Дипломная работа: Конвективный и одноступенчатый термоэлектрические способы охлаждения персонального компьютера

Центральный процессор (микропроцессор) - самая важная, а также главная часть компьютера, является своеобразным "головным мозгом". На нём лежит вся ответственность за вычислительные действия компьютера. Термин центральное процессорное устройство производил описание специализированных классов логических машин, и назначался непосредственно для выполнения сложных компьютерных программ. В 1960-е годы начали применять термин и аббревиатуры по отношению к компьютерным системам. Архитектура и устройство, а также реализация процессоров неоднократно менялись с течением времени, а их основные исполняемые функции остались неизменными. [2]

Рис. 1.8 - Центральный процессор

Главные характеристики центрального процессорного устройства:

- производительность;

- тактовая частота;

- энергопотребление;

- при производстве микропроцессоров - нормы литографического процесса.

Ранние центральные процессоры были уникальны, так как создавались единственные в своём роде, компьютерных систем. Производители позднее перешли от дорогостоящей разработки процессоров, которые предназначались для выполнения одной узкоспециализированной программы к серийному изготовлению многоцелевых процессорных устройств. С развитием полупроводниковых элементов зародилась и тенденция к стандартизации компьютерных схем, а при появлении интегральных схем она стала ещё более популярной. Уменьшение размеров и увеличение сложности центрального процессора позволило благодаря созданию микросхем. Современные процессоры располагаются не только в компьютерах, а также в детских игрушках, калькуляторах, мобильных телефонах и в автомобилях. [6]

Рис 1.9 - Общая структура персонального компьютера

С появлением микропроцессора, тепловыделение увеличилось, поэтому для стабильной работы компьютера используют систему охлаждения для отвода теплоты.

Оперативная память - одна из самых энергозависимых частей системы, в которой временно хранятся данные и команды, нужные для процессора, чтобы выполнять операции. Каждый символ имеет свой код, он называется адресуемостью, что является обязательным условием [7].

Между ОЗУ и центральным процессором происходит обмен данными:

- непосредственно;

- через регистры в арифметическо-логическом устройстве - сверхбыстрая память;

- при наличии кэша - через него;

Модули оперативной памяти различаются по размерам, контактным площадкам и по расположению вырезов.

Рис 1.10 - Схемы модулей оперативной памяти различных поколений

Данные, хранящиеся в оперативной памяти доступны лишь тогда, когда компьютер включен, т.е. на модули подается напряжение. При кратковременной потере напряжения или отключения компьютера содержимое оперативно-запоминающему устройству.

Для уменьшения потребления электроэнергии существует энергосберегающий режим работы материнской платы, который позволяет переводить компьютер в режим «сна». Чтобы во время «сна» сохранить содержимое оперативно-запоминающего устройства используется файл в папке Windows - «hiberfil.sys».

Получается, что оперативная память содержит данные операционной системы, и объём её зависит от количества запущенных одновременно задач, который может выполнить компьютер.

Жёсткий диск - он же HDD - Hard Disk Driver - основная задача состоит в хранении большого объёма информации для компьютера.

Рис 1.11 - Конструкция жёсткого диска

Главная отличительная особенность от «гибкого» диска (дискеты) состоит в том, что информация записывается на жёсткие пластины, которые покрыты слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома - магнитные диски. Также используются одна или несколько пластин на одной оси в жёстких дисках. При быстром вращении, образующейся у поверхности, считывающие головки не касаются поверхности в рабочем режиме пластин благодаря прослойке набегающего воздуха. Всего несколько нанометров составляет расстояние межу головкой и диском, а долгий срок службы устройства обеспечивается благодаря отсутствием механического контакта. Если отсутствует вращение дисков, то головки находятся у шпинделя или за пределам в безопасной зоне, исключающий их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Еще одной отличительной особенностью жёсткого диска от "гибкого" является в том, что он обычно установлен внутри системного блока, а так он совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники.

Оптический привод - устройство в состав которого входит механическая составляющая, которая управляется электронной схемой. Основное предназначение это считывание и запись информации. Оптический носитель информации представляет собой пластиковый диск с отверстием в центре (DVD, CD и т.д.); лазер осуществляет считывание или запись информации с диска или на диск.

Рис. 1.12 - Устройство оптического привода

Разработанный в 1970-х годах и предназначался для чтения компакт-дисков. Для удобства абстрагирован в зависимости от формата и типа дисков.

Различают следующие виды приводов:

- CD-ROM (CD-привод);

- DVD-ROM (DVD-привод);

- HD DVD;

- BD-ROM;

- GD-ROM.

Оптический привод выпускается в виде независимого устройства со стандартным интерфейсом подключения (PATA, SATA, USB), который устанавливается в системный блок. Он не может входить в состав более сложного оборудования.

Накопитель на гибких магнитных дисках, он же Floppy Disk Drive - это устройство (привод), служит для чтения или записи информации с дискеты.

Он является старейшим из внешних устройств, входящих в состав стандартного набора устройств, выпущенного в 1981 года компании IBM персонального компьютера.

В настоящее время гибкие магнитные диски не используются, так как объём информации, хранящейся на дискете слишком мал для современного мира.

Рис. 1.13 - Накопители на гибких магнитных дисках

Таблица 1.4 - Хронология возникновения форматов дискет

Видеоадаптер - устройство, вывода информации на экран монитора, т.е. преобразует графический образ, который хранит, как содержимое памяти компьютера. Это функция была утрачена со временем, в настоящее время под видеоадаптером понимают устройство с графическим процессором, он же графический ускоритель, который формирует сам графический образ.

