dr. Száldobágyi Zsigmond Csongor A számítógép hardverelemei - Hűtési rendszerek, ventillátorok szerelése, karbantartása A követelménymodul megnevezése: Számítógép javítása, karbantartása A követelménymodul száma: 1174-06 A tartalomelem azonosító száma és célcsoportja: SzT-004-30
A SZÁMÍTÓGÉP HARDVERELEMEI - HŰTÉSI RENDSZEREK, VENTILÁTOROK SZERELÉSE, ESETFELVETÉS MUNKAHELYZET Önt munkahelyén azzal bízzák meg, hogy a vállalatnál használt személyi számítógépek hűtési rendszerét ellenőrizze. Állapítsa meg, hogy a szükséges egységek hűtése ki van-e építve, annak hűtési módja a szükséges teljesítményű, valamint megfelelő technológiájú-e. Amennyiben hiányosságokat tapasztal, tegyen javaslatot a hűtés kijavítására, a hűtési mód, az alkalmazott eszköz cseréjére, pótlására. Készítsen karbantartási tervet a számítógépek hűtésének rendszeres felülvizsgálatára. Állapítsa meg az egyes felülvizsgálatok ütemezését, az elvégzendő ellenőrzések rendjét, a dokumentálásuk szabályait. SZAKMAI INFORMÁCIÓTARTALOM Az informatikai eszközöket elektromos árammal üzemeltetjük. Ám a bevezetett energiának csak igen csekély része hasznosul végső formájában más (fény, mágnesesség, elektromágneses sugárzás, kibocsátott elektromos jel stb.) energiaként. Egy jó része közvetlenül, míg más része a működtetés során közvetve hővé alakul át. Ez az arány összességében 90% fölötti! Ugyanakkor az alkalmazott elektronikai áramkörök, áramköri elemek jellemzői, működési paraméterei meglehetősen függnek a környezeti hőmérséklettől. Az egyes alkatrészek működési hőmérséklettartománya is behatárolt. Jellemzően 40-60 C-nál magasabb hőmérsékleten először az alkatrész névleges jellemzőitől eltérő működést produkál, a hőmérséklet további emelkedésével pedig véglegesen és visszavonhatatlanul elveszti működőképességét. Éppen ezért a tartós üzemszerű környezet fenntartása, a megfelelő hőelvezetés elengedhetetlen a számítógépek, a számítástechnikai eszközök üzemeltetése során. Ebben a tartalomelemben a felvetett munkahelyzet kapcsán a hűtés lehetséges elvi módszerei mellett a gyakorlati alkalmazásukkal is megismerkedünk. 1
HŐTERJEDÉS Az egyes pontokon, alkatrészekben keletkezett hő többféleképpen távozhat. Hővezetés Hőmérséklet-különbség hatására nyugalomban lévő testekben (legyen az akár szilárd halmazállapotú, avagy nem mozgó, nem áramló légnemű, vagy folyadék) létrejön hőáramlás. A melegebb helyről a hidegebb irányába, a teljes kiegyenlítődésig azt folyamatosan megfigyelhetjük. Ennek nagysága (sebessége) arányos a hővezető közeg keresztmetszetével, a hőmérsékletkülönbség nagyságával, valamint függ az anyag hővezetési tényezőjétől. Ez fémek esetében jelentősen jobb, értéke magasabb. A hűtőrendszerekben alkalmazott anyagokat vetjük össze az alábbi táblázatban néhány hétköznapi (nem csak fémes) anyaggal a különbség érzékeltetésére: Anyag Sűrűség Fajlagos hőkapacitás Hővezetési tényező Hőmérsékletve zetési tényező Mértékegység kg/m3 kj/kg* K W/m* K 10-6 m 2 /s Ezüst 10 500 0,235 429 173 Réz 8930 0,382 401 117 Arany 19 260 0,129 318 127,2 Alumínium 2700 0,888 237 98,8 Volfrám 19 000 0,134 173 67,9 Magnézium 1740 1,02 156 87,9 Molibdén 10 200 0,251 138 53,9 Nátrium 9710 1,22 133 11,2 Cink 7100 0,387 121 44 Króm 6920 0,44 91 29,9 Nikkel 8850 0,448 91 23 Vas 7860 0,452 81 22,8 Platina 21 370 0,133 71 25 2
Ón, fehér 7290 0,225 67 40,8 Bronz 8800 0,377 62 18,7 Acél 7850 0,465 50 12-15 Öntöttvas 7800 0,54 46 10-12 Ólom 113 400 0,129 35 23,9 Titán 4500 0,522 22 9,4 Mangán 7420 0,473 21 6 Márvány 2600 0,8 2,8 1,35 Jég (0 C) 917 2,04 2,25 1,203 Kvarcüveg 2210 0,73 1,4 0,87 Teflon 2200 1,04 0,23 0,1 Plexi 1180 1,44 0,184 0,108 Fa 415 2,72 0,14 0,12 Papír 700 1,2 0,12 0,14 Levegő 1,25 0,001 0,02 0,018 A jelzett érték azt mutatja meg, hogy állandó (stacionárius) környezetben egy négyzetméter felületen egy foknyi hőmérsékletkülönbség esetén hány wattnyi teljesítmény adódik át. Nem véletlen, hogy réz és alumínium hűtőbordákat alkalmazunk a gyakorlatban. Persze az ezüstnek és az aranynak jobb hővezetési tulajdonságai vannak, ám aligha lenne gazdaságos Hőszállítás A közeget alkotó részecskék mozgásával valósul meg. Ez az alapja a központi fűtésekben a kazántól a radiátorokig terjedő szakaszban a hőmennyiség továbbításának. Ez esetben a víz a mozgó közeg. Ezt az elvet elektronikai eszközök hűtése során is hasznosítjuk. A hőszállítás mértéke a közeg mozgási sebességével arányos mennyiség. 3
