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Discussione: Il dissipatore ad Aria

  1. #1
    Senior Member Danckan is on a distinguished road
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    Il dissipatore ad Aria

    IL PRINCIPIO:

    Il principio del raffreddamento ad Aria è quello attualmente più diffuso ed utilizzato per garantire buone temperature sulla maggior parte dei chip interni al PC che richiedono di scaricare una buona potenza in Watt; come ad esempio la CPU o la GPU della scheda video.

    Tuttavia non si deve erroneamente pensare che in tale tecnologia ci sia un soffio diretto d'aria sul chip da raffreddare, ma quest'ultimo è sottoposto al contatto con un dissipatore passivo metallico ad alta conducibilità termica che viene poi raffreddato a sua volta dal getto diretto d'aria di una ventola.

    IL DISSIPATORE PASSIVO:

    Il dissipatore passivo frapposto tra chip e ventola è solitamente costituito in Rame e/o Alluminio, materiali dall'elevata conducibilità termica.

    Il Rame non è tuttavia il materiale dalla miglior conducibilità termica in assoluto, ma solo quello dal rapporto conducibilità/prezzo più vantaggioso, esistono infatti in natura materiali ben più conduttivi che però non vengono presi in considerazione nella produzione di dissipatori passivi perchè troppo costosi:


    Come si vedere ci sono materiali ben più conduttivi che però non vengono utilizzati per ovvi motivi di costo. E' stato universalmente testato che i dissipatori più efficienti sono quelli interamente costruiti in uno dei due materiali (Rame e Alluminio), mentre le soluzioni ibride con entrambi i materiali utilizzati per costruire differenti parti del dissipatore riducono il loro potenziale conduttivo dato il cattivo interscambio nel passaggio da un materiale all'altro.

    Il dissipatore si compone di più parti interconnesse tra loro:

    La base:

    Si tratta della parte che va direttamente a contatto con il chip. Essa ha una superficie che è più efficace e pregiata, quanto più risulta planare ben lappata. Questo perchè all'aumentare di questi parametri la superficie di contatto con il chip diventa più omogenea e quindi migliora il trasferimento termico tra chip e dissipatore.

    Con lappatura si intende appunto il processo di levigazione della base, che può variare da una semplice finitura rigata a una vera e propria lappatura detta "a specchio" in quanto la base acquisisce forti proprietà riflettenti.

    Base con finitura:


    Base con lappatura:




    Il corpo centrale:

    Il corpo centrale del dissipatore sormonta la base ed ha solitamente una struttura a lamelle di svariata forma e densità a seconda del modello. Tale struttura massimizza il raffreddamento del dissipatore grazie al getto d'aria diretto che passa tra le sue intercapedini proveniente dalla ventola ad esso collegata. A parità di forma geometrica, più e fitto il susseguirsi di lamelle e più esse sono lunghe e maggiore sarà l'efficienza dissipante; tuttavia su questo incide molto la forma geometrica che esse descrivono, quindi una comparazione diretta tra i dissipatori di diverso form-factor non è sempre possibile.







    Le Heat Pipe:

    Nei dissipatori di fascia più alta, tra la base di contatto e il corpo centrale si frappongono delle heat pipe, che partendo dalla base salgono forando perpendicolarmente la struttura lamellare del corpo centrale per tutta la sua altezza.

