Elméleti alapozás

A hőcsövek (heat-pipe) jó ideje beköltöztek már számítógépeinkbe. Először a Pentium processzoros notebookokban találkozhattunk velük, majd videokártyákon, később processzorhűtőkön és egyes extra tápokban is visszaköszöntek ezek az érdekes, rézszínű rudacskák, melyekről csak annyit lehetett tudni, hogy iszonyatosan jól vezetik a hőt. Honnan jön ez az ötlet? Hogyan működik? Miért került be a számítógépekbe? Tényleg olyan jó? Mi van benne? Ezekre a kérdésekre most választ adunk.

Honnan jött?

A hőcső feltalálása Angier March Perkins nevéhez köthető, aki még az 1800-as évek elején foglalkozott csőbe zárt, hőt szállító folyadékokkal; 1839-ben szabadalmaztatott egy berendezést, ami még csak folyékony halmazállapotú anyaggal volt töltve. Utódja, Jacob Perkins 1936-ban jegyeztette be „Perkins csövét”, melyben a folyadék már gőz halmazállapotba váltott. Egyetlen gramm víznél ez a halmazállapot-váltás akkora energiát igényel, ami 100 gramm rezet 173 fokkal melegít fel! Perkins berendezése hosszú, tekervényes csöveket tartalmazott, a fűtőegység lenn kapott helyet, a felmelegedett gőz felszállt. A lehűlő és vízzé változó gőz (komoly energiákat ad le ez a folyamat) a gravitáció hatására jutott vissza a melegítőhöz. Gőzmozdonyokban és ipari sütőberendezésekben használtak ilyen rendszereket.

Az 1940-es években a General Motorsnál álltak elő azzal az ötlettel, hogy a cső belső falába vékony barázdákat vagy csövecskéket vágva a kapillárishatás segítségével a folyadékot rá lehet bírni, hogy a gravitációval ellentétesen haladjon. A jelenséggel a figyelmesebbek biztosan találkoztak középiskolai fizikaórákon: a folyadék vékony csőben, felületi feszültsége hatására, mintegy a falnak támaszkodva magasabbra tud mászni, mint egy vastagabban. Részben ezzel a módszerrel jut fel például a gyökereken keresztül felszívott folyadék a fa rostos szerkezetében egészen a levelekig. A 40-es években még nem volt megfelelő technológia hatékony, finoman barázdált belső felületű csövek gyártására.

Mint sok találmány, ez is a védelemnek és űrkutatásnak álcázott haditechnológiában találta meg újraéledését. Az első működő hőcsövet George M. Groover nevéhez kötik, aki 1963-ban az amerikai tudósok fellegvárában, Los Alamosban tevékenykedett. Kezdetben űrtechnológiában és hadi rendszerekben alkalmazták, előállítása költséges volt. Hétköznapi használata fölöslegesnek bizonyult a 80-as évekig, hiszen az elektromos készülékek hűtésére akkoriban bőven elégnek bizonyultak a fémbordák.

A 90-es évek elején jelentek meg az olyan erőteljes processzorok, melyekkel a bordák már egyedül nem birkóztak meg, jöttek a ventilátorok. A hordozható gépek piacán forró helyzet alakult ki, oda nem voltak éppen ideálisak a légkavarók. Inkább a hő nagyobb leadófelületekre vezetésével próbálkoztak, erre ideálisak a hőcsövek, melyekkel először 1994-ben pentiumos notebookokban lehetett találkozni. 1999-re a hordozható gépek hatvan százalékát hűtötték ilyen módszerrel. A processzorok és a grafikus magok további gyorsulása miatt a hőcsövek beszivárogtak az asztali rendszerekbe is. Jobb légáramlást – ezáltal jobb hőleadást – biztosító, kedvezőbb felépítésű hűtőbordák kialakítását teszik lehetővé.

Hogyan működik?

A heat-pipe alapvető feladata a hőenergia elszállítása hidegebb égtájakra. Ehhez kihasználja a fázisváltás korábban említett jelentős energiaigényét és azt a tényt, hogy a gáz a melegebb helyről a hidegebbre áramlik. Tehát a folyamat a következő: a cső melegített részén a folyadék jelentős (hő)energiát vesz fel ahhoz, hogy légneművé változzon, majd a cső hidegebb vége felé libben. Ott arra a szintre hűl, ahol ismét folyadékká alakul – és leadja az energiát. A folyadék a gravitációnak vagy a cső belső kialakításának köszönhetően ismét lejut a melegebb részbe, ezzel bezárult a kör.