Hősugárzás Az energia térbeli terjedésével, elektromágneses hullámok formájában valósul meg. Így érkezik hozzánk a nap fénye is. Rendszerint az 5 mm-nél kisebb hullámhosszú (infravörös) sugárzási tartományba eső elektromágneses sugárzást tekintjük hősugárzásnak, a nagyobb frekvenciájú sugárzások eltérő fizikai jellemzői miatt. Hőátadás A szilárd testek és a folyadékok, gázok határfelületén létrejövő hőterjedés. Ebben összetett módon kap szerepet az ismertetett három hőterjedési mód. A hőátadás arányos a hőmérséklet különbséggel és a felület nagyságával, valamint jellemzi egy hőátadási tényező is. Az informatikai eszközöknél alkalmazott hűtőbordák ezt a jelenséget alkalmazzák a gyakorlatban. Gyakorlati érzékünk is azt súgja, hogy egy jobb hővezetésű anyag, minél nagyobb keresztmetszettel és tagoltabb bordázottsággal bír, minél nagyobb hőátadó felülettel rendelkezik, annál hatékonyabbá teszi az adott eszköz hűtését. Szilárd testek érintkezési problémái Ehhez azonban még egy problémát meg kell oldanunk. Mint a hővezetésnél bemutatott táblázatból kitűnik, a levegő igencsak rossz hővezető. Ugyanakkor a hűtendő eszköz felülete, akárcsak a hűtést szolgáló eszközé, egészen biztosan rendelkezik legalább az alábbi két hibával: - Nem tökéletesen sík: azaz a megmunkálás során keletkezett nyomok miatt nem képez homogén felületet, és ezt a későbbi karcolódások tovább rontják. - A két összeillesztendő felület egymással nem illeszkedő. Rendszerint sík felületek kialakítására törekszenek a gyártók, de a különféle geometriai eltérések a gyártás során a felület eltérését eredményezik. Így a két fém találkozása nem felületen történik (és mint láttuk, a hőátadás hatékonysága a felülettel arányos), csupán pontszerűen. 4
1. ábra. Egyenetlen felszínek hőátadását rontó tényezők Természetesen levegő tölti ki a két fém rész közötti teret, de ennek hővezetési képessége lerontja a rendszer hatékonyságát. Éppen ezért a felületek között a levegőt helyettesíteni szükséges megfelelően jó hővezetési képességekkel, egyúttal a felületi egyenetlenségeket, eltéréseket kitölteni képes lágy vagy halmazállapot-váltó anyaggal. Erre a gyakorlatban kínálkozó megoldások: - hővezető ragasztó: mint látni fogjuk, gyakran alkalmazott, ám nem bontható kötésmód, - hővezető paszta: ezt is sok esetben alkalmazzuk, hisz így egy bontható, ám jó hővezető képességű kapcsolatot tudunk kialakítani a hűtendő alkatrész és a hűtőegység között, - hővezető alátét: puha fémek segítségével hozhatunk létre kapcsolatot, amely megfelelően nagy erőhatásra felveszi a kapcsolódó felületek alakját, kitölti a közöttük lévő hézagot. Tudnunk kell azonban, hogy ezek az anyagok legfeljebb a levegőhöz képest növelik a hőátadást. De túlzott mennyiségben alkalmazva, amennyiben önálló réteget képeznek tekintettel arra, hogy hővezetési jellemzőjük rosszabb a fémekénél, valamint újabb hőátadási határrétegek kialakulásához vezetnek a rendszeren belül, összességében ronthatják a rendszer hatékonyságát. HŰTÉSI MEGOLDÁSOK Az egyes hűtési módokat különféle informatikai eszközökben, és nem csupán személyi számítógépekben alkalmazzuk. A speciális felhasználási területet jelezzük a módszer ismertetésénél. Természetesen léteznek egyéb hűtési módszerek is (pl. Peltier-elemes félvezető alapú hűtés), de ezek gyakorlati jelentősége csekély, informatikai eszközöknél nem alkalmazzuk, így bemutatásuktól is eltekintünk. 5
Léghűtés A hűtendő eszközben keletkező hőmennyiséget egy nagy felületű hűtőborda segítségével továbbítjuk a levegőnek. Alapvetően két megoldása lehetséges: - Passzív léghűtésről beszélünk, ha a hűtőfelület méretezése alkalmas arra, hogy az átadott hőmennyiség a levegő természetes a hőkülönbségekből adódó áramlása mellett folyamatosan elegendő hőátadás történik. Erre a számítógépházak zárt dobozában nem számíthatunk, külön a levegő áramlását (a konvekciót) segítő eszköz nélküli hűtést sem tekinthetjük általában ilyennek, a ház teljes légáramoltatására alkalmazott eszközök miatt. Azonban perifériás eszközökben (például monitorokban, kisebb teljesítményű nyomtatókban) ezt a megoldást sikerrel lehet alkalmazni. 2. ábra. Mátrix nyomtatófej passzív hűtése megnövelt külső felülettel - Aktív léghűtésnek tekintünk minden olyan megoldást, ahol a hőátadást a hőátadó felületen kényszeresen átáramoltatott levegőmozgással tesszük hatékonyabbá. 3. ábra. Összetett aktív hűtési megoldás 6
A problémát elsősorban az okozza, hogy a hűtés akkor hatékony, ha: - nagy tömegű a hűtőborda, - a hűtőborda anyaga homogén, - a hűtőborda hűtőfelülete minél nagyobb, - az egyes lamellák vastagsága minél nagyobb. Ez azonban a jelenleg alkalmazottnál jelentősen nagyobb eszközöket eredményezne, így kompromisszumokra kényszerülnek a tervezők. A nagy tömegű hűtőbordákat az alaplap vagy más eszköz sem bírná el. A másik gond az elvezetendő hőmennyiségben rejlik. A nagyságrendileg 100 W-ot elfűtő mikroprocesszorok hőjét elvezetni nem tűnik különösebb gondnak, ha arra gondolunk, hogy ez egy 100 W-os izzólámpa esetén minden különösebb probléma nélkül megvalósul zárt csillárokban is. A mikroelektronikai eszközökben a hőtermelő tér kicsinysége, és ennek igen kicsi felületei, mint hőátadó közegek jelentik az egyik gondot, a működési hőmérséklettartomány, és azon belül is a hőmérséklet működési sebességre gyakorolt hatása a másikat. A hőátadó közegek felületét az alkatrész külső kialakítása segítségével növelik meg. 4. ábra. A mikroprocesszor belső szerkezetének és tokozásának méretei Azonban a hőtermelés a működési frekvencia növekedésével arányosan nő, ezért más megoldás irányába indult el a technológiai fejlődés: - többmagos, ezáltal a hőt több ponton termelő, így könnyebben elvezethető eszközöket készítenek, amelyek alacsonyabb működési frekvencián is képesek a megfelelő számolási teljesítmény elérésére, 7
