Традиционные средства охлаждения процессоров: пассивный (с радиатором) и активный (с вентилятором)

Ближе к экзотике: кулер на фазовом переходе

Экспериментальная установка в лаборатории Kronos Advanced Technologies

Принципиальная схема работы «ионного» кулера

Инфракрасная микрофотография работающего кулера

Наиболее простой и даже древний способ охлаждения заключается в увеличении площади поверхности: известно, что слонам большие уши нужны именно для охлаждения своего объемного тела. Точно таким же образом можно отводить тепло от процессора, установив на него специальный радиатор — массивную металлическую деталь с большим количеством пластин, значительно увеличивающих площадь поверхности устройства. Как правило, радиаторы изготавливают из меди или алюминия (эти металлы обладают сравнительно высокой теплопроводностью и невысокой стоимостью). К преимуществам пассивного охлаждения следует отнести простоту, технологичность и полную бесшумность. Однако основной его недостаток — невозможность рассеивать большое количество тепла за небольшое время. Сами по себе радиаторы уже неспособны обеспечить охлаждение современных микропроцессоров — для этого им необходима помощь вентилятора.

В большинстве современных компьютеров необходимый отвод тепла обеспечивается за счет воздушного потока, создаваемого вентиляторами. Как правило, используется комбинированная схема охлаждения, в которой воздушный поток направляется на металлический радиатор. Подобное совмещение активного и пассивного методов охлаждения позволяет увеличить отвод тепла на порядки по сравнению с обыкновенным радиатором. Но главный (мы все его чувствуем на себе) недостаток вентиляторов — шум, который они издают во время работы. Кроме того, они рано или поздно ломаются, и их приходится менять — в отличие от абсолютно бесшумных и практически вечных радиаторов.

Несколько менее популярным и более экзотичным методом является водяное охлаждение. По сравнению с воздухом, вода обладает гораздо большей теплоемкостью, поэтому она может отводить намного больше тепла за единицу времени. Как правило, системы жидкостного охлаждения построены по очень нехитрой схеме: небольшой насос прокачивает воду по замкнутому кругу, в результате чего она сначала проходит мимо процессора, забирая у него тепло, а потом остывает в радиаторе, который обычно располагается вне системного блока. Водяное охлаждение чипов не получило широкого распространения ввиду дороговизны и сложности этого метода. Водяные насосы несколько тише, нежели вентиляторы, однако и в них содержатся движущиеся части, что негативно сказывается на долговечности и надежности подобных систем.

Совершенно новый подход к жидкостному охлаждению предложила компания nanoCoolers , разработчики которой догадались использовать в качестве рабочей жидкости расплавленный металл, а именно — довольно хитрый сплав, состоящий преимущественно из индия и галлия (последний переходит в жидкую фазу уже при 30,1ОС). Такая «металлическая жидкость» обладает большей теплопроводностью, чем вода, но главное — ее можно прогонять по трубкам с помощью электромагнитных сил, и необходимость в механическом насосе отпадает. Однако ввиду высокой стоимости подобных систем, пока они не могут претендовать на роль массовой альтернативы привычным кулерам.

Пожалуй, наиболее экзотическими видами жидкостного охлаждения являются системы, в которых компьютер полностью погружается в жидкость, практически не проводящую электрический ток — например, в масло. По совершенно очевидным причинам, большинство пользователей никак не могут воспользоваться этим методом. Существуют также системы охлаждения, работающие на фазовом переходе: при резком расширении и рабочее вещество переходит из жидкого состояния в газообразное и, в соответствии с законами термодинамики, охлаждается. На этом принципе работают современные холодильники и кондиционеры, а некоторые производители сумели приспособить его и для охлаждения компьютерных компонентов. Кулеры на фазовом переходе являются очень мощными, но весьма дорогостоящими устройствами: пользователям-энтузиастам приходится платить за них многие тысячи долларов.

Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками — одни слишком дороги, другие недостаточно производительны, а третьи отличаются низкой надежностью и высоким уровнем шума. Поэтому вопрос о создании дешевого и простого устройства, способного эффективно охлаждать современные процессоры, по‑прежнему остается открытым. Компания Kronos Advanced Technologies утверждает, что ей удалось приблизиться к решению этой задачи. Устройство, которое разрабатывается в Kronos, использует ионный ветер от коронного разряда, появляющегося вокруг заряженного проводника за счет ионизации окружающей среды, жидкой или газообразной.