A hőcső működési elve – Forrás: www.thermacore.com

Persze számos kérdés merül fel: Milyen folyadék válik hatékonyan légneművé 50-60 fok környékén? Mi van, ha elforr az összes lé? Mi van, ha nem bír felforrni? Mi van, ha nem elég a kapillárishatás vagy a gravitáció a folyadék visszajuttatására, mert ugye a legtöbb processzoron vagy grafikus kártyán alkalmazott hőcső vízszintes állásban helyezkedik el.

Ezekre a kérdésekre szerencsére már a tervezési fázisban lehet válaszolni: a folyadék a biztonság kedvéért víz, a belső nyomást úgy alakítják, hogy a párolgás hatásfoka 30-80 fok között is jó legyen, de ne forrjon fel a folyadék, mert olyankor a légbuborékok elállnák a visszajutó folyadék útját. A szükséges paraméterek öt százalékos pontossággal kiszámolhatóak.

A működésre a gravitáció esetleges hiányának leküzdése érdekében kialakított belső erezet gyakorolja a legnagyobb hatást. Három lehetőség van. A legegyszerűbb hosszirányú csatornákat létrehozni. Komolyabb kapillárishatás érhető el változó irányú barázdákkal, de a legjobb a szivacshoz hasonló porózus szerkezet kialakítása, ám ilyenkor szem előtt kell tartani a folyadék molekuláinak méretét és a gázbuborékok esetleges elzáró hatását.

A csatornás, a barázdált és a porózus belső kialakítás

Miért jó?

Hogy hogyan néznek ki belülről a számítógépekben használatos hőcsövek, arra egyelőre nem válaszolunk, lássuk egy jól működő csöves hűtő előnyeit a hagyományos bordákkal szemben. Néha egy kép is többet mond ezer szónál; a Thermacore egyik ábráját vettük kölcsön, melyen egy 12 x 12 cm alapterületű és 23 cm magas alumíniumbordát láthatunk három darab hőcsővel és nélkülük. Egy 75 wattos hőforrás helyezkedik el a borda jobb oldalától 1,3 centiméterre. (Megjegyzés: egy 75 wattos villanykörte felülete méréseink szerint 116 fokos).

A hagyományos borda és a heat-pipe-pal támogatott borda hőeloszlása – Forrás: www.thermacore.com

A sima borda hőeloszlása láthatóan egyenetlen, az egyik vége 112, a másik 50 fokos; hőellenállása 0,96 C/W. A csövek segítségével a hőeloszlás sokkal egyenletesebb, a hőellenállás pedig 36 %-kal kisebb.

Az egyenletes eloszlás mellett van még egy előnye a hőcsőnek: a hővezetés. Segítségével a keletkezett meleget hatékonyan a légáramlás irányába lehet vezetni. Gondoljunk csak egy hagyományos processzorhűtőre, melynek ventilátora az alaplap felé tolja a meleg levegőt, ezzel fűti a környező feszültségszabályozókat. Egy heat-pipe-os egység, mint például a Coolink Bear vagy a Thermaltake Silent Tower egyenesen a ház hátoldala felé fújja ki a nemkívánatos meleget. A grafikus kártyákat hűtő vagy mobil gépekben szolgálatot teljesítő darabokon már ma is láthatjuk, hogy a vezetőképesség és a rugalmas alakíthatóság korábban nem látott megoldásokra ad lehetőséget.

A hőcsövek kihasználására ízelítőt ad a Zalman TNN 500A háza, amelyben az alaplapot és a grafikus chipet is csövek hűtik, bordának pedig a ház falát használják. A módszer rugalmasságban vetekszik a vízhűtésesekkel, és a zárt csövek miatt biztonságosabb. Ha valami katasztrófa okán mégis kilyukadna a hőcső, akkor sem kell elázástól tartani, ugyanis a benne lévő néhány gramm víz a fal anyagában van felszívódva.

Zalman TNN 500A – a követendő példa. Ugyan még kicsit bumfordi, de hatékony.

A teszt előkészítése

Hiszem, ha látom!

Nem lenne Prohardver! a Prohardver!, ha az elméletet gyakorlatban nem próbálnánk ki. Több hőcsöves hűtő is járt már nálunk, a grafikus kártyákat hidegen tartó Zalman ZM80D-HP és Thermaltake Giant III már bizonyított a Radeon X800 Pro gyári hűtésével szemben, a processzorhűtő Coolink NPH2 is megverte már a mezőnyt. Mostani méréssorozatunkban az X800-as tesztből érintőlegesen megismert vízhűtést állítottuk szembe a hőcsöves Coolink Bearrel, továbbá egy hagyományos Thermaltake Spark II+ került a páros mellé. Tesztkonfigurációnk is ismerős lehet:

• Asus P4P800 Deluxe,
• Intel Pentium 4 2,6 GHz @ 3250 Mhz,
• 2 x 512 GEIL DDR400 Value Series RAM,
• Gigabyte Radeon X800 Pro,
• Coolink Bear,
• Thermaltake Aquarius II vízhűtés házi radiátorral,
• Thermaltake Spark II+ léghűtés.