- a gyártástechnológia egyre kisebb félvezető eszközöket gyárt, ma már a 45 nm (nanométer) raszterméretű gyártástechnológiát használják, és a kisebb félvezetők eleve kevesebb energiát igényelnek a működésükhöz. A léghűtések esetén leginkább alumínium hűtőbordázatokkal találkozunk a könnyebb megmunkálhatóság és az alacsonyabb anyagköltség miatt. A sárga, és így réznek látszó hűtők is gyakran alumíniumból vannak csak felületkezelésük csap be minket. Természetesen léteznek réz hűtők, és ezek jelentősen jobb hővezetési jellemzőkkel rendelkeznek, de magas áruk miatt csak igényes, drága készülékekben találkozunk velük. 5. ábra. Nem minden réz, ami sárga: színezett alumínium hűtőborda Folyadékhűtés A folyadékhűtéseknél azt a tényt használjuk ki, hogy az áramoltatható anyagok közül a folyadékok fajhője, így az általuk elszállított hőmennyiség nagyobb a gázokénál. Működése a gépkocsikon alkalmazott hűtéshez hasonló. A hasonlóság a szerkezeti elemekben is megnyilvánul: - blokkok veszik át a hőt a hűtendő eszközről, - ezt csöveken vezetjük el, - ezekben nem víz, hanem speciális hűtőfolyadék kering, - a keringtetést szivattyú végzi, - a levegőnek a radiátor adja át az elvezetett hőt. 8
6. ábra. PC-be szerelt vízhűtés A blokkokban egy belső labirintus van, amelyben a beérkező hideg hűtőközeg végigáramolva át tudja venni az elvezetendő hőmennyiséget. 7. ábra. A vízhűtés rendszerelemei A módszer bevezetése a személyi számítógépek rendszerébe csak részben a jó hőelvezető képességének köszönhető. A másik ok az egyre több, és egyre zajosabb ventilátorok zajának csökkentése volt. A folyadékhűtési rendszerekben a szivattyú igen csendes működésű, és megfelelő méretezés mellett a radiátor mellé sem kell ventilátor a levegőáramlás forszírozására. 9
Hőszállító cső A léghűtések hatékonyságának növelésére alkalmazzák a megismert hátrányok kiküszöbölésére a hőszállító csöveket (heat pipe). Ezt a megoldást eredetileg nem a számítógépek hűtéséhez fejlesztették ki. Ipari méretekben, a kompresszoros hűtéshez hasonló, de külön kompresszort nem igénylő módszerként alkalmazzák régóta. 8. ábra. Hőszállító csöves hűtőegység Működése: - Alapja egy lezárt cső, amelynek végeihez megfelelő hőközvetítő felületek kapcsolódnak. Az egyikkel átvesszük a hőt a hűtendő eszközről, és a távolabbi (így könnyebben elhelyezhető, jobb hőátadási körülményekkel rendelkező) másikhoz vezetjük. - A hővezető közeg a víz méghozzá két halmazállapotában jelen lévő víz. A cső alján (a hűtendő felületnél) a víz folyékony, de a keletkező hő hatására elpárolog, így nagyobb térfogatot foglal el, felszáll a cső másik végéhez. - Az itteni hidegebb felületen kicsapódik, és a víz a gravitációnak engedelmeskedve ismét lefolyik a cső aljába. A gondot ezzel a módszerrel az jelenti, hogy a mikroelektronikai eszközöket 40-60 C-ra kell hűteni a megfelelő működéshez, ellentétben a víz 100 C-os párolgási hőmérsékletével. Ezt a csőben létrehozott vákuummal (de legalábbis meglehetősen légritka tér kialakításával) érik el. A gyártás során ehhez el kell kezdeni felforralni a megfelelő mennyiségben a csőbe helyezett vizet, és a keletkező gőz a levegőt kiszorítja. Alkalmas pillanatban a csövet le kell zárni. (Azért ennek a gyártástechnológiája ennél bonyolultabb.) 10
A másik gond ennél a technológiánál is az, hogy a hatékony hőátvitelhez a felületet kell növelni. Ez esetben a cső és a gőz/víz közötti felületet is. Ezt a cső belső felületének kiképzésével oldják meg. Részben rovátkolt kiképzést alkalmaznak, részben a felületet vegyi úton érdesítik. 9. ábra. Heatpipe belső szerkezete Ilyen módon a hővezető cső a réz hővezető képességének több százszorosa is elérhető. A módszer másik előnye: zajtalan! Kompresszoros hűtés Leginkább szerverszekrényekben (rack) alkalmazott hűtési módszer. A szerverekben lévő, egy szekrényben felhalmozott egységek igen nagy mennyiségű hőt termelnek. Ez akár szekrényenként 4-50 kw is lehet. Ennek elvezetése a megismert módszerekkel hatékonyan nem oldható meg. Ugyanakkor itt kevésbé fontosak olyan szempontok, amelyek a személyi számítógépek esetében jelentősek. Ilyen a zajosság, a hűtési energia felhasználása. Ennél sokkal fontosabb a megbízhatóság, az üzem közbeni javíthatóság, csere, amely modulrendszerrel, a többi eszköztől (legalább részben) független kialakítással érhető el. 11
