Měření chladícího výkonu vodních bloků

Laboratorní testovací metoda je propracovaná metoda využívající regulovatelné tepelné těleso. Tohle těleso vyrobené z mědi je skutečnou imitací standardního procesoru osobního počítače. Svými rozměry odpovídá procesorům řady Intel LGA 775. Proč nepoužíváme pro meření standardní procesor se můžete dočíst v tomhle článku (první dvě kapitoly). Je v něm velice dobře vysvětleno, proč je měření na obyčejné počítačové sestavě velice závádějící a extrémně nepřesné!

Tohle tělísko je dokonale tepelně odizolované od základní desky pomocí několika papírových podložek - je to důležité z toho důvodu, aby se co nejvíce energie přeneslo do samotného tělesa a ne do okolí. Základní deska, kterou můžete vidět na několika fotografiích slouží jenom jako nosná konstrukce právě pro tohle tepelné těleso a případně instalované vodní bloky. Tepelná čidla jsou umístěna ve středu měděného tělesa v hloubce 16mm.

Proč jsem v tělese použil dvě čidla, nestačilo by jedno? Ve skutečnosti nestačilo, pokud chcete mít jistotu v měřených hodnotách, je nutné použít větší počet teplotních čidel pro porovnání naměřených výsledků. Senzory jsou typu PT1000, jedná se o nejpřesnější řadu o rozměrech 1x3 mm. Ano čtete dobře, senzory mají 1 mm na šířku!!

Zdrojem tepelné energie je standardní výkonnový FET tranzistor, který je zabudovaný uvnitř tělesa. Má nastavený pevný pracovní bod a díky externímu regulovatelnému zdroji můžu libovolně nastavovat vyzařovaný tepelný výkon. Na dalším obrázku je vidět nerezový backplate panel s FET tranzistorem, který je kompatibilní s paticí LGA 775 nebo LGA 1366.

O napájení se stará regulovatelný zdroj HY3005. Při nastavení cca 30V a proudu 5A můžu simulovat vyzařovaný výkon o hodnotě až 150W. Je jasné, že při nastavení těchto maximálních hodnot se nikdy nepřenese celá energie přímo do chladiče a tak počítám, že tepelné ztráty mohou být kolem 5-10% - i přes relativně dokonalou tepelnou izolaci mezi základní deskou a tělesem.

Ukázka pracoviště aneb měření v praxi

Zde se můžete podívat, jak takové měření vypadá. Základem je regulovatelný zdroj HY3005, který napájí FET tranzistor umístený v tepelném tělese. Průtokoměr FL-2067 pro měření aktuálního průtoku a expanzní nádoba LiquidTech. Pro odečítání teploty je použit digitální laboratorní teploměr Gressinger GMH-175. Pro podrobnější popis všech prvků se podívejte na tuhle úvodní recenzi o aerodynamickém tunelu.

Pro diferenční měření teploty mezi tělesem a vstupní teplotou vody je použit průtokový senzor umístěný na vstupní části vodního bloku. Senzor je typu PT1000 tak, jak jste mohli vidět na druhém obrázku této kapitoly.

Testovací pomůcky

Při každém testu budu používat tyhle následující pomůcky:

1) Hadice s průměrem 12/16mm
2) Fitinky s vnitřním průměrem 10mm určeny pro hadice s vnitřním průměrem 12mm
3) Radiátor Swiftech MCR320QP 3/8" + tři 120mm ventilátory Xilence
4) Čerpadlo Laing DDC S2.0 + Alphacool top (inlet mode 11mm)
5) Čistá destilovaná voda
 

Obecný postup při měření

1. Očištění a odmaštění styčné plochy tělesa a chladiče (vodního bloku) isopropyl alkoholem, nanesení tenké vrstvy teplovodivé pasty a rozetření po celé ploše prstem v mikrotenovém sáčku.
2. Měřený chladič nebo vodní blok se nasadí na těleso a rovnoměrně se dotáhne, aby správně seděl po celé ploše - teplovodivá pasta byla použita vždy bílá Thermalright Chill Factor.
3. Zapojení všech konektorů a následné spuštění napájecího zdroje se všemi přístroji.
4. Při běžném testu se ventil průtokoměru nastaví jako plně otevřený (maximální průtok). Napájecí zdroj tělesa nastavím na maximální výstupní výkon, to je cca 147W (+29,5V/5A) nebo 75W (+29.0V/2.60A).
5. Pokud mám systém spuštěný, na regulovatelném zdroji je nastaveno správné výstupní napětí a proud, tak nechám 10-15 minut temperovat a po této době začínám měřit. Odečítám teploty uvnitř tělesa a vstupní teplotu proudící kapaliny.
6. V intervalu cca 5 minut snižuji průtok v okruhu o hodnotu 0,5 GPM a odečítám příslušné teploty. Veškeré hodnoty jsou zapisovány do tabulek v excelu.
7. Celé měření opakuji celkem 3x od bodu 1 po bod 7.

Tohle je standardní postup při měření všech vodních CPU bloků.