Víz gumicsőben és rézben

Thermaltake Spark II+ – itt csak a másodhegedűs szerepe jut neki

A következő kérdésekre kerestük a választ:

• Vajon a Bear teljesítőképessége függ a helyzetétől? Mi történik, ha függőlegesen áll a cső, és mi van, ha a házat megszokott pozíciójába állítjuk, és a hűtés lelke vízszintesbe kerül?
• Hogyan teljesít a hőcsöves eszköz a többiekkel szemben? Milyen a felmelegedési és lehűlési jellegük?
• Milyen hatással van egymásra egy hőcsöves processzor- és grafikuskártya-hűtő?
• Mi van katasztrófahelyzetben? Hogyan néz ki a szerkezet belülről?

Heat-pipe minden helyzetben

Pozícióharc

A mérésekhez az alaplap hőérzékelőjét használtuk, a SpeedFannal három másodpercenként feljegyeztettük az értéket, miközben Prime95-tel hevítettük a processzort alapfrekvencián (2600 MHz) és tuningolva (3250 MHz). A naplózást a fárasztás előtt megkezdtük, hogy lássuk, milyen alaphőmérsékletről indult a CPU. A mérést addig folytattuk, amíg a processzor beállt egy megközelítőleg stabil értékre, majd leállítottuk a Prime95-öt és megvártuk, amíg a processzor lehűl, és újra beáll egy stabil értékre. A táblázaton a jobb áttekinthetőség érdekében kicsit eljátszottunk a mérések hosszával, hogy az emelkedések és az ereszkedések jól megfigyelhetőek legyenek.

A fekvő és álló házzal mért eredmények nagyon közel vannak egymáshoz, a húzott processzorhoz tartozó értékek szinte megegyeznek, és az alapjáratos eredmények között is legfeljebb egy fok eltérés van, ez lehet akár mérési pontatlanság vagy az elhelyezkedésből adódó eltérő légviszonyok hatása, de akár egy nyitva hagyott ajtó is. Az álló házas méréseknél (ilyenkor vízszintesen van a hőcső, nem segít be a gravitáció) a hőemelkedés és csökkenés is valamivel gyorsabb volt.

Ugyan nem sokan készülnek alaplapot tartó oldalával fölfelé használni gépüket, mi azért megmértük így is a hőcsövest, sőt a korábbi tesztben szereplő Zalman VGA-hűtőt is felraktuk, de sem ebben a fejre állított helyzetben, sem orra buktatva (ilyenkor a Zalman cooler csövei U alakban állnak), sem a házat hátára állítva (grafikus kártyán dolgozó csöveknek lehetett volna meleg helyzet) nem tapasztaltunk kiugró hőmérsékletváltozásokat. Ki merjük jelenteni, hogy a Zalman és a Coolink hőcső működése alig érzékeny a helyzetére, feltehetőleg a porózus belsejű fajtához tartoznak, de erre majd később fény derül.

Vetélytársak

Csapatos megméretés

A következő etapban ismét a fenti Prime95-tel izzasztós, SpeedFannal naplózós módszert használtuk, de ezúttal beszállt a versenybe a Thermaltake Spark és a némileg módosított radiátorral (hőleadó egység) szerelt Thermaltake Aquarius II vízhűtés.

Mint ahogyan vártuk, kiütéssel győz a vizes rendszer. Alapból 24-25 fok környékéről indult vele a processzor, referenciasebességén legfeljebb 27,5 fokot mértünk rajta, de általában 26-27 között ingadozott. Húzott esetben is bőven a konkurensek alatt maradtak a mért értékek, mondhatni ott tetőztek, ahol a Spark indul. A hagyományos hűtőbordával alapfrekvencián olyan meleg a processzor, mint a hőcsövessel túlpörgetve. Húzva pedig majdnem 55 fokig jutottunk vele, ami ugyan nem egy rossz eredmény, de a mostani konkurensekkel szemben alulmarad. A hőcsöves medve azzal lepett meg minket, hogy a túlhajtott és az alapsebességes eset között nem túl nagy az eltérés, jellegében inkább a vizes rendszerre hasonlít (még annál is valamivel kiegyenlítettebb), mintsem a hagyományos bordához, vagyis jól vizsgázik a fázisváltással járó hőszállítás.