10. ábra. Kompresszoros hűtés elvi felépítése A módszer a hűtőszekrényeknél alkalmazott megoldással egyezik. A hűtőközegként alkalmazott gázt egy kompresszor összesűríti, mely ennek hatására felmelegszik. Ezt a hőt konvekciós léghűtéssel átadják a környezetnek, és az így lehűtött közeget (amely közben nagy nyomású marad, és folyadék halmazállapotba kerül) a hűtendő tér belsejébe vezetik. Itt egy kisméretű szelepen (kapillárison) keresztül egy nagyobb térfogatú térbe (párologtatóba) kerül. A gáz kitágul, és közben hőt von el környezetétől (gondoljunk a szódásszifon patronjára, mikor eltávozik belőle a gáz), azaz hűt. Az elpárolgott anyag így visszakerülhet a körforgásba. 11. ábra. Kompresszoros hűtés PC-ben Szerverek hűtésénél azt látjuk, hogy az alkalmazott modulok egymástól függetlenül szerelhetők, illetve a ténylegesen szükséges teljesítményre skálázhatók. Az ilyen berendezésekben fontos, hogy gondoskodni kell a keletkező kondenzvíz elvezetéséről. A hűtést úgy kell megtervezni, hogy a hőelvonás egyenletes legyen, ne maradjanak meleg pontok, de ne alakuljon ki egyetlen mikroelektronikai eszközön sem harmatpont alatti hőmérséklet, amely a levegő páratartalmának kicsapódását eredményezné, és ezzel az eszköz tönkremeneteléhez vezethetne. 12
HŰTENDŐ ALKATRÉSZEK, RÉSZEGYSÉGEK SZEMÉLYI SZÁMÍTÓGÉPEKBEN Mikroprocesszor A legnagyobb hőforrás általában a számítógépekben a mikroprocesszor. Nem volt ez mindig így, az i8086-os processzorra épülő első IBM PC-k esetében fel sem vetődött a hűtés szükségessége. Maga a processzor is egy egyszerű 40 lábú műanyag tokozásban kapott helyet. Az egyre gyorsabb, egyre több alkatrészt tartalmazó mikroprocesszorok egyre több hőt termeltek, és ez egyre nagyobb hűtőket igényelt. Részben ennek volt köszönhető (csendessége mellett) a folyadékhűtés bevezetése is a személyi számítógépek világába. Az elfűtött teljesítmény csúcsot a P4-es processzorok érték el, melyek 3 GHz feletti verziói csúcsüzemben 150-200 W közötti hőt termeltek. 12. ábra. Egyszerű ventilátoros hűtés mikroprocesszorokhoz Már említettük, hogy az azóta bevezetett technológiai váltás (a többmagos processzortechnológiák és az alacsonyabb működési frekvencia) jelentősen csökkentette az elfűtött energia mennyiségét. Ez, és a fejlődő léghűtési rendszerek, a hűtőcső megjelenése jelentősen csökkentette a folyadékhűtés szerepét, inkább csak a tuning miatti fokozott teljesítmény mellett ajánlható az ilyen rendszer, ha csupán a processzor hűtése a cél. Az alaplapokon található négy furat szolgál a processzorhűtő rögzítésére, és minden alaplap rendelkezik a maghőmérséklet függvényében szabályozott ventilátorvezérlési csatlakozással is. 13
Az alaplap egyes elemei A hűtés szükségességéről az egyes áramköri elemeken ragasztással gyárilag elhelyezett hűtőbordák léte alapján is képet alkothatunk. Rendszerint az alábbi elemek hűtése szükséges: - északi híd, 13. ábra. Az alaplap északi hídja passzív hűtéssel - déli híd, 14. ábra. Az alaplap déli hídja passzív hűtéssel 14
- MOS-FET tranzisztorok (MOS: Metal Oxide Semiconductor, FET: Field Effect Transistor) 15. ábra. Az alaplap tápfeszültség ellátásában szerepet játszó nagyteljesítményű tranzisztorok csak tuning esetén igényelnek kiegészítő hűtést A Chipset elemei esetében érthető a hűtési szükséglet, hisz ezek integráltsága meghaladja a P2-es processzorokét, és azokat bizony már kellett hűteni. A MOS-FET-ek esetében az igény újszerű. Már a tápegységekről szóló (1174_002-es számú) modulfüzetben említettük, hogy a tápegység által szolgáltatottaktól eltérő feszültségeket is igényelnek egyes áramköri elemek: RAM modulok, a mikroprocesszor, a chipset egyes elemei, stb. Azt is említettük, hogy ezek előállítása a + 5 V és a + 3,3 V-os ágakból az alaplapon történik meg a lineáris tápegységek feszültségosztó eljárásával. Erről is megtudtuk, hogy ez úgy állítja be a szükséges feszültségszintet, hogy a felesleges részt elfűti. Ezt végzik a nevezett MOS-FET félvezetők. Mivel egyre nagyobb áramerősséget igényelnek ezeken a kis feszültségeken (1,3 V; 1,8 V stb.) az eszközök, ezért egyre nagyobb az elfűtött energia mennyisége is. Ez az oka a hűtési szükségletnek. Az alaplap elemeinek hűtése több gondot is felvet: - egyes elemek (pl. déli híd) a csatolókártyák behelyezése után szinte elérhetetlen, így hűtése nehézkes, - nincsenek megfelelő furatok a hűtés mechanikai rögzítésére, - kevés specifikusan ezekhez készített hűtési eszköz található a kereskedelem kínálatában (bár ez utóbbi probléma gyorsan csökken). 15
Hogy ne kelljen sok kis méretű, ám a kellő levegőmennyiség áramoltatásához nagy fordulaton üzemeltetett ventilátort használni, célszerű a hőcsöves megoldások alkalmazása. A helyes eszközválasztáshoz a beépítési geometria (álló, fekvő, csatolókártyák száma, pozíciója stb.) ismerete elengedhetetlen. Egyes alaplapokat már eleve ilyen rendszerrel szállítják. 16. ábra. Az északi és a déli híd, valamint a MOS-FFET-ek közös hűtése hőcsöves megoldással Operatív tár (RAM) A növekvő működési frekvencia elhozta a RAM-ok hűtésének felvethetőségét is. Általában erre nincs szükség, ám az alacsonyabb működtetési hőmérséklet a tényleges sebesség növelésében (növelhetőségében) hálája meg magát. Két hűtési eljárás terjedt el a gyakorlatban: - A RAM modulok két oldalára ráfeszülő (általában rugós megoldással) fém lap eleve nagyobb hőátadó felületet biztosít, amelyet tovább növelnek a felület bordázott mintázatával. Ennek mérete kicsi, a házban egyébként áramló levegő hűtőhatását fokozza csupán. Használatához gondoskodni kell arról, hogy sem a hűtendő RAM modulokban, sem a környező alkatrészeknél ne okozhasson elektromos zárlatot. 16