Наряду с радиоизлучением, коронные разряды являются одним из основных источников потерь энергии при транспортировке электричества по высоковольтным линиям. Вместе с тем, коронный разряд нашел широкое применение в индустрии фотокопирования, системах кондиционирования и очистки воздуха и многих других устройствах. О том, что с помощью ионизации воздух можно заставить двигаться в нужном направлении, ученые знают уже довольно давно: первым исследователем, отметившим движение воздуха возле заряженной трубки был английский экспериментатор Френсис Хоксби, живший аж три века назад. Именно этот феномен лежит в основе тех разработок, которые ведет компания Kronos.

«Коронный кулер» работает следующим образом. На кончике катода, расположенного с одной стороны процессора, создается мощное электрическое поле, из-за чего молекулы азота и кислорода в воздухе ионизируются, приобретая положительный заряд и устремляясь к аноду на противоположной стороне. При этом они сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха, сообщая им свой момент движения. В результате образуется эффективный воздушный поток, направленный от катода к аноду — он-то и охлаждает процессор, безо всякого вентилятора.

Преимущества этого подхода совершенно очевидны: коронный кулер не имеет движущихся частей, работает абсолютно бесшумно, и отличается неплохой экономичностью, а также является очень простым и компактным устройством. По словам Игоря Кричтафовича (Igor Krichtafovitch), размер созданных в настоящий момент прототипов не превышает нескольких кубических миллиметров, при этом они вполне способны обеспечить достаточное охлаждение процессора средней мощности. Коммерческий запуск таких охладителей может состояться уже через два года.

МОСКВА, 21 ноя - РИА Новости. Ученые из MIT создали первый самолет, оснащенный "воздушными" ионными двигателями, и успешно испытали его в лаборатории. Дебютный полет машины продлился всего двеннадцать секунд, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature .

Дух инноваций

Идея создания ионного двигателя далеко не нова - первые такие мысли появлялись у советских и американских конструкторов еще в 60 годах прошлого века. За последние полвека было запущено сразу несколько космических аппаратов, оснащенных подобными двигателями - советские зонды серии "Метеор" и "Космос", климатический спутник GOCE, зонды НАСА Deep Space 1 и Dawn, японская межпланетная станция "Хаябуса" и ряд других аппаратов.

Все они обладают одними и теми же преимуществами и недостатками. С одной стороны, ионные двигатели крайне экономичны, требуя крайне мало топлива. С другой, их КПД и вырабатываемая ими сила тяги крайне малы. Поэтому разгон и торможение корабля идет крайне медленно, что делает их крайне неудобным средством для доставки людей к Марсу и другим планетам.

По этим же причинам, как отмечает Барретт, инженеры никогда не рассматривали ионные силовые установки в качестве возможной замены для турбовентиляторных или турбовинтовых двигателей, применяемых сегодня в гражданской и военной авиации.

Инженеры и физики из MIT выяснили, что эти представления были ошибочными, открыв методику ионизации воздуха, которая позволит повысить КПД работы подобных двигателей на несколько порядков уже в ближайшем будущем.

Ионный ветер

Как обнаружили ученые, крыло особой формы, покрытое тонкой сеткой из электродов, может вызывать своеобразную "цепную реакцию" в воздухе, заставляя присутствующие в нем свободные электроны сталкиваться с нейтральными молекулами и выбивать из них другие частицы, заполняя окружающее их пространство "супом" из множества ионов и незаряженных частиц.

Если этот "суп" будет находиться внутри электрического поля, то заряженные частицы начнут двигаться в нем в сторону противоположного им полюса, сталкиваясь с нейтральными молекулами и заставляя их двигаться в обратном направлении. Возникнет своеобразный "ионный ветер", имеющий достаточно большую силу тяги.

Используя подобный прием, Барретт и его коллеги фактически утроили рекорд КПД ионных двигателей, повысив его с 1% до 2,4%, и создали миниатюрный самолет массой в 2,5 килограмма и с размахом крыльев в 5 метров.

Прототип двигателя для полета к Марсу испытают на МКС в 2014 году Бывший астронавт НАСА Франклин Чанг-Диас разработал концепцию магнитоплазменного реактивного двигателя, который позволит сократить срок полета на Марс с года до 39 дней, испытания прототипа VF-200 намечены в 2014 году на внешней поверхности Международной космической станции.

Эта машина, как показали опыты ученых, смогла пролететь 55 метров в лаборатории, потратив на 12 секунд полета примерно 900 ватт электроэнергии. В будущем, как считают физики, эти показатели могут быть многократно улучшены за счет оптимизации формы крыла и улучшения свойств его ионного "оперения".