Как правило, Видеоадаптер выглядит как плата расширения, которая вставляется в разъем расширения, универсальный (MCA, PCI, EISA, VLB и PCI-Express) или специализированный (AGP). Также бывает интегрирована в системную плату, в виде отдельного чипа. В таком случае устройство не называют видеоадаптером. [5]

Рис. 1.14 - Общая схема графической карты и его соединения с устройствами с системными устройствами

Современные видеоадаптеры не ограничены простым выводом изображения, они так же имеют встроенный графический процессор, который производит дополнительную обработку, снимая, некоторую нагрузка с центрального процессора. Например, современные видеоадаптеры, как Radeon AMD и NVidia осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. Современные видеоадаптеры используют вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач [6].

Рис. 1.15 - Видеоадаптер с основными частями

Компьютерный блок питания - служит для преобразования напряжения до заданных значений, при которых работают элементы компьютера.[1]

Дополнительные функции блока питания:

- служит стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения;

- будучи снабжён вентилятором, участвует в охлаждении компонентов внутри системного блока персонального компьютера.

Мощность, отдаваемая в нагрузку существующими БП, в значительной степени зависит от сложности компьютерной системы и варьируется в пределах от 50 - для встраиваемых платформ малых форм-факторов и до 1800 Вт - большинство высокопроизводительных рабочих станций, серверов начального уровня или геймерских машин.

Рис. 1.16 - Блок питания с основными разъёмами персонального компьютера:

1 - 24-х контактный модуль питания, который подключается непосредственно к материнской плате и подает по разным линиям проводов на нее напряжения, в 5, 3 и 12 вольт, необходимые для функционирования различных устройств компьютера; 2 - 4-х контактный разъем питания на 12 вольт, обеспечивающий питание центрального процессора; 3 - питание «SATA»; 4 - питание стандарта «molex»; 5 - разъём питания для дисковода

1.2 Основные требования, предъявляемые для охлаждения ПК

До недавних пор, пользователь персонального компьютера использовал для охлаждения системного блока лишь вентиляторы и радиаторы. Однако их с течением времени стало недостаточно для охлаждения компьютера, поскольку основные части системного блока стали перегреваться. К тому же и у них не все так идеально. К современным компьютерам с их высоким выделением тепла необходимо дополнительное охлаждение для стабильной и продолжительной работы. Отсюда следует, чтобы не «просто» охладить компьютер, но и сберечь его от непредвиденной поломки, а также, чтобы пользователю было комфортно работать за персональным компьютером, выносятся основные требования для охлаждения:

- Обязательное использование термопасты для сильно греющих элементов системного блока, а именно центральный процессор, графический процессор, поскольку теплопередача от процессора к радиатору будет выше.

- Использование достаточного количества вентиляторов. Если ваш персональный компьютер будет быстро перегреваться, то вы не сможете использовать его в полной мере. Желательно ближе к пользователю устанавливать вентиляторы с медленным вращением лопастей, а дальше от пользователя - с быстрым вращением лопастей. Тогда «проблема» с шумом будет решена.

- Если вы применяете для охлаждения термоэлементы (элементы Пельтье), то при использовании следует обратить внимание на разницу температур холодного и горячего спая, а так же выделяемое тепло элемента, которого вы будете охлаждать. Поскольку, если не будет датчика, при котором, термоэлемент будет отключаться при заданной температуре, то при понижении до температуры ниже комнатной, будет выделяться конденсат. Также для применения термоэлементов необходим мощный радиатор и вентилятор.

- При использовании жидкостного охлаждения или фреоновой установки, самым важным будет обеспечить герметизацию системы охлаждения, а также недопущения попадания рабочего вещества или фреона на элементы компьютера.

Для того, чтобы попадало меньше пыли, необходимо использовать специальные фильтры, но не стоит устанавливать их слишком много, так как циркуляция воздушных потоков будет ухудшаться.

1.3 Конвективный способ для охлаждения ПК

Первый и самый простой способ охлаждения персонального компьютера, лишь правильное охлаждение центрального процессора и других компонентов системного блока возможно лишь при правильном охлаждении корпуса компьютера, в точности так же как и распределении воздушных потоков внутри корпуса системного блока. В современном компьютере иногда наблюдается эффект «домино», который связывает с лавинообразным повышением перегрева. С возрастанием тепловыделения в 1997 году начала внедряться технология, при которой охлаждение происходит сквозным воздушным потоком. При этом направление воздуха происходит от передней стенки к задней стенке корпуса.

Обычно в блоке питания установлены один-два вентилятора. Внутри корпуса системного блока, как правило, крепят два вентилятора, которые служат для усиления потоков воздуха. Существует правило, которым необходимо руководствоваться, что на левой боковой и передней стенках воздух нагнетается вовнутрь корпуса, а с задней стенке горячий воздух уносится потоком наружу. Необходимо удостовериться, чтобы потоки горячего воздуха от задней стенки корпуса не попадали напрямую к воздухозабору на левой стенке корпуса. Один из недостатков принудительного охлаждения воздуха является шум. Во избежание рекомендуется устанавливать вентиляторы с медленным вращением лопастей, особенно это касается передней стенки компьютера, так как она находится ближе к пользователю.