ja alumiinista. Kupari on merkittävästi painavampaa ja kalliimpaa, kuin alumiini, mutta samalla sen 400 W/m∙K lämmönjohtokyky on lähes kaksi kertaa parempi kuin alumiinin 237 W/m∙K. Nämä kaksi materiaalia sopivat teollisuuden käyttöön hinnaltaan, sillä niitä on helppo työstää koneellisesti ja ne kelpaavat monenlaiseen käyttöön.

Puhdas hopea on lämmönjohtokyvyltään vain hieman parempi kuin kupari, mutta sen käyttöä rajoittaa korkea hinta. Lämmönjohtokyvyltään ylivoimaisesti paras materiaali olisi timantti (1000 W/m∙K), mutta sen käytössä on omat haasteensa, kuten raaka-aineen korkea hinta ja vaikea työstettävyys. Saksalaisen Fraunhofer-Gesellschaft-instituutin tutkijat ovat kehittäneet materiaalin, jossa on sekoitettu timanttijauhetta kupariin ja sen lämmönjohtavuus on 1,5-kertainen pelkkään kupariin verrattuna. Haasteena on ollut kuparin ja timantin välisen sidoksen saavuttaminen, joka on onnistunut käyttämällä pientä määrää kromia. Kromi luo timanttiin karbidikerroksen ja mahdollistaa sidoksen kuparin kanssa.

Jäähdytyssiili voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, joista yleisimmät ovat meistäminen, puristus, valaminen sekä elementti- ja aallotetut jäähdytyslevyt. Meistämisessä alumiini- tai kupariliuskat viimeistellään painamalla haluttuun muotoon meistillä. Kyseessä on yksinkertainen ja halpa, mutta vähäisen jäähdytyskyvyn tarjoava ratkaisu.  Puristuksessa metalliaihio puristetaan reiän läpi ja reiän kaksiulotteinen muoto kopioituu pursotettuun metalliin. Tämän jälkeen siitä leikataan ja työstetään sopivan kokoisia jäähdytyssiilejä, jotka kykenevät haihduttamaan suuria lämpökuormia, mutta jäähdytysripojen tiheys ja paksuus on rajoitettu tiettyihin alarajoihin. Valamalla kuparin ja alumiinin seoksia saadaan tehtyä tietyn mallisia ja tiheän rivaston omaavia jäähdytyssiilejä. Aallotetuissa jäähdytyssiileissä yhdestä metallipalasta taitellaan neliöaaltoa muistuttavaa profiilia ja elementtijäähdytyslevyissä metallilevyt juotetaan uritettuun metallipohjaan.

Pienitehoisten laitteiden jäähdytys voidaan toteuttaa vapaan konvektion ja säteilyn avulla, joka ei sisällä liikkuvia tai rikkoutuvia osia. Vapaaseen konvektioon perustuva jäähdytys on tehokkaimmillaan silloin, kun ympäröivän ilman kulkureitillä on mahdollisimman vähän sen liikettä vastustavia esteitä. Nykypäivän mikroprosessoreiden lämmöntuotto on niin korkea, että vapaa konvektio onnistuu vain vähävirtaisilla mobiilikäyttöön suunnatuilla malleilla tai mikroprosessoria alikellottamalla ja siten lämmöntuottoa laskemalla.

 

Ilmajäähdytys

Kun vapaa konvektio ei ole riittävä jäähdytys mikroprosessorille, jäähdytyssiiliin voidaan liittää tuuletin siirtämään ilmavirtaa. Näin saadaan aikaan pakotettu konvektio, jonka suorituskykyä voidaan säätää tuulettimen eri parametreilla. Tuulettimia koskevat yksinkertaiset lait, jotka määrittelevät sen suorituskyvyn nopeuden, virtauksen, paineen, tiheyden ja tehon suhteen.

Pakotetun konvektion avulla jäähdytyssiilistä saadaan haihdutettua huomattavasti suurempi määrä lämpöä, kuin vapaalla konvektiolla ja kyseessä on nykypäivänä yleisin mikroprosessoreiden jäähdytysmenetelmä.