Подобные успехи, как признают ученые, могут показаться публике скромными, однако и полет братьев Райт, состоявшийся чуть больше ста лет назад, продлился крайне недолго и тоже не вызывал особого оптимизма. Однако всего через 20-30 лет после их экспериментов летающие машины стали ключевой частью армий всех ведущих держав мира и одним из главных столпов мировой экономики.

Первый в мире самолет с ионными двигателем испытали на закрытом треке в физкультурном центре Массачусетского технологического института. Дрон массой 2,45 кг с размахом крыльев пять метров пролетел почти 60 м за счет ионной тяги.

Аппарат запускали с помощью катапульты. При запуске с неработающим двигателем самолет пересек бы лишь 10 м, а «подгоняемый» ионным ветром беспилотник преодолел на 50 метров больше, причем он постоянно набирал высоту.

Руководитель разработок профессор аэронавтики MIT Стивен Баррет рассказал, что на создание ионолета его вдохновила научная фантастика.

«В детстве я был большим фанатом сериала „Звездный путь“ и думал, что в будущем появятся беззвучные самолеты без движущихся частей», - цитирует ученого Guardian. Баррет искал способ создать летательный аппарат без подвижных компонентов и узнал об эффекте Бифельда - Брауна, открытом еще в 1920-е годы.

Как объясняет Ars Technica, феномен ионного ветра позволяет летательному аппарату обходиться без пропеллеров и турбин. Оснащенный электродами, инвертором и литий-полимерными батареями самолет передвигается за счет ионизации воздуха.

На передней кромке расположены электроды с положительным зарядом, на задней - с отрицательным. Аккумуляторы выдают напряжение в 40 киловольт. Как только ток проходит через электроды, создается «электронный каскад». В результате формируются заряженные молекулы воздуха. Затем они «соприкасаются» со второй партией электродов, размещенных в хвостовой части дрона. По мере движения заряженные молекулы передают энергию нейтральным молекулам воздуха. Таким образом и создается тяга, с помощью которой ионолет бесшумно летит - совсем как в сериале «Звездный путь», которым вдохновлялся Баррет.

«Это первый в мире полет самолета с двигателем без подвижных частей», - отмечает ученый.

Эксперимент MIT доказывает, что эффект Бифельда - Брауна применим в авиации. Ранее исследователи считали, что ионный ветер не способен обеспечить достаточную тягу, чтобы удержать в воздухе летательный аппарат.

По его словам, технология позволит в будущем создавать более тихие и экологичные летательные аппараты с простой конструкцией. Их ремонт и техобслуживание будут стоить намного меньше, чем сейчас.

Работа по результатам исследования опубликована в журнале Nature. На следующем этапе американские инженеры хотят увеличить размер прототипа, чтобы добиться большей скорости и дальности полета.

Исследователи предполагают, что в будущем ионные двигатели будут использовать при создании дронов-псевдоспутников на солнечной энергии, которые будут парить в стратосфере месяцами.

Недавно Boeing псевдоспутник Odysseus - результат 30-летних разработок. Аппарат способен подняться в стратосферу и провести там несколько месяцев.

В 60-х года «ионолет» казался инновацией и революцией в науке. Ходили даже разговоры о том, что принцип его работы можно было бы использовать в маленьких самолетах и в военном деле, ведь такие «ионолеты» не вырабатывали тепла и тем самым их было невозможно обнаружить на радарах. В какое-то время благодаря своей бесшумности «ионолетами» хотели заменить обычные вертолеты и даже построить специальные летающие платформы противоракетной обороны и мониторинга за движением по дорогам.

Проблема заключалась в мощности. Технология отлично работала с маленькими моделями, вроде той, что можно видеть выше на видео, но совсем не подходила для строительства более крупных «ионолетов». Что уж говорить, технология даже не позволяла нести на борту собственный источник питания, не говоря уже о дополнительном оборудовании. И поэтому некоторое время спустя о технологии стали забывать.
Когда же ученые из MIT решили вернуться к этом вопросу, то обнаружили, что на самом деле серьезных исследований ионного ветра и возможности создания двигателей на его основе не проводилось. Поэтому они решили провести эксперимент, при котором на конструкцию «ионолета» подавался бы ток в сотни вольт, которых бы хватило для того чтобы зажечь обычную лампочку.

Результаты оказались удивительными. Команда исследователей обнаружила, что ионная тяга оказалась более эффективной в сравнении, например, с самолетными двигателями. В то время как самолетные (турбореактивные) двигатели создают тягу в 2 H на киловатт мощности, ионный двигатель смог создать 110 Н на киловатт мощности. Более того, выяснилось, что такие двигатели наиболее эффективны для обеспечения малой тяги. Другими словами энергия не расходовалась зря.