A hőmérséklet felfutása itt is nagyon gyors a heat-pipe-nál. Hasonlóan reagál a vizes rendszer is, persze itt nem olyan nagy az emelkedés. A Spark lágyabb ívet ír le, különösen terheletlen esetben, ez az anyagának – alumínium – tudható be. Amíg az anyag fel nem melegszik, jól teljesít, de utána nincs hova elszállítani a meleget, és tovább emelkedik a hőmérséklet. Csökkenéskor ugyanezért lassabban hűl ki.

Páros verseny

Eddig jól alakul a hőcsöves pályafutása, de mi van akkor, ha kerül mellé egy másik ilyen rendszerű hűtő? Csúcsgépekben gyakori, hogy heat-pipe nem csak a központi processzor fölött található, hanem a nagy teljesítményű grafikus kártyán is. Lássuk, hogyan teljesítenek versenyzőink egy Radeon X800 Próra szerelt Zalman ZM80-D HP mellett. Ezekhez a tesztekhez FarCry-t használtunk, ami egyaránt megmozgatja a processzort és a grafikus kártyát, az eredményeket ismét SpeedFannal követtük.

Korábbi tesztünkben lemértük, hogy a hőcsöves Zalman bordáin keresztül kellemes 30-32 fok körüli langyosságot juttat a gépbe, vagyis nem kell a forróságtól aggódni, hiszen a GPU nagy melegét két hatalmas felületű bordára juttatja át. Fontos megjegyezni, hogy az alapfrekvenciás beállításoknál a videokártya szintén alapbeállításokon futott, hűtése passzív üzemmódban működött. Terhelt esetben besegített a Zalman OP-1-es ventilátora, de a kártyát 500/520-as frekvenciákra emeltük. Ez a két beállítás jól tükrözi a két szélsőséget: az „erőteljes, de halk gépet akarok” és a „legutolsó milliméternyi erőt is kisajtolom, még orkán árán is” felhasználói hozzáállást. A hagyományos hűtő mellé a grafikus kártyán is maradt a saját hűtési megoldása, így a „dobozos P4-hűtős, gyári grafikuskártyás” felhasználók esetét is be tudjuk mutatni. A „túlhajtva is csöndes és erős” konfigurációt a vízhűtéssel társított, passzív üzemmódban működő Zalman ZM80D-HP jelentette.

Örömmel nyugtáztuk, hogy az izmosabb VGA-hűtő egyáltalán nincs rossz hatással a másik hőcsövesre, sőt fordítva! Némileg alacsonyabb értékeket mértünk, mint amikor csak a processzort fárasztottuk. További jó hír, hogy a GPU hőmérséklete húzatlan esetben szinte megegyezett a korábbi VGA-hűtőteszt hasonló mérésével: 61 fok. Mindent a végsőkig kihajtva a GPU még mindig egy fokkal a múltkori teszt alapfrekvenciás, referenciahűtős eredménye alatt maradt: 71 fok.

A hagyományos hűtőtől meglepő eredményt kaptunk. Többször is újramértük az értékeket, de mindig egy 54 fok körüli kilendüléssel kezdett a CPU, utána „lehűlt” valamivel 50 fok alá, ami még mindig magasabb öt fokkal a túlhajtott, teljesen hőcsőbe öltöztetett esetnél, pedig itt sem a processzor, sem a grafikus rendszer nem volt húzva! A GPU hőmérséklete ismét hozta a korábbi tapasztalatainknak megfelelő eredményt: 72 fokos volt. Ha ezeket az értékeket a hasonló frekvenciára állított hőcsövesekkel vetjük össze, akkor nagyjából 8-9 fok lemaradást tapasztalunk a gyári hűtők oldalán.

A vízhűtés ismét jelesre vizsgázott. A CPU-hőmérséklet a korábbi, Prime95-tel mért terhelés alatt maradt itt is. A grafikus rendszer hűtőjének is jót tett a vizes társaság. A legnagyobb hőmérséklet, amit a GPU-n mértünk, 60 fok volt.

A páros tesztekből arra a megállapításra jutottunk, hogy bizony a CPU- és a VGA-hűtő egymást is melegíti, de a hőcsöveseknél kisebb ez a hatás, mint a hagyományos gyári hűtőknél. Általában a grafikus kártya jobban megsínyli a meleg processzort, mintsem fordítva. A vizes mérésnél látható, hogy a hőcső zavartalanul futja a legjobbat.

Heat-pipe – belülről

Fúