Hlavní stránka Hardware Skříně, zdroje, chladiče Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?
Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?
autor: Jiří Janžura , publikováno 18.10.2006
Seznam kapitol
1. Trocha teorie...
2. Testované pasty
3. Metodika testu, výsledky a závěr
Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

V dnešním článku se poněkud nezvykle zaměříme na teplovodivé pasty, které všichni využíváme u procesorů či grafických karet. Zdánlivě banální součást počítače, ovšem nemá až tak zanedbatelný vliv, jak si mnozí z nás myslí.


Pro snazší pochopení jednotlivých pojmů uváděných v následujícím testu teplovodivých past zde uvedu velmi zjednodušený popis mechanismu přenosu tepla vedením. Vedení tepla (kondukce) je jeden ze tří mechanismů přenosu tepla, kdy pak zbývající dva mechanismy přenosu jsou sálání (radiace) a proudění (konvekce). Kondukce je popsána Fourierovým zákonem, který ve zjednodušeném podání udává vztah mezi dodávaným teplem P [W] a teplotním spádem ΔT (rozdíl "teplé" a "studené" strany tělesa).

Pro zjednodušenou představu mějme kvádr o rozměrech a x b x L o tepelné vodivosti k [W/mK]...

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Tomuto tělesu budeme dodávat teplo P [W] a rozdíl teplot mezi spodní plochou (na kterou teplo dodáváme) a horní plochou tělesa (kde teplo odebíráme) bude výše zmiňovaný rozdíl teplot ΔT = T1-T2

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Fourierův zákon pro tento idealizovaný případ bude mít tvar:

P = k . A/L . ΔT

kde A je teplosměnná plocha a x b.

Z výše uvedené rovnice je tedy jasné, že tepelný přenos ovlivňují jak samotné proporce tělesa (poměr teplosměnné plochy ku tloušťce), tak samozřejmě také jeho samotná tepelná vodivost.  V tabulce níže uvádím hodnoty tepelné vodivosti základních látek...

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Dalším pojmem, který bych chtěl čtenářům tohoto článku přiblížit, je tepelný odpor R [°C/W]. Pro snazší pochopení pojmu teplotní odpor bych zmínil jistou analogii mezi Ohmovým a Fourierovým zákonem, kde je teplotní spád ekvivalentní elektrickému napětí a dodávané teplo zase proudu. Tepelný odpor pak lze vyjádřit vztahem:

R = ΔT / P

A stejně jako pro v případě Ohmova zákona, tak i pro Fourierův zákon platí určitá pravidla pro počítání celkového odporu soustavy. Pro ilustraci vezměme dva kvádry o stejné velikosti teplosměnných ploch ale rozdílných hodnotách tepelné vodivosti k a tloušťky L.

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Na spodní stranu tělesa o teplotě T1 opět budeme dodávat energii ve formě tepla. V oblasti styku obou těles bude teplota T2 a na horní straně, kde bude dodávané teplo odevzdáváno bude teplota T3.

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Pro obě tělesa lze tedy uvažovat následující tepelné odpory:

R1 = (T1 - T2) / P

R2 = (T2 - T3) / P

A stejně jako v případě Ohmova zákona lze i v tomto případě vyjádřit celkový tepelný odpor sériově řazených těles jako prostý součet dílčích odporů.

R = R1 + R2

a

R = (T1 - T3) / P

Výše uvedené ovšem platí pouze za předpokladu, že mezi oběma tělesy je dokonalý kontakt. Bohužel zmiňovaný stav se v reálném světe v podstatě nemá šanci uskutečnit a při detailním pohledu na vzájemný styk obou výše zmiňovaných těles je skutečnost přibližně následující...

Test teplovodivých past - je jedno jakou použijete?

Díky drsnosti povrchu stykových ploch obou těles je mezi nimi vzduchová mezera (znázorněna modře), která působí značně negativně na tepelný přenos (viz. tabulka tepelných vodivostí výše). A z tohoto důvodu se právě mezi obě plochy nanáší teplovodivá pasta. Celkový tepelný odpor je pak dán součtem tepelných odporů obou těles a teplovodivé pasty.

Pokud bych měl nyní výše uvedené poznatky shrnout s ohledem k tématu recenze týkající se teplovodivých past a jejich aplikaci v oblasti osobních počítačů (soustava procesor-pasta-chladič), tak závěry jsou následující:

Ze znění zjednodušeného Fourierova zákona plyne, že největšího teplotního přenosu dosáhneme s maximální teplosměnnou plochou a minimální tloušťce materiálu při co nejvyšší hodnotě tepelné vodivosti. V soustavě procesor-pasta-chladič je teplosměnná plocha dána zpravidla velikostí pouzdra čipu a stejně tak je tomu i u tloušťky a následně proporcí chladiče. Tepelná vodivost procesoru a chladiče je závislá na použitém materiálu (křemík, hliník, měď,...) a zde stejně jako v předchozím případě není možné cokoli v domácích podmínkách změnit.

Oproti tomu lze však do určité míry ovlivnit přenos tepla úpravou stykových ploch chladiče a popř. i pouzdra procesoru broušením. Další cestou k zlepšení tepelného přenosu je zvýšení přítlačné síly chladiče na procesor, kdy se nerovnosti dané drsností povrchu deformují a prostor mezi oběma plochami se dále zmenšuje. Při tomto kroku je ale třeba postupovat s nejvyšší opatrností a doporučuji zadní stranu tištěného spoje (základní desky, grafické karty, ...) opatřit oporou, aby se zabránilo jeho nežádoucímu průhybu.

Poslední možností je pak samozřejmě volba co nejlepší teplovodivé pasty, kdy bude je tepelný odpor (thermal resistance) co nejnižší a tepelná vodivost (thermal conductivity) logicky co nejvyšší. Nezanedbatelným kriteriem, které ovlivňuje tepelný přenos je také nanesení ideálního množství teplovodivé pasty, kdy je třeba nanést co nejmenší množství, které by pouze vyplnilo vzduchovou mezeru mezi oběma povrchy. V případě nanesení příliš velkého množství působí pasta jako tepelný izolant (tepelná vodivost běžné pasty je přibližně 100x menší než u mědi) a celkový tepelný přenos je pak nižší než v případě, kdy není použita pasta žádná.



 
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
380 čtenářů navrhlo autorovi prémii: 182Kč Prémie tohoto článku jsou již uzavřené, děkujeme za váš zájem.
Tento web používá k poskytování služeb soubory cookie.