Несмотря на это довольно обещающее открытие, не стоит ожидать, что мы сможем увидеть и даже полетать на «ионолетах» в ближайшем будущем. Ведь несмотря на свою эффективность, технология требует невероятно высокого количества потребляемой для питания энергии. Даже для того чтобы поднять в воздух маленький , потребуется мегавольты энергии. Поэтому ученым придется еще решить вопросы о том, как запихнуть в самолет мощность вырабатываемую целой электростанцией.

Тем не менее характеристики и особенности ионного двигателя подводят нас к рассуждению о том, что при увеличении самих двигателей, увеличивается и расстояние между анодом и катодом. Поэтому для запуска с земли «ионолету» потребуется настолько большой двигатель, что практически само летательное средство будет находится внутри этого двигателя. А это означает, что «ионолет» возможно будет очень большим, круглым, с расположенной в центре основной палубой.

Другими словами, кто знает, что однажды мы сможем увидеть настоящие бесшумные летающие тарелки .

Механическое увеличение потоком положительных ионов всей массы газов к отрицательному электроду-горелке в случае наложения продольного электрического поля по схеме а (см.рис 2) должно вызвать уменьшение высоты внутреннего конуса и поверхности горения S k ; и наоборот, при схеме б, когда горелка находится под положительным потенциалом, следует ожидать увеличение k h и S k .

В соответствии с соотношениями (2) и (3) при постоянстве входных и внешних условий такие изменения h k и S k объясняются только изменением u н, т.е. увеличением или уменьшением нормальной скорости пламени.

С точки зрения тепловой теории эффект ионного ветра можно объяснить тем, что положительные ионы, увлекая за собой массу раскалённых газов при наложении поля по рис. 2, а, приближают зону с более высокой температурой к горелке, в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскалёнными продуктами сгорания и свежей горючей смесью. Это в свою очередь вызывает ускорение реакции и смещение фронта пламени ближе к горелке, при наложении поля по рис. 2, б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх, так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскалённых газов Теплообмен со свежей смесью в этом случае ухудшиться, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.

При наложение заряда на горелку по рис. 1, в и г возможные изменения h k и S k , происходящие за счёт электрического взаимодействия положительных ионов с зарядом на горелке, могут быть объяснены также, как и влияние поля. Однако эффект изменения S k окажется значительно слабее.

Рассмотрим влияние электрического поля и заряда по пределу устойчивости по срыву и проскоку пламени, стабилизированного на горелке, принимая за основной механизм воздействия ионный ветер. Простейшим условием устойчивого горения является равенство

В случаях, рассмотренных на рис.2, а и в, в соответствии с проведённым анализом влияния поля на скорость горения и принятой трактовкой ионного ветра, следует ожидать расширение области устойчивого распространения в сторону более высоких критических скоростей срыва и её сужения за счёт увеличения критической скорости, соответствующей проскоку пламени. Поток положительных ионов, увлекая за собой массу раскалённых газов, будет содействовать стабилизации пламени на отрицательно заряжённой горелке.

Если рассматривать стабилизированное на электролизованном кольце пламя, приподнятое на некоторую высоту над горелкой (вариант “висящего” пламени), то наложение продольного электрического поля по схеме на рис.2, а, должно вызвать стабилизацию пламени на устье горелки под действием ионного ветра. Того же самого, но при более высоком значении потенциала можно ожидать при наложении на горелку электрического заряда по рис. 2, в.

Однако при наложении продольного электрического поля по рис.2, б и заряда по рис.2, г стабилизация предварительно сорванного пламени на положительно заряженную горелку – процесс неосуществимый, если его не объяснять ионным ветром; напротив, поле (см. рис.2, б) и заряд (см. рис.2, г), если следовать понятию ионного ветра, должны содействовать дальнейшему срыву пламени.

В таблице 1 приведены те вероятные экспериментальные эффекты, которые можно ожидать при распространении пламени в электрическом поле, предполагая, что определяющим фактором является один из трёх механизмов воздействия. с № 2в, 2г, 3а и 3в, хотя и характеризуются отсутствием влияния поля на распространение пламени, но только в первом приближении, так как при наложении на горелку отрицательного заряда (вариант 2в) через пламя потечёт ток положительных ионов, а в варианте 2г – ток электронов. В принципе при этом движении к горелке заряжённые частицы будут испытывать упругие соударения и в какой-то мере повышать энтальпию пламени.

При рассмотрении вариантов № 3а и 3в также предполагаем, что влияние электрического поля на распространение пламени отсутствовало, хотя при этом не учитывали такой фактор, как поляризация химически активных частиц под действием электрического поля, способствующих развитию химических процессов. В этих вариантах влияние электрического поля объясняется неупругими соударениями электронов с частицами, но так как в вариантах № 3а и 3в электроны не могут проходить через свежую смесь, а в соответствии с направлением поля ускоряются в сторону продуктов сгорания, то их влияние на подготовку к горению свежей смеси будет ослаблено полем.

Анализ таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы:

• 1. каждый из трёх механизмов влияние электрического поля на процесс распространения пламени определяется направлением поля;
• 2. в зависимости от направления поля в реальных системах, когда

на распространение пламени могут влиять все три фактора,

можно выделить доминирующие процессы.

Гипотеза о прямом воздействии электрического поля на кинетику процесса горения является логичным следствием гипотезы Томсона об активной роли ионов и электронов в процессе горения. Предполагалось, что благодаря электронам и ионам, возникающим во фронте пламени, горячая смесь подготавливается к вступлению в реакцию, и, следовательно, заряжённые частицы определяют процесс распространения пламени. Для подтверждения своей гипотезы Д.Томсон поставил эксперимент по облучению гремучего газа вторичными электронами, выбиваемыми рентгеновскими лучами из свежепрокаленной платиновой проволочки. В результате произошёл взрыв водородно-кислородной смеси. И хотя в последствии эксперимент был признан некорректным (реакцию горения водорода, наблюдаемую Томсоном, объяснили каталитическим воздействием платины), гипотеза эта приобрела сторонников и стала основой для объяснения многих эффектов, возникающих при наложении на пламя электрического поля. Так, результаты работы, в которой показано, что пламенна метана, ацетилена и этилена в поперечном поле с разностью потенциалов 50 – 1800 В (при межэлектродном зазоре 4,85 см) гаснут, авторы объясняют следующим образом: поскольку заряжённые частицы ответственны за распространение пламени, являясь передатчиками энергии к свежей смеси, поскольку при наложении поперечного поля электроны и ионы, рождающиеся во фронте, будут удалятся из зоны горения на электроды, в результате чего их концентрация уменьшится настолько, что при достижении критической напряжённости поля горение прекратится – пламя гаснет.

В пользу гипотезы о прямом воздействии поля на горение свидетельствуют результаты работ по изучению влияния поля на период индукции и температуру самовоспламенения жидких и газообразных топлив. В них показано, что в зависимости от направления поля период индукции и температуры самовоспламенения могут увеличиться или уменьшатся по сравнению с теми же параметрами, в отсутствие поля. Полученные результаты авторы объясняют участием отрицательных ионов в процессе медленного окисления.

Суммируя всё вышеизложенное, следует указать, что две основные точки зрения на механизм воздействия электрического поля на процесс горения(воздействие на газодинамику процесса или прямое воздействие на кинетику реакции) являются отражением двух более общих концепций относительно роли и места заряжённых частиц в процессе горения, одна из которых отрицает, а вторая предполагает участие заряжённых химически активных частиц в механизме окисления и горения.

Отрицать существенное влияние массовых сил, возникающих в газе при наложении на пламя электрического поля, на процесс горения, особенно, когда напряжённость поля велика, но локальный пробой у электродов не возникает, очевидно, нельзя, тем более, что во многих экспериментах поле наложено таким образом, что какого-либо иного воздействия поля, кроме как через механизм ионного ветра, ожидать трудно.

Дело в том, что в цитированных исследованиях поле накладывается интегрально на всё пламя, а в этом случае в результате экранирования поля заряженными частицами, имеющимися в области догорания, напряжённость поля в реакционной зоне и в области подготовки будет близка к нулевой. Очевидно, что такое поле способно повлиять на кинетику реакций только в зоне догорания, т.е. там, где основные процессы в том числе и с участием ионов практически завершено.

Вместе с тем, не менее очевидно, что кинетический механизм воздействия поля способен повлиять на макроскопические параметры горения только тогда, когда удастся создать поле с напряжённостью, достаточной для заметного разделения зарядов именно в реакционной зоне и – в свете последних исследований процесса ионообразования в пламёнах – в области подготовки. При этом желательно, чтобы напряжённость поля в зоне догорания была небольшой, т.к. позволила бы избежать искажающего влияния ионного ветра.