 

Nestejäähdytys

Mikroprosessorin jäähdyttäminen nestekierron avulla on suurimmaksi osaksi innokkaimpien harrastelijoiden puuhastelua, mutta teollisuudessa ja armeijassa nestejäähdytystä käytetään useissa sovelluksissa. Mikroprosessorivalmistajien toimesta markkinoilla ei kuitenkaan ole yhtään mallia, joka vaatisi nestejäähdytyksen toimiakseen määriteltyjen lämpötilarajojen sisällä. Siitä huolimatta markkinoilla on runsaasti kolmansien osapuolien jälkiasennettavia nestejäähdytysratkaisuja, jotka perustuvat epäsuoraan ja suljettuun nestejäähdytysjärjestelmään.

Mikroprosessorin nestejäähdytysjärjestelmä vastaa perusrakenteeltaan esimerkiksi auton moottorin jäähdytysjärjestelmää. Pumppu kierrättää nestettä säiliöstä mikroprosessorille jäähdytyssiilin sijaan asennettuun alumiiniseen tai kupariseen blokkiin, jonka sisälle on työstetty virtauskanavat nesteelle ja kyljissä on letkukarat nesteen sisään ja ulostulojen kautta jäähdyttimelle. Jäähdyttimen kennostoissa mikroprosessorin lämmittämän nesteen lämpö siirretään pakotetulla konvektiolla ilmaan. Tämän jälkeen jäähtynyt neste kierrätetään takaisin säiliöön, josta pumppu pumppaa sen uudelleen kiertoon.

Nestejäähdytyksellä voidaan saavuttaa ilmajäähdytystä parempi lämmönpoistokapasiteetti kuin ilmajäähdytyksellä sillä nesteiden lämmönjohtavuus on yleensä parempi kuin kaasuilla. Esimerkiksi veden lämmönjohtavuus on 0,6 W/m∙K ja lämpökapasiteetti 4,18 kJ/kg, kun ilman lämmönjohtavuus on yli 20 kertaa ja lämpökapasiteetti neljä kertaa heikompi 1,01 kJ/kg. Oikein rakennettuna nestejäähdytysratkaisu on myös huomattavasti hiljaisempi kuin samantehoinen perinteinen jäähdytyssiilin ja tuulettimen yhdistelmä.

 

Kylmäkompressorijäähdytys

Jäähdytysmarkkinoilla kuluttajille on ollut vuosien varrella tarjolla muutamia kaupallisia kylmäkompressoriin perustuvia ratkaisuja mikroprosessorin jäähdyttämiseksi. Kylmäkompressorijäähdytysjärjestelmän komponenttien korkea hinta, massatuotannon valmistuskustannukset, haasteet kylmäaineilla varustettujen yksiköiden kuljettamisessa ja maahantuonnissa, tuotetakuu sekä vähäinen kysyntä ovat kuitenkin nousseet jokaisella yrittäjällä lähes ylitsepääsemättömiksi esteiksi.

IBM käytti vuonna 1997 julkaistussa S/390 G4 CMOS -palvelimessa kylmäkompressorijäähdytystä, joka oli yrityksen mukaan markkinoiden ensimmäinen kyseistä jäähdytystekniikkaa käyttävä suorituskykyinen palvelinjärjestelmä. IBM käytti jäähdytysjärjestelmän suunnittelussa erityisesti resursseja jäähdytysjärjestelmän komponenttien valintaan sekä kondensaation ja höyrystimen lämpötilan kontrollointiin. Suunnittelussa huomioitiin myös osien hinta, luotettavuus ja jäähdytysteho.

Kun mikroprosessorin jäähdyttämistä nestekierrolla verrattiin auton moottorin jäähdytykseen, kompressorijäähdytyksen juuret juontavat pakastimeen. Pakastimen kierto on täytetty kaasumaisella kylmäaineella, jonka kompressori puristaa korkeaan paineeseen. Lauhduttimessa kompressorilta tuleva kaasu muuttuu nesteeksi ja se luovuttaa lämpöä ympäristöön. Lauhduttimelta nestemäinen kylmäaine kulkeutuu kosteuden poistavan kuivaimen ja kapilaariputken kautta höyrystimelle, jossa se alkaa kiehua ja muuttuu takaisin kaasuksi. Tämän seurauksena lämpö siirtyy höyrystimen ympäristöstä höyrystimeen. Lopulta kylmäaineen kiehuessa syntynyt höyry palaa takaisin kompressorille puristettavaksi.