    "Un heat pipe (condotto termico) tipico è un tubo (cilindro cavo) di metallo termoconduttore, ad esempio rame o alluminio, chiuso, contenente una piccola quantità di fluido refrigerante quali acqua, etanolo o mercurio; il resto del tubo è riempito dal vapore del liquido, in modo che non siano presenti altri gas.
    Un heat pipe serve per trasferire calore da un estremo (caldo) all'altro (freddo) del condotto, per mezzo dell'evaporazione e condensazione del refrigerante. L'estremo caldo, a contatto con una sorgente di calore, cede calore al liquido refrigerante, che vaporizza e perciò aumenta la pressione del vapore nel tubo. Inoltre, il calore latente di vaporizzazione assorbito dal liquido fa diminuire la temperatura all'estremo caldo del cilindro. La pressione del vapore vicino all'estremo caldo è più alta di quella d'equilibrio all'estremo freddo, perciò questa differenza di pressione fa sì che ci sia un trasferimento molto veloce di vapore verso l'estremo freddo, dove il vapore in eccesso rispetto all'equilibrio condensa, cedendo calore all'estremo freddo. Se ci fossero altri gas che non condensano, questi potrebbero rallentare il movimento del vapore sopra descritto e rendere meno efficiente il trasferimento di calore, specialmente a temperature basse, dove la pressione del vapore è bassa anch'essa. Il moto delle molecole di vapore è approssimativamente quello della velocità del suono (circa 300 m al secondo) e, in assenza di altri gas, questa è la velocità di trasferimento limite del calore nell'heat pipe. In pratica, però, la velocità delle molecole di vapore dipende dalla velocità di condensazione del vapore stesso all'estremo freddo. Il liquido refrigerante rifluisce quindi all'estremo caldo del tubo: se l'heat pipe è orientato verticalmente (con l'estremo caldo in basso), è sufficiente la forza di gravità, altrimenti si sfrutta l'azione di capillarità delle pareti del cilindro.

    Una proprietà interessante delle heat pipes è la temperatura alla quale sono efficienti. Ad una prima valutazione si potrebbe ritenere che una heat pipe caricata con acqua inizi a funzionare solo al raggiungimento della temperatura di 100 °C all'estremità calda, temperatura in cui l'acqua bolle e inizia il trasferimento di massa che è alla base del funzionamento. Si deve invece notare che la temperatura di ebollizione dipende sia dalla temperatura sia dalla pressione e che all'aumentare di quest'ultima la temperatura di ebollizione aumenta conseguentemente. In un condotto in cui sia stato creato il vuoto e successivamente inserita una quantità di acqua molto ridotta, la temperatura di ebollizione si avvicina agli 0 °C. Per questo il trasferimento di calore inizierà quando l'estremità calda si trova a una temperatura anche solo lievemente superiore a quella dell'estremità fredda. Per la stessa ragione una heat pipe contenente acqua funzionerà anche a temperature superiori a 100 °C, poiché l'aumentare della pressione al suo interno innalzerà proporzionalmente la temperatura di ebollizione dell'acqua contenuta. Quasi tutta l'energia viene trasferita rapidamente all'estremità fredda quando il fluido vi si condensa, creando un sistema di trasferimento di calore molto efficiente e privo di parti in movimento.

    Le pareti interne del tubo sono fatte in modo da favorire la risalita per capillarità del fluido refrigerante; ciò viene realizzato, ad esempio, applicando per sinterizzazione metallo in polvere sul tubo o ricavando una serie di scanalature parallele all'asse del tubo; ma, in linea di principio, potrebbe essere il materiale di cui è fatto il tubo a favorire la risalita per capillarità del refrigerante. Se l'heat pipe è inclinato con l'estremità riscaldata in basso, non è indispensabile alcun rivestimento delle pareti interne. In questo caso il fluido refrigerante rifluisce semplicemente giù lungo il tubo. Questo tipo di heat pipe è conosciuto come tubo di Perkins.
    Gli heat pipe non contengono parti in movimento e quindi non richiedono manutenzione, anche se heat pipe nei quali il fluido refrigerante è un gas senza condensazione possono perdere gas per diffusione attraverso le pareti del tubo e alla lunga perdere efficacia, specialmente quando la pressione del vapore del fluido refrigerante è bassa."


    Fonte Wikipedia.


    Le heat pipe utilizzate comunemente nel dissipatore fanno appunto parte dell'ultima tipologia descritta come tubo di Perkins, ragion per cui spesso la struttura del dissipatore si estende in direzione spiccatamente verticale partendo dalla base.