17. ábra. RAM modul passzív hűtéssel - Aktív ventilátoros hűtéssel is találkozunk. A RAM foglalatok rögzítő füléhez rögzíthetjük a ventilátort tartalmazó eszközt, szintén rugós megoldással. 18. ábra. RAM modulok hatékonyabb hűtésére szolgáló ventilátoros egység Néha találkozhatunk a két megoldás kombinációjával tuning gépekben. 17
Video csatolókártya A mikroprocesszor mellett a másik nagy fűtőgép lehet a nagyteljesítményű videokártya. 19. ábra. Nagyteljesítményű videokártya A hűtési szükséglet felmérésénél legyenek gyanúsak az alábbi körülmények: - külön molex csatlakozón is igényel tápellátást, - eleve külön tápegységet is be kell hozzá szerelni, vagy kívülről csatlakoztatni. Ha a számítógépben több, hídba kötött videokártya található, a hűtési feladat is hatványozottan jelentkezik. A fő gond az álló (torony) számítógépházakban az elhelyezés geometriája: a videokártyák arccal lefelé, vízszintes helyzetben helyezkednek el. Így legyen bármily profi a gyári hűtésük saját hőjükkel visszafűtik magukat. Ilyen esetben ajánlható a hűtőkártya, vagy azzal egyenértékű megoldás. 18 20. ábra. A kétoldali hűtés hatékonyabb, és kevésbé érzékeny a gépház típusára
Ez a gond nem csak játékosok gépeiben, de összetett tervezői rendszerekben is jelentkezik. 21. ábra. Hatékony a folyadékhűtés a videokártya nagy hőtermelésének elvezetésére Egyéb csatolókártyák A többi csatolókártya nem igényel hűtést, de gondoskodjunk a célszerű csatlakozási hely megválasztásával a szellős szerelési környezetről. Háttértárak Alapvetően három háttértártípust alkalmazunk. A tisztán elektronikus SSD egységek nem igényelnek külön hűtést. Az optikai meghajtókat rendszerint csupán szakaszosan alkalmazzuk, a megfelelő beszerelés mellett ezeket sem kell külön hűteni. Ellenben a merevlemezes meghajtók a kapacitásuk növekedésével párhuzamosan egyre nagyobb teljesítményt vesznek fel. Mivel ezek használata (legalább a futtatott operációs rendszer partícióját tartalmazó merevlemez) folyamatos, előfordulhat, hogy gondoskodni kell a hűtésről. Bár csak 10-20 W teljesítményről van szó, de zsúfolt számítógépházban ez is gond forrása lehet. Erre a célra rendszerint a ház előlapja mögé szerelt ventilátor szolgál, de ha ilyen nincs, vagy nem megfelelő a geometriai elhelyezése, szükséges lehet más megoldás is. 19
Ilyen megoldásként leggyakrabban szerelőkeretbe épített ventilátort alkalmazunk: 22. ábra. Merevlemezek hatékony hűtését szolgáló s5¼"-os szerelőkeret A merevlemezek üzemi hőmérséklete 50 C alatt van, a magasabb üzemi hőfok rontja a működéshez szükséges légpárna kialakulását. Nem is tűnik ésszerűnek a számos fontos adatot tartalmazó eszközt kitenni a megsemmisülés veszélyének. Okkal, vagy ok nélkül, egyre több adatot tárolunk, és ehhez több, nagy kapacitású merevlemezt építünk a rendszerbe. Megfelelő energiagazdálkodási beállítással, a tartósan nem használt eszközök leállításának engedélyezésével nem csupán energiát spórolunk, de egyúttal növeljük rendszerünk biztonságát is. Tápegység Bár léteznek passzív hűtésű tápegységek, azonban ezek ára magas. A gyakorlatban ventilátorral forszírozzuk a tápegységen keresztül a levegő áramlását. Ezeket nem méretezhetjük, azok egységet képeznek a tápegység egyéb részeivel. 20
Számítógépház Hiába vezetjük el az egyes eszközökről a hőt, ha az végül bennreked a házban. Egy megfelelő számítógépház a légáramlás kialakításhoz alkalmas perforált felületekkel rendelkezik, szellős. Azonban ezeken a felületeken magától nem fog kellő mennyiségű levegő átáramolni. Ehhez ventilátorokat célszerű alkalmazni és itt van a legnagyobb szabadságunk a választásban. 23. ábra. Az előlapon befelé áramoltatjuk a friss levegőt Nem a ventilátor kiválasztásával, hanem az átáramoltatni kívánt levegő mennyiségében kell gondolkodnunk. Ha ezt minél nagyobb átmérőjű ventilátorok alkalmazásával tesszük, akkor elegendő azokat alacsonyabb fordulatszámon üzemeltetni, így jelentősen csökkenthető a számítógép keltette zajszint. 21
24. ábra. A hátlap felől a meleg levegőt szívjuk ki a gépházból Ma erre a célra 10 és 23 cm átmérő közötti eszközöket alkalmazunk. A megfelelő levegőáramlás (és nem a belső örvénylés) kialakításához a ház előlapján és (szemből nézve) bal oldallapján be, míg a hátlapon és a felső oldalon kifelé irányított ventilátorokat szerelünk fel. 22
25. ábra. A hatékonyság kulcsa a több és nagyobb ventilátorok alkalmazása ( 23 cm) A hűtés szerepe perifériás eszközökben Bár ezekkel ritkábban találkozunk, de perifériás eszközeink egy része is igényli a hűtést. Legalább az elhelyezésük, telepítésük során kellő körültekintéssel kell eljárni. Monitorok: mind a CRT, mind az LCD monitorok perforált felületeken átáramoltatott levegő segítségével szellőztetik ki a működésük során keletkező hőmennyiséget. Ezeket a felületeket letakarni, az irodai munka során papírokkal, dossziékkal elfedni tilos. 23