Hieman kehittyneemmässä ja mikroprosessorin jäähdytykseen paremmin soveltuvassa kylmäkompressorijärjestelmässä on mukana muutamia lisäkomponentteja, sillä jäähdytystarve on erilainen kuin pakastimessa jäähdyttävien elintarvikkeiden. Prosessorin tuottama lämpökuorma vaihtelee rasituksen mukaan ja tästä syystä järjestelmässä on hyvä olla termostaattinen paisuntaventtiili, jonka anturi tunnustelee imulinjan tulistusta. Tulistus on mittauskohdassa vallitseva höyryn lämpötilan ja höyrystymispaineen ja -lämpötilan välinen ero. Mitattava tulistus ohjaa paisuntaventtiilin kautta tapahtuvaa kylmäaineen sisäänruiskutusta. Paisuntaventtiili on tarpeellinen, sillä jos kaikki kylmäaine ei muuttuisi höyrystimessä nesteestä höyryksi, kompressorille palaisi höyryn sijaan nestettä, joka koituisi sen kohtaloksi. Lauhduttimen jatkeena painepuolella on kylmäainesäiliö, johon kerätään paisuntaventtiilin säädön seurauksena ylimääräiseksi jäävää kylmäainetta. Kylmäainesäiliön ja paisuntaventtiilin välissä käytetään usein tarkastuslasia, josta voidaan todeta, että kylmäaine kulkee nestelinjassa nestemäisenä.

Yhdellä kompressorilla voidaan saavuttaa kylmäaineesta riippuen mikroprosessorille asennettavan höyrystimen lämpötilaksi noin -45 celsiusastetta. Innokkaimmat harrastelijat ovat kytkeneet kaksi tai useampia kylmäkompressoreita sarjaan, jolloin ensimmäisen vaiheen kompressorin imupuoli jäähdyttää toisen vaiheen kompressorin painepuolta. Tarpeeksi tehokkailla kompressoreilla ja oikeilla kylmäaineilla on mahdollista saada mikroprosessorille asennettavan höyrystimen lämpötila laskemaan alle -100 asteeseen.

Kylmäkompressorijärjestelmiä voidaan käyttää mikroprosessorin jäähdytyksessä jatkuvassa käytössä, mutta se vaatii komponenttien huolellisen eristämisen kondensaation välttämiseksi sekä jatkuvaa tarkkailua toimintahäiriöiden varalta. Myös korkea sähkönkulutus, melutaso ja hinta ovat kylmäkompressorijäähdytyksen haittapuolia.

 

Kuivajää

Jos mikroprosessorin lämpötila halutaan laskea alle -50 celsiusasteen, edullinen ja helppo keino on käyttää yhden ilmakehän paineessa -79 celsiusasteista hiilidioksidijäätä eli kuivajäätä. Se valmistetaan hiilidioksidista alentamalla painetta ja lämpötilaa hallitusti. Nestemäinen hiilidioksidi muuttuu puhtaaksi, valkoiseksi ja kylmäksi hiilihappolumeksi, joka puristetaan korkeassa paineessa kuivajääpaloiksi. Nimensä kuivajää on saanut siitä, että se sublimoituu eli höyrystyy kiinteästä olomuodosta suoraan kaasuksi muuttumatta välillä nesteeksi. Kuivajäällä on erittäin suuri ominaishöyrystymislämpö eli 573,6 kJ/kg ja höyrystyminen tapahtuu -78,5 celsiusasteen lämpötilassa normaali-ilmanpaineessa.

Markkinoilla ei ole kaupallisia kuivajäätä hyödyntäviä ratkaisuja mikroprosessorin jäähdyttämiseen, vaan sen käyttö on vakiintunut harrastelijoiden keskuudessa lyhytkestoisissa kokeilumielisissä ylikellotustesteissä. Kuivajääjäähdytyksessä mikroprosessorin päälle asennetaan alumiininen tai kuparinen kulho, joka täytetään kuivajäällä ja joukkoon sekoitetaan vahvaa pakkasen kestävää alkoholia, kuten esimerkiksi mahdollisimman puhdasta etanolia. Etanoli, jonka lämmönjohtavuus on 0,182 W/m∙K, täyttää kuivajäärakeiden väliin jäävät ilmataskut ja johtaa mikroprosessorin tuottaman lämmön kulhon kautta paremmin kuivajäähän kuin ilma.