    Negli anni sono state studiate tecniche per massimizzare ulteriormente l'efficienza delle heat pipes. Una di questa prevede di farle passare invece che nel corpo metallico della base, direttamente al contatto con il chip con un opportuna modellatura che ne rispetti le condizioni di planarità necessarie per avere la massima area di contatto possibile.


    Un'altra tecnica molto particolare, utilizzata per migliorare l'efficienza delle heat pipe, è stata quella di riempirle completamente di metallo liquido altamente conduttivo, con una pompa magnetica che lo tenesse costantemente in circolo. Un pò come accade in un sistema di raffreddamento a liquido con la pompa che mantiene in circolo l'acqua nei tubi. Tuttavia quest'applicazione, nonostante si sia rivelata effettivamente vantaggiosa da un punto di vista prestazionale, ha trovato sin ora scarsa applicazione limitata a due o tre modelli in commercio, in quanto il costo per realizzala non è particolarmente conveniente.






    LE VENTOLE

    In questa ci occuperemo dell'argomento ventole con solo pochi accenni iniziali sulla loro struttura, concentrandoci sul loro ruolo nella dissipazione ad aria, mentre l'argomento in sé sarà trattato più approfonditamente in una guida dedicata.

    Cenni sulla ventola:

    Una ventola è un apparecchio meccanico che con il suo movimento crea un flusso d'aria direzionale di intensità che varia a seconda del modello. Esse sono alimentate solitamente sulla linea da 12V dell'alimentatore interno del PC e sono composte dalle seguenti parti:

    -Rotore Centrale: e il punto centrale della ventola, solitamente di forma circolare, dove risiede il motore preposto al movimento circolare di quest'ultima.

    -Pale: Fanno da corolla al motore e sono attaccati ad esso da uno degli estremi. Servono a muovere fisicamente l'aria ruotando.

    -Cavi di alimentazione: Partono dal rotore centrale e terminano con un molex in formato standard o mini. Essi possono essere di numero variabile da 2 a 4 a seconda delle funzioni espletate dalla ventola. I due fili di base servono per l'alimentazione della ventola con un cavo che porta il segnale a 12V (solitamente rosso) e un cavo che porta la messa a terra a 0V (solitamente nero); a questi primi due cavi può aggiungersene un terzo per il controllo tachimetrico (controlla i giri a minuto della ventola, solitamente giallo) ed un quarto per l'eventuale controllo PWM (solitamente bianco).

    -Chasis: E la struttura portante della ventola che circonda le pale ed ingloba il sistema di fissaggio a superfici esterne (dissipatore passivo, case, radiatori ecc.). Questo sistema può essere ottenuto in più modi, che varia da semplici fori per inserire delle viti a un sistema di staffe a molla o altro ancora.


    Solitamente le ventole sono costruite in plastica o derivati di svariato colore e possono integrare accorgimenti estetici come led o superfici UV reactive. I parametri tecnici di una ventola sono, oltre all'alimentazione (solitamente 12V), gli Ampere assorbiti (A) e i watt consumati (W) che si calcolano moltiplicando A*V con relative formule inverse.
    Inoltre tra i parametri di una ventola figurano gli RPM (giri per secondo), la portata d'aria e il rumore, calcolato in decibel (dB); quest'ultimo parametro dipende direttamente dal numero di RPM, dal design di motore e pale ed anche dalla dimensione della ventola che viene espressa solitamente in millimetri (mm). Infine un parametro spesso ignorato ma ugualmente importante è costituito dalla pressione statica (mm-H2O), ovvero dalla forza con cui la ventola spinge l'aria verso il dissipatore; questo parametro dipende fortemente dallo spessore della ventola che dai 25mm del formato standard può aumentare ulteriormente per le ventole ad alta pressione statica o diminuire per le ventole formato slim. La pressione statica, così come intuitivamente gli RPM o la portata d'aria, incide direttamente sulle prestazioni del dissipatore a cui è collegata.