Ukázka měření v praxi - video

Stanovení tepelného odporu chladiče

Podle naměřené hodnoty teploty (delta T) a příkonu tělesa, můžu stanovit tepelný odpor nebo tepelnou vodivost chladiče. To je parametr, který z obecného hlediska poukazuje na "chladící výkon" chladiče. Čím je hodnota tepelného odporu nižší, tím je větší "chladící výkon". Opačně to platí pro tepelnou vodivost. Tuhle hodnotu spočítám při maximálním příkonu tělesa, tj. cca 147W a polovičním příkonu 75W. Výpočet stanovím podle :

Hodnota bude vypočítána v celém spektru otáček ventilátoru chladiče. Ukázkový graf naznačuje, jak jednotlivé průběhy můžou vypadat. V ideálním případě by byly hodnoty tepelného odporu Rt naprosto stejné, jak pro příkon 147W, tak pro 75W. Bohužel, měření je zatíženo chybami a tak budu uvádět vždy průměrnou hodnotu z příkonu 147W a 75W (average - zelená křivka). Tento průběh udává absolutní hodnotu chladícího výkonu chladiče - je to nejpřesnější průběh z celého měření.

Graf platí pro vzduchové chladiče - princip je ovšem stejný i u vodních bloků. 

Hodnoty průběhu tepelného odporu při 147W a 75W jsou pro ukázku zvýrazněné (rozdílné). Ve skutečnosti jsou odchylky daleko menší a liší se zpravidla v tisícinách °C/W. 

Teoretické chyby měření

1) Měřená chyba jednoho senzoru uvnitř tělesa se pohybuje na hranici +-0,1°C. Obě čidla jsou kalibrované spolu s měřícím přístroje GHM-175 a tahle společná chyba (senzoru a digitálního teploměru) se pohybuje kolem +-0,1°C + 1dig = +-0,2°C.
2) Chyba vstupní teploty vzduchu se pohybuje na hranici +-0,1°C + 1dig = +-0,2°C, ale budu počítat s vyšší chybou +-0,3°C.

Delta T neboli rozdíl mezi hodnotou uvnitř tělesa a vstupní teplotou vzduchu je součet dílčích chyb a to +-0,2 až +-0,3°C. Proč delta T? Hodnota teploty v tělese je lineárně závislá na vstupní teplotě vzduchu v tunelu - samozřejmě za předpokladu podobné okolní teploty při měření a relativní vlhkosti. Tohle jsou chyby dané měřícími přístroji - jedná se o teoretické maximální odchylky, takže jejich skutečná hodnota může být daleko nižší při dostatečném opakování pokusů. 

3) Chyba v nanesené pastě. Zde se může uplatňovat rozdíl v tloušťce nanesené pasty - díky velkému počtu opakování jednotlivých pokusů lze stanovit odchylku na hodnotu +-0,1°C. Systém nanesení pasty se dozvíte v postupu. Proč jsem tuhle hodnotu stanovil právě na +-0,1°C? Dá se na to dojít matematickým výpočtem nebo zkušenostmi. Sám jsem udělal mnoho testů a různých pokusů a vím, že při jednotném postupu a opakování lze tuhle chybu téměř eliminovat. Pokud by někdo chtěl, můžu podrobněji vysvětlit v diskuzi.

4) Chyba v nastavení tepelného výkonu tranzistoru. Nastavením napájecího napětí a proudu určíme výkon, který bude tranzistor vyzařovat do svého okolí (tepelného tělesa) a následně do chladiče. Tohle nastavení nemusí být vždy stejné. Sice se o této chybě zmiňuji, ale v praxi bych ji naprosto zanedbal. Multimetr UT70D je natolik přesný, že odchylka v nastaveném napětí a proudu bude po součtu v řádech miliwattů. Tuhle chybu jsem určil matematickým výpočtem a zjistil jsem, že je daleko nižší, než může být u nanesené pasty, proto ji naprosto vylučuji. Složité matematické výpočty, které mám na cárech papíru zde nebudu uvádět - pouze pokud by měl někdo zájem.

5) Chybu závislosti dynamického odporu tranzistoru na aktuální teplotě lze také vyloučit. Aktuální proud a napětí je upravován před každým odečítání naměřených hodnot, aby vyzařovaný tepelný výkon byl neustále konstantní.

6) Ovlivňovat naměřený výsledek může okolní relativní vlhkost. Ta je konstantní a neměnná v řádu 50-60%. Několika po sobě jdoucími pokusy jsem došel k závěru, že lze tuhle chybu naprosto vyloučit, pokud veškerá měření budou probíhat v tomto rozsahu relativní vlhkosti. Díky této stabilní hodnotě v laboratoři to není překážkou.

Teoretická výsledná chyba měření 

Pokud jednotlivé chyby sečteme tak zjistíme, že se můžou pohybovat na hranici +-0,6°C. Jsou to ale jenom teoretické maximální hodnoty. Ve skutečnosti při opakování nezávislých měření bude chyba kolem 0,3-0,4°C.

Technické poznámky na závěr

Od 1.4.2010 byly znovu překalibrovány všechny senzory uvnitř tepelného tělesa a u vstupních části proudící kapaliny.