 

Nestemäinen typpi

Typen ominaishöyrystymislämpö 200 kJ/kg ei ole aivan yhtä suuri kuin kuivajäällä, mutta se on nestemäisenä huomattavasti kylmempää. Nestemäisen typen kiehumispiste on -196 celsiusastetta, joka mahdollistaa mikroprosessorin nopean jäähdytyksen erittäin alhaiseen lämpötilaan.

Ensimmäisenä typen onnistuivat nesteyttämään vuonna 1883 Jagiellonian yliopistossa puolalaiset fyysikot Zygmunt Wróblewski ja Karol Olszewski. Nestemäinen typpi valmistetaan puristamalla ilmaa, joka koostuu 80 % typestä, korkeaan paineeseen ja päästämällä se laajentumaan, minkä seurauksena se kylmenee Joule-Thomsonin efektin mukaisesti. Koska typpi kiehuu alhaisemmassa lämpötilassa kuin ilma, voidaan se erottaa ilmasta tislaamalla ja puristaa uudelleen, kunnes se jäähtyy nestemäiseksi. Nestemäinen typpi on olomuodoltaan hieman vettä kevyempi väritön ja hajuton neste.

Nestemäisen typen käyttö on yleistynyt mikroprosessorin jäähdytyskeinona lyhytkestoisissa testeissä harrastajien keskuudessa, mutta myös mikroprosessorivalmistajat Intel ja AMD ovat käyttäneet jäähdytysmenetelmää omissa teknologiaesityksissään saavuttaakseen mahdollisimman korkeita kellotaajuuksia. Markkinoilla ei ole nestemäiseen typpeen perustuvia kaupallisia jäähdytysratkaisuja, vaan sitä käytetään harrastelijoiden toimesta samoin kuin kuivajäätä eli kaatamalla sitä alumiiniseen tai kupariseen mikroprosessorin päälle asennettuun kulhoon. Mikroprosessorin tuottama lämpö johtuu sen päälle asennettuun kulhoon ja nestemäinen typpi sitoo höyrystyessään kulhon lämmön itseensä.

 

Nestemäinen helium

Helium on maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen ja sitä muodostuu maaperässä radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Heliumia saadaan tuotettua erottamalla sitä maakaasusta. Vuonna 1908 hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes onnistui ensimmäisen kerran nesteyttämään heliumia. Heliumin nesteytystekniikat perustuvat lähes poikkeuksetta kiertoprosesseihin, joissa olennaisena osana olevan työnesteen annetaan vuoron perään puristua, laajentua sekä vaihtaa lämpöä ympäristön kanssa. Heliumin nesteytyksen perustekniikka on säilynyt miltei muuttumattomana vuosien saatossa.

Nestemäinen helium on kylmin maapallolla esiintyvä neste ja sen kiehumispiste on  -268,9 celsiusastetta. Nestemäisen heliumin ominaishöyrystymislämpö on noin 10 kertaa heikompi kuin nestemäisellä typellä, mutta alhaisemman lämpötilan ansiosta sen avulla mikroprosessorilla voidaan jäähdyttää alle -200 celsiusasteeseen. Nestemäinen helium on hajuton, väritön eikä se ole syövyttävää, palavaa eikä myrkyllistä.   Kuten kuivajään ja nestemäisen typen tapauksissa, markkinoilla ei ole kaupallisia ratkaisuja mikroprosessorin jäähdyttämiseksi, jotka hyödyntäisivät nestemäistä heliumia. Alhaisen ominaishöyrystymislämmön takia nestemäistä heliumia vaaditaan huomattavasti suurempi määrä kuin nestemäistä typpeä ja sen hinta on moninkertainen.

Mikroprosessorin toimintaa ja ylikellottamista on testattu kokeellisessa mielessä nestemäisellä heliumilla alle -200 celsiusasteessa onnistuneesti muutamia kertoja harrastelijoiden sekä mikroprosessorivalmistaja AMD:n toimesta. Nestemäistä heliumia käytetään samoin kuin nestemäistä typpeä eli sitä syötetään mikroprosessorille asennettuun alumiinista tai kuparista valmistettuun kulhoon.

Sisältö

  1. Ylikellotuksen perusteet - teoria, lämmöntuotto, jäähdytys, käyttöjännite ja riskit
  2. Kellotaajuuden nostaminen
  3. Lämmöntuotto
  4. Jäähdytysmenetelmät
  5. Käyttöjännite
  6. Ylikellottamisen riskit ja ongelmat

Muropaketin uusimmat