    Le ventole dei dissipatori ad aria:

    La ventola può essere collegata al dissipatore in due diverse configurazioni:

    -Con l'aria che soffia sul dissipatore (push o immissione)
    -Con l'aria risucchiata dal dissipatore e spinta via (pull o estrazione)

    Anche se intuitivamente si può pensare che la configurazione di push sia quella più vantaggiosa non è sempre così, anzi i due modi risultano pressoché equivalenti, con la configurazione di pull spesso preferibile per evitare ristagni d'aria calda interni al case. Alcuni dissipatori dalla forma simmetrica permettono di montare due ventole una in immissione ed una in estrazione dal lato opposto, in modo da creare un flusso d'aria omogeneo maggiormente efficacie tra le lamelle del dissipatore; questa configurazione prende il nome di push & pull.Questo concetto può essere esteso sui dissipatori ad aria di fascia estrema addirittura a 3 ventole con una a destra, una centrale e una a sinistra, tutte sempre orientate nella stessa direzione per massimizzare il flusso.

    LA STAFFA DI AGGANCIO

    Oggi dissipatore necessita di un sistema che lo tenga fissato al chip che deve raffreddare. Questo sistema è comunemente chiamato staffa. La staffa di aggancio deve tener conto del tipo di disposizione dei fori intorno al chip e quindi varia da socket a socket (per i processori) e da modello a modello (per le vga). Prima di acquistare un qualsiasi dissipatore è quindi fondamentale informarsi se quest'ultimo è fornito della staffa adatta al chip sul quale volete montarlo. La staffa fa si che la base del dissipatore sia ben pressata sul chip da raffreddare con una distribuzione omogenea su tutta la sua superficie.

    La forma e il principio di funzionamento della staffa d'aggancio possono differire estremamente l'una dall'altra a seconda del modello di dissipatore anche a parità di socket , e riassumerle tutte sarebbe semplicemente impossibile. Le caratteristiche che contraddistinguono una buona staffa d'aggancio devono essere la facilità di montaggio/smontaggio e la distribuzione omogenea della pressione del dissipatore sul chip.

    All'occorrenza le staffe di montaggio possono essere completate da un altra placca rigida che si monta sul lato opposto del PCB del chip da raffreddare, simmetricamente a quest'ultimo. Tale componente prende appunto il nome di backplate ed aiuta ad evitare deformazioni del PCB dovute alla pressione che la staffa esercita sulla zona limitrofa al chip unitamente al peso del dissipatore stesso. Inoltre il backplate, in taluni casi, svolge anche una marginale funzione di dissipazione della circuiteria presente sulla porzione di PCB retrostante al chip stesso a seconda della sua conformazione.


    In definitiva la porzione di PCB in cui è presente il chip da raffreddare risulta chiuso a "panino" tra la staffa e il backplate (quando presente). Su alcuni modelli di schede video di fascia alta l'intero PCB della scheda video può risultare completamente chiuso e inglobato tra un dissipatore ed un grosso backplate retrostante, in modo da forzare l'aria calda in uscita dal dissipatore direttamente fuori dal case del computer tramite un apposita griglia


    Per quanto riguarda le CPU, in casa AMD tutte le staffe sono compatibili partendo dall'ormai antico socket AM2 e passando per AM2+, AM3, AM3+, FM1; in sostanza salvo andare molto a ritroso nel tempo, le staffe per processori AMD sono tutte compatibili tra loro. Per Intel sono invece presenti tre differenti staffe per i socket LGA 775, LGA1156/1155 ed LGA1366.

    Più complesso il discorso per le schede video, in quanto il layout estremamente personalizzato de produttore può talvolta creare incompatibilità anche tra differenti versioni dello stesso modello, quindi sempre meglio informarsi prima sulle compatibilità.
    Ultima modifica di Danckan; 23-10-2011 alle 12:48

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  2. #2
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    TECNOLOGIA VAPOR CHAMBER

    La tecnologia Vapor Chamber si è andata ad affermare sempre di più nel corso degli ultimi anni. Il suo principio è analogo a quello delle heatpipes già analizzato, con una camera parzialmente riempita di un liquido che evapora a basse temperature, permettendo di spostare velocemente il calore dal punto di contatto con il chip sino ad un punto di condensa che fa defluire di nuovo il liquido verso il basso grazie a un rivestimento poroso della camera interna.