Más megjelenítő eszközök (plazma kijelzők, projektorok) a nagyobb teljesítmény mellett már aktív, ventilátoros hűtést alkalmaznak. Projektorok használata esetén még arra is ügyeljünk, hogy a vetítés befejezését követően a ventilátor automatikus leállásáig ne szüntessük meg a készülék áramellátását, az ugyanis a vetítőizzó idő előtti tönkremenetelét okozza. A nyomtatóknak is megvannak a kritikus elemei: a nyomtatófejek (tűs mátrix és tintasugaras nyomtatókban), és a lézernyomtatók több eleme is hűtést igényel. Mivel ezek a készülékek megfelelő gyári méretezés mellett készülnek, így csak a kezelési utasításban leírtak betartása, betartatása a feladatunk. HŰTÉSEK SZERELÉSI FELADATAI Ventilátorok A ventilátor rögzítése rendszerint csavarral, csatlakoztatása többféle csatlakozóval történik, az egyes felhasználási célok szerint. A számítógépházba szerelt ventilátorokat az egyéb egységektől eltérő csavartípusokkal szereljük, amelyeket a káros rezonanciák elkerülése érdekében kellő nyomatékkal kell meghúzni. Igényesebb számítógépházakban csavarkötés helyett a csendesebb, rezgésmentesebb rögzítést biztosító lágy gumi vagy műanyag tüske szolgál a ventilátorok rögzítésére, ám ez nem bontható kötés, amennyiben a ventilátort ki kell szerelnünk, a rögzítő elemek többnyire elszakadnak. Az elektronikus csatlakoztatás legegyszerűbb ma már ritkán alkalmazott módja a ventilátor + 12 V-os közvetlen csatlakoztatása. Előnye az egyszerűségben, hátránya a folyamatos magas fordulatszámú üzemeltetésben, és az ezzel együtt járó zajban nyilvánul meg. Ugyanakkor az alaplapok ma már nem csupán a mikroprocesszor, hanem a ház hűtőventilátorának fordulatszám-szabályozását is képesek ellátni a pillanatnyi terhelés, a hőviszonyok függvényében. 24
Ezek csatlakoztatásához: - a processzorhűtő egység esetén négytűs csatlakozó, 26. ábra. Mikroprocesszor ventilátoros hűtésének elektronikus csatlakoztatása - a ház hűtéséhez háromtűs csatlakozó szolgál, 27. ábra. A számítógépház hűtőventilátorának elektronikus csatlakoztatása 25
- de tuning esetén gondoskodhatunk a manuális fordulatszám szabályozás lehetőségéről is. A ventilátorok elhelyezésekor minden esetben különös gondot kell fordítanunk a légmozgás irányára. Ez feleljen meg a ház geometriájának, az elhelyezésnek, azaz elől és alul beszívjuk a hűtéshez szükséges levegőt, míg felül és a hátlapon kifelé fújatjuk a felmelegedett levegőt. Hűtőbordák A hűtőbordák a passzív hőátadás eszközei, de mint előzőleg láttuk, ennek hatékonysága az érintkező felületek nagyságától függ. Ezen a ténylegesen érintkező felületet értjük. Attól függően, hogy a csatlakoztatást más mechanikai csatlakoztatással biztosítjuk-e, kétféle rögzítést alkalmazunk: - ha nincs külön rögzítőelem: ragasztással (pl. 5. ábra), - ha van külön rögzítőelem (pl. 13. ábra), akkor hőpaszta alkalmazásával szereljük. Az utóbbi biztosítja a bonthatóságot is, így akár az eszköz cseréjét (pl. mikroprocesszor esetén), illetve az alkalmazott hűtési mód megváltoztathatóságát (áttérés ventilátoros hűtésről folyadékhűtésre, hőcsöves hűtési módra stb.). Vízhűtések Folyadékhűtés alkalmazásának előnye lehet a csendes működés és a hatékonyabb hűtés, ám számos probléma forrásává is válhat egy ilyen rendszer. A gyári szerelőkészletek részletes leírással szolgálnak a szerelési sorrendet, és az alkalmazandó szerszámokat illetően, ezek közül a legfontosabbakat emeljük ki: - megfelelő méretezés, - a szerelés első lépéseként el kell távolítani a meglévő (cserélendő) hűtőfelületeket, s alaposan letisztítani az azokhoz alkalmazott ragasztó-, pasztamaradványokat (ennek során ügyeljünk rá, hogy anyagmaradványok, különösen fémes szemcsék ne kerülhessenek az elektronikus alkatrészekbe, a nyomtatott áramköri lapokra, hisz azok zárlatot okozhatnak), - a folyadékhűtés elemeinek a ház jellegével összhangban történő beszerelése (fordítsunk figyelmet a folyadéktartály megfelelő rögzítésére, elhelyezésére), - a csöveket elhelyezése, vízzáró csatlakoztatása, - a rendszer feltöltése folyadékkal, - próbaüzem. 26
