Системы охлаждения

Системы охлаждения промышленных компьютеров

Процессор, chipset, GPU, накопители и другие электронные компоненты выделяют тепло во время работы. Для поддержания допустимой температуры используются активные и пассивные системы охлаждения: кулеры, вентиляторы, радиаторы, heat spreader и специализированные thermal modules.

Выбор системы охлаждения должен выполняться с учётом конкретной вычислительной платформы. Совпадение процессорного сокета или размеров вентилятора само по себе не гарантирует совместимость: необходимо учитывать механические крепления, допустимую высоту, тепловую нагрузку, направление воздушного потока и конструкцию корпуса.

Основные типы систем охлаждения

Процессорные кулеры

CPU cooler отводит тепло непосредственно от процессора. Обычно он состоит из радиатора и вентилятора, однако конструкция зависит от назначения системы и ограничений корпуса.

Для промышленных материнских плат и серверных платформ выпускаются специализированные кулеры под определённые процессорные сокеты и допустимые значения TDP.

Например, для низкопрофильных 1U и 2U систем используются кулеры уменьшенной высоты, тогда как корпуса большего размера позволяют применять более крупные радиаторы и вентиляторы.

Вентиляторы

Корпусные и системные вентиляторы обеспечивают принудительное движение воздуха через промышленный компьютер или сервер. Они используются для отвода тепла от системной платы, накопителей, плат расширения и других компонентов.

При подборе необходимо учитывать размер вентилятора, напряжение питания, тип разъёма, скорость вращения, направление воздушного потока и механическую совместимость с корпусом.

Fan Kit

Fan kit представляет собой комплект вентилятора и необходимых монтажных элементов, предназначенный для конкретного компьютера, корпуса или серии оборудования.

Такие комплекты часто являются platform-specific аксессуарами. Совпадение размера вентилятора не означает, что комплект можно установить в другую модель промышленного компьютера.

Радиаторы

Радиатор передаёт тепло от электронного компонента окружающему воздуху за счёт увеличенной площади теплообмена. В пассивной системе радиатор работает без собственного вентилятора, а в активной может использоваться совместно с принудительным воздушным потоком.

Конструкция радиатора рассчитывается под конкретную тепловую нагрузку, доступное пространство и условия движения воздуха.

Heat Spreader

Heat spreader распределяет тепло от процессора или другого источника по большей поверхности и используется, например, в Computer-on-Module и embedded-системах.

Heat spreader не всегда является законченной системой охлаждения. В зависимости от архитектуры он может передавать тепло на корпус, дополнительный радиатор или другую часть thermal solution.

Тепловые трубки

Heat pipe используется для переноса тепла от источника к радиатору, расположенному в другой части системы. Такое решение применяется при ограниченном пространстве вокруг процессора или необходимости использовать корпус как часть системы теплоотвода.

Геометрия тепловых трубок и расположение контактных поверхностей обычно проектируются под конкретную вычислительную платформу.

Активное и пассивное охлаждение

Активное охлаждение

Активная система использует вентилятор или blower для принудительного движения воздуха. Это позволяет увеличить интенсивность теплоотвода при сравнительно компактных размерах радиатора.

При проектировании необходимо учитывать срок службы вентилятора, загрязнение системы, акустический шум и необходимость технического обслуживания.

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение работает без движущихся вентиляторов. Тепло от процессора передаётся через радиатор, heat spreader, heat pipe или корпус компьютера в окружающую среду.

Такой подход широко используется в безвентиляторных промышленных компьютерах, поскольку отсутствие вентилятора уменьшает количество движущихся компонентов и снижает попадание пыли внутрь корпуса.

Однако обозначение fanless не означает отсутствие требований к теплоотводу. Пассивная система должна быть рассчитана на тепловую мощность процессора и условия эксплуатации.

TDP и тепловая нагрузка

При выборе CPU cooler одним из ориентиров является тепловая мощность процессора. Производители систем охлаждения могут указывать максимальный TDP или конкретные совместимые процессоры.

Нельзя выбирать кулер только по номинальному TDP CPU. Фактический тепловой режим системы зависит также от настроек процессора, BIOS, окружающей температуры, корпуса, воздушного потока и других компонентов.

Совместимость с процессорным сокетом

Процессорный кулер должен соответствовать механической платформе CPU. В ассортименте промышленного оборудования используются различные поколения Intel LGA и другие сокеты.

При подборе необходимо проверять не только обозначение сокета, но и тип крепления, расположение mounting holes, высоту компонентов вокруг CPU и требования производителя системной платы.

Advantech отдельно предупреждает, что применение неподходящего механизма крепления CPU cooler может привести к деформации motherboard, и рекомендует использовать совместимые решения с правильным retention mechanism.

Высота кулера и форм-фактор корпуса

Для промышленных и серверных систем высота CPU cooler особенно важна. Ограничения 1U, 2U, 3U и 4U существенно влияют на конструкцию радиатора и вентилятора.

Например, в текущем ассортименте HPI Networks присутствуют специализированные low-profile CPU cooler для 2U chassis, а также решения для более крупных корпусов.

Перед подбором необходимо учитывать фактическую внутреннюю высоту корпуса или шасси, а не только его номинальное обозначение в rack units.

Воздушный поток в промышленном компьютере

Эффективность воздушного охлаждения зависит не только от самого вентилятора, но и от пути прохождения воздуха через корпус.

Платы расширения, кабели, накопители и другие компоненты могут препятствовать воздушному потоку. Поэтому установка более производительного вентилятора сама по себе не гарантирует снижение температуры всех компонентов системы.

Вентилятор и blower

Осевой вентилятор перемещает воздух преимущественно вдоль своей оси и широко применяется для вентиляции корпуса и радиаторов.

Blower создаёт направленный воздушный поток и применяется в компактных системах, где воздух необходимо выводить через ограниченный канал или радиатор.

Выбор конструкции определяется механикой корпуса и схемой охлаждения конкретной платформы.

Напряжение и разъём вентилятора

Вентиляторы могут иметь различные напряжения питания, типы разъёмов и способы управления скоростью.

Количество контактов разъёма само по себе не следует использовать как единственный критерий совместимости. Необходимо проверять pinout, напряжение, максимальный ток и функции управления конкретной системной платы.

PWM и контроль скорости вращения

Часть вентиляторов позволяет управлять скоростью вращения в зависимости от температуры системы. Для этого могут использоваться PWM или другие методы управления.

Поддержка управления должна присутствовать как в самом вентиляторе, так и на соответствующем разъёме motherboard или контроллера.

Охлаждение Computer-on-Module

Для Computer-on-Module (COM/SOM) часто используются специализированные heat spreader и cooling assemblies.

COM-модуль может передавать тепло на heat spreader, а далее — на корпус или внешний радиатор. Поэтому thermal solution необходимо проектировать совместно с carrier board и механической конструкцией конечного устройства.

Охлаждение SBC и материнских плат

Для одноплатных компьютеров (SBC) и промышленных материнских плат могут использоваться стандартные или разработанные производителем радиаторы и кулеры.

Даже если процессор имеет стандартный socket, производитель платы может устанавливать дополнительные ограничения по высоте, креплению или направлению воздушного потока.

Охлаждение промышленного компьютера и сервера

В готовом промышленном компьютере или сервере cooling system является частью общей конструкции оборудования.

Запасной fan kit или специализированный cooler для конкретной модели следует выбирать по таблице совместимости производителя. Использование физически подходящего вентилятора с другими электрическими или аэродинамическими параметрами может изменить тепловой режим системы.

Система охлаждения и корпусной аксессуар

Вентиляторы, радиаторы, CPU cooler, heat spreader и законченные thermal kits относятся в раздел систем охлаждения, если их основной функцией является отвод тепла.

Механические панели, кронштейны, воздуховоды и другие детали, не выполняющие самостоятельной функции охлаждения, могут относиться к комплектующим или аксессуарам корпуса в зависимости от основного назначения изделия.

Как выбрать систему охлаждения

Определить охлаждаемый компонент

Необходимо определить, предназначено устройство для процессора, корпуса, GPU, COM-модуля, накопителя или другого компонента.

Проверить совместимость

Для CPU cooler проверяются процессорный socket, монтажный механизм и список совместимых платформ. Для platform-specific fan kit необходимо проверить точную модель промышленного компьютера или шасси.

Определить тепловую нагрузку

Система охлаждения должна соответствовать тепловой мощности оборудования с учётом условий окружающей среды.

Проверить механические размеры

Высота, ширина и расположение cooling module должны соответствовать доступному пространству внутри корпуса и не мешать другим компонентам.

Проверить электрические параметры

Для вентиляторов необходимо учитывать напряжение, ток, разъём и способ управления скоростью.

Учесть температуру окружающей среды

Чем выше температура воздуха вокруг оборудования, тем меньше температурный перепад, доступный для отвода тепла. Поэтому cooling solution, достаточная при комнатной температуре, может оказаться недостаточной в промышленном шкафу или другом горячем окружении.

Основные параметры при подборе

• тип — CPU cooler, fan, fan kit, heatsink, heat spreader или thermal module;
• охлаждаемый компонент;
• совместимая аппаратная платформа;
• процессорный socket;
• поддерживаемая тепловая нагрузка или TDP;
• высота и размеры cooling module;
• совместимость с 1U, 2U, 3U, 4U chassis;
• размер вентилятора;
• напряжение питания;
• тип разъёма;
• PWM или другой способ управления;
• скорость вращения;
• воздушный поток;
• статическое давление;
• уровень шума;
• тип подшипника и заявленный ресурс;
• рабочая температура;
• тип и комплект крепления.

Подбор системы охлаждения под проект

Для точного подбора желательно указать модель промышленного компьютера, сервера, материнской платы или процессорной платы, модель CPU, тип корпуса и ограничения по размерам.

HPI Networks поможет подобрать совместимый кулер, вентилятор, радиатор или thermal kit и проверить процессорный socket, TDP, крепление, электрические параметры и совместимость с конкретной вычислительной платформой по документации производителя.