    La sostanziale differenza tra questa tecnologia e quella delle heatpipes, già ampiamente analizzata, è che il Vapor Chamber scambia calore su una superficie notevolmente più ampia con un punto di condensa costituito da una struttura lamellare e decisamente più esteso di quanto visto nelle heatpipes. Questa differenza porta ad un aumento dell'efficienza del 30% circa rispetto alle heatpipes.


    Nell'immagine sovrastante si mostra l'incremento prestazionale dovuto al passaggio da un dissipatore metallico tradizionale a un sistema Vapor Chamber. Nel caso 1 il dissipatore tradizionale di metallo pieno presenta una distribuzione del calore molto più accentuata in prossimità del chip da raffreddare, mentre con la tecnologia Vapor Chamber nella figura 2, lo scambio termico risulta molto migliore, con il calore che si distribuisce omogeneamente su tutta la superficie, portando il punto di contatto con il chip ad una temperatura sensibilmente inferiore.

    Agli onori della storia per aver portato in commercio su vasta scala questa eccellente tecnologia di raffreddamento c'è il produttore di schede video Sapphire con il modello HD3870 Toxic. Da allora questa tecnologia si è diffusa in modo sempre maggiore anche presso altri produttori, inducendo gli stessi produttori di chip grafici (Nvidia e AMD) ad introdurre questa tecnologia nei loro design reference.

    Nel settore CPU questa tecnologia ha trovato sino ad oggi scarse applicazioni se non in alcuni prototipi e sconosciuti modelli commerciali. Questo perchè lo sviluppo in verticale e non in orizzontale dei dissipatori CPU riducano i benefici dati dall'area di condensa particolarmente ampia che questa tecnologia necessita per rendere al massimo. In linea di principio sarebbe possibile costruire un dissipatore Vapor Chamber CPU ugualmente performante a quelli adottati da anni per le VGA, ma la geometria necessaria va a scontrarsi con il form factor standard di schede madri, case al altri dispositivi vicini al chip di memoria che ne rendono impraticabile l'applicazione. Segnaliamo in questo contesto il Vapochill Micro, una delle pochissime realizzazioni commerciali di dissipatore CPU basato su questa tecnologia.






    Ultima modifica di Danckan; 23-10-2011 alle 17:59

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  3. #3
    Senior Member Danckan is on a distinguished road
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    Guida finita!!!!!

    Commenti? Correzioni? idee aggiunte?

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  4. #4
    Amministratore Deos is on a distinguished road
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    Direi che c'è tutto

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  5. #5
    Moderatore Dexter is on a distinguished road
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    Letta velocemente, ma sicuramente avrai fatto un ottimo lavoro, mi hai fatto salire la scimmia con l'ultima parte sul VaporChamber mi è venuta la voglio di provare il Vapochill Micro.

    CPU: i7 920 @4 Ghz @1.264v / MOTHERBOARD: Gigabyte GA-X58A-UD7 (BIOS F7)/ RAM:Corsair Dominator 1600 Mhz CL 6-7-6-14-50 1t 3x2 GB / VGA: 2x HD6950 @ HD6970 / AUDIO: Realteck Integrata / SSD: Samsung 840 Evo 250 Gb / HDD: 4x Barracuda 500 GB Raid 0/10 Cache/Dati & 1x: WD Green 2Tb Bakup/ MONITOR: LG 32" 1920x1080/ COOLING:Black Sun CPU e GPU, NorthBridge Cooler Master ??? / ALIMENTATORE: Enermax Revolution85+ 1050w / CASE: CoolerMaster HAF X


 

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