A folyadékhűtés hatékonysága mellett gyakran elfeledkezünk arról, hogy ez a módszer egyúttal koncentrált hűtési megoldás is, így csupán azon egységek hűtését valósítja meg, amelyek a rendszerre csatlakoztatva vannak. Ezzel szemben a ventilátoros léghűtések a légáramlás szertelensége miatt járulékosan más elemek hűtését is megvalósítják. A folyadékhűtést tuningolt számítógépekben alkalmazók gyakran szembesülnek azzal, hogy a tökéletesen kivitelezett hűtési rendszer ellenére a számítógép lelassul, rendellenesen működik. Ennek oka lehet például: - az alaplapi FET-ek hűtésének elmaradása (a processzorhűtő ventilátor ezt a gondot megelőzi léghűtés esetén), - a háttértárak hűtési hiányossága, - a számítógépházban légáramlás híján felhalmozódó nagy hőmennyiség, és emiatt egyes elemek üzeminél jelentősen magasabb hőmérséklete. A fentiek miatt alapos megfontolást igényel, hogy érdemes-e folyadékhűtést alkalmazni. Sok esetben olcsóbb, ugyanakkor hatékonyabb minőségi egységek felhasználásával csendes léghűtést tervezni, szerelni. A SZÁMÍTÓGÉP HŰTŐRENDSZERÉNEK Léghűtés A ventilátor lapátjai többnyire műanyagból készülnek, és ezek a levegőáramlás során némi statikus feszültséget halmoznak fel, ami vonzza a lapátok között átáramló levegő porszemcséit, így azok lerakódnak a lapátok felületén, élein. Ez részben rontja a légáramlás hatékonyságát is, de elsősorban zaj forrása, és nem használ a csapágyazásnak sem. 28. ábra. A por lerakódik a ventilátor lapátjaira Sűrített levegős palack, porecset segítségével vagy törléssel tisztítsuk! 27
Végső esetben szükség lehet a kopott csapágyazású ventilátor javítására is. Ez esetben távolítsuk el a csapágy fedelét. Rendszerint ezt egy, a ventilátor műszaki adatait tartalmazó matrica takarja. Eltávolításakor ügyeljünk a visszaragaszthatóságra. A csapágyba egyetlen csepp varrógépolajat tegyünk, és mozgassuk néhányszor körbe a lapátokat. Gondoskodjunk a pormentes lezárásról, próbaüzemmel győződjünk meg a javítás sikeréről. Ám az ilyen barkácsolástól hosszú távú sikert ne reméljünk. Csak akkor alkalmazzuk, ha a cserealkatrész beszerzése (pl. processzorhűtő ventilátorok esetén) nehézkes, nem oldható meg azonnal és csupán a cserealkatrész megérkezéséig! Minden esetben a hűtőbordát finoman mozgatva ellenőrizzük a stabil rögzítettséget! Ennek során észleljük, hogy a hűtőborda lamellái között nem halmozódott-e fel por, más szennyeződés! Legalább félévente tisztítsuk ki a hűtőbordák közeit, mert az ott felhalmozódott por vészesen rontja a hűtés hatékonyságát. Ennek jele lehet a megnövekedett fordulatszámon pörgő hűtőventilátor zaja is, hisz a légáramlás növekedésével, a ventilátor fordulatszámának emelésével próbál rendszerünk az elégtelen hűtés ellen védekezni. A sűrített levegővel való kifújás mellett a nagy nedvességtartalmú helyiségekben (vagy ritka karbantartási ciklus esetén) szükség lehet az egység szétszerelésére, hogy a beágyazódott koszt porecsettel, erősebb szálú kefével alaposan kitisztíthassuk. Ilyenkor a visszaszerelés előtt el kell tárolítani a hővezető paszta maradványit, és új réteget felvinni a hőátadás biztosítása érdekében. Folyadékhűtés Folyadékhűtések esetén a rendszeres karbantartások során ellenőrizzük, hogy nincs-e szivárgás, amely előadódhat a kötések hibájából vagy a műanyag csövek elöregedése miatt is. Ellenőrizzük, hogy a kiegyenlítő tartályban megfelelő mennyiségű folyadék található-e, és ha szükséges, pótoljuk a folyadékot. Ha erre gyakran szükség van, vagy jelentős folyadékvesztést tapasztalunk, mindenképpen keressük meg a fogyás okát a szivárgás helyét. Elégtelen folyadékmennyiség a keringető szivattyú meghibásodásához, ezzel a hűtés leállásához vezethet! Szemrevételezéssel állapítsuk meg, hogy a hőátadó egység (radiátor) lamellái között nem gyűlt-e fel por, egyéb szennyeződés, ha igen, ezt sűrített levegős palack, vagy porecset alkalmazásával távolítsuk el. Erre gyakrabban van szükség a ventilátorral levegőztetett radiátorok esetében. 28
TANULÁSIRÁNYÍTÓ A Szakmai információtartalom részben leírt sok ismeretet most értelmezzük az eredeti kérdéseink Esetfelvetés munkahelyzet tükrében. Lapozzon vissza, és olvassa el ismét a kérdéseket! Ha szükségesnek érzi, olvassa újra a tananyagot is, bár erre sort keríthet részenként, az egyes kérdésekre keresett válaszok során is. Ha szükségesnek találja, vagy a téma egyes részei alaposabban is érdeklik, internetes forrásból számos kiegészítő és értelmező ismeretre tehet szert. Különösen fontos az egyes eszközök működésének fizikai alapjait megérteni, a hozzátartozó fizikai ismeretek elsajátításához használja az internetes forrásokat! Fontos! Soha ne arra törekedjék, hogy szó szerint tanulja meg a tananyag egyes részeit. Az informatika egy gyorsan fejlődő tudomány, így az összefüggések megértése, és ezek alapján a gyakorlatban felbukkanó újabb technológiák rendszerbe illesztése a feladata. Keressen választ tehát kérdéseinkre, de nézze meg azt is, hogy ennek mi a helyes sorrendje, mi mindent kell végiggondolnia, mielőtt döntene! Elsőként vegye számba a meglévő eszközök hűtési megoldásait! (Ezt a tevékenységi sorrendet otthoni számítógépes eszközei segítségével is elvégezheti.) számítógép: periféria: hálózati eszköz: egyéb berendezés: 29
Határozza meg ezek teljesítményfelvételét, lehetőleg szoftveresen derítse fel a rendszerben alkalmazott egységek gyártmányát, típusát, és az eredeti dokumentáció, annak hiányában internetes keresés (pl. gyártó támogatói oldalának felkeresése) segítségével határozza meg az adott egységhez, berendezéshez tartozó jellemző értékeket. számítógépház: alaplap: processzor: RAM: videokártya: egyéb csatolókártyák: merevlemezes meghajtók: optikai meghajtók: egyéb eszközök: A teljesítményértékek közül a maximális értéket vegye figyelembe, és írja az előző felsorolásban az eszközök neve, típusa mellé! Jelölje az adott eszközöknél a jelenleg alkalmazott hűtési módszert is (törekedjen a minél pontosabb megállapításokra: derítse fel, mi az alkalmazott hűtőbordák anyaga, rögzítési módja, a fellelt ventilátorok típusa, üzemi feszültségértéke, névleges fordulatszám-tartománya, mechanikai mérete, csapágyazásának típusa stb.). 30
Mérlegelje, hogy jelenleg a számítógépében alkalmazott hűtési rendszer alkalmas-e feladatának biztonságos ellátására! Indokolja döntését! Alkalmasság: Indoklás: Gondolja végig, hogy léghűtésről folyadékhűtésre való áttérés esetén milyen eszközöket kellene hűteni! Hűtendő eszközök a számítógépben: A hűtési rendszer átalakítás nem gyakori feladat. Viszont a karbantartás, tisztítás, ellenőrzés annál inkább. Bontsa meg a számítógépházat! Figyeljen oda a megfelelő eszközhasználatra, a sztatikus feltöltődés elleni védekezésre! Ügyeljen a hálózati feszültség alatti munkavégzés során az érintésvédelmi előírások betartására, a munkavédelemre az áramütés elkerülése érdekében! 31
A Szakmai információtartalom részben leírtak szerint ellenőrizze a számítógép egyes hűtési elemeit, végezze el ezek tisztítását. Írja le, mely elemeken milyen mérvű szennyeződést tapasztalt, és mi lehetett ennek oka. Jelölje, ha ennek volt valamilyen elhárítható, helyi sajátosságokra visszavezethető oka! Gondoskodjon a porártalom megelőzéséről a karbantartás során! számítógépház: alaplap: processzor: RAM: videokártya: egyéb csatolókártyák: merevlemezes meghajtók: optikai meghajtók: egyéb eszközök: A karbantartás végeztével, a helyben szokásos módon, oktatója irányításával adminisztrálja a karbantartás megtörténtét, és a tapasztaltak függvényében határozza meg a következő karbantartás időpontját! Szerelje össze a számítógépet, és a megfelelő eszközök csatlakoztatását követően próbaüzemmel győződjön meg a megfelelő működéséről! 32
ÖNELLENŐRZŐ FELADATOK 1. feladat Sorolja fel a számítógépek egyes elemeinek hűtésére a gyakorlatban rendszeresen alkalmazott módszereket! 1. 2. 3. 4. 5. 2. feladat Állítsa csökkenő sorrendbe hővezető képességük alapján az alábbi anyagokat (kezdje a legjobb hővezető képességűvel)! cink, arany, acél, réz, alumínium, ezüst 3. feladat Melyek azok az eszközök a számítógépben, amelyek hűtéséről aktív vagy passzív módon feltétlenül gondoskodnunk kell? Válaszát írja le a kijelölt helyre! 1. 2. 3. 4. 5. 33
4. feladat Jellemezze a helyes légáramlási irányokat a számítógépházban! 5. feladat Sorolja fel helyes sorrendben a folyadékhűtés szerelésének fő lépéseit! 1. 2. 3. 4. 5. 6. 34
MEGOLDÁSOK 1. feladat 1. passzív léghűtés, 2. aktív (ventilátoros) léghűtés, 3. hővezető csöves (heat pipe) hűtés, 4. folyadékhűtés, 5. kompresszoros hűtés. 2. feladat ezüst, réz, arany, alumínium, cink, acél 3. feladat 1. tápegység, 2. mikroprocesszor, 3. északi híd, 4. déli híd, 5. videokártya. 4. feladat A számítógépházba elől és alul beszívjuk a hűtéshez szükséges kinti levegőt, míg felül és a hátlapon kifelé fújatjuk a felmelegedett levegőt. A tápegység az ATX szabvány szerint szintén belülről kifelé szívja a levegőt. 5. feladat 1. megfelelő méretezés; 2. a szerelés első lépéseként kell a meglévő (cserélendő) hűtőfelületek eltávolítása, az azokhoz alkalmazott ragasztó, paszta maradványok alapos letisztítása, 3. a folyadékhűtés elemeinek a ház jellegével összhangban történő beszerelése (fordítsunk figyelmet a folyadéktartály megfelelő rögzítésére, elhelyezésére), 4. a csövek elhelyezése, vízzáró csatlakoztatása, 5. a rendszer feltöltése folyadékkal, 6. próbaüzem a helyes, rendeltetésszerű működtetés ellenőrzésére. 35
IRODALOMJEGYZÉK FELHASZNÁLT IRODALOM Markó Imre: PC hardver konfigurálás és installálás. LSI Oktatóközpont, Budapest, 2000. Ila László: PC-építés, tesztelés, eszközkezelés. Panem Kiadó, Budapest, 1996. www.wikipedia.com AJÁNLOTT IRODALOM Markó Imre: PC hardver konfigurálás és installálás. LSI Oktatóközpont, Budapest, 2000. Ila László: PC-építés, tesztelés, eszközkezelés. Panem Kiadó, Budapest, 1996. Csala Péter - Csetényi Arthur - Tarlós Béla: Informatika alapjai. Computer Books, Budapest, 2003. Markus Bäcker: PC-doktor. Computer Panoráma, Budapest, 2002. www.wikipedia.hu http://sdt.sulinet.hu/ 36
A(z) 1174-06 modul 004 számú szakmai tankönyvi tartalomeleme felhasználható az alábbi szakképesítésekhez: A szakképesítés OKJ azonosító száma: A szakképesítés megnevezése 33-523-01-1000-00-00 Számítógép-szerelő, -karbantartó A szakmai tankönyvi tartalomelem feldolgozásához ajánlott óraszám: 15 óra
A kiadvány az Új Magyarország Fejlesztési Terv TÁMOP 2.2.1 08/1-2008-0002 A képzés minőségének és tartalmának fejlesztése keretében készült. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Kiadja a Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet 1085 Budapest, Baross u. 52. Telefon: (1) 210-1065, Fax: (1) 210-1063 Felelős kiadó: Nagy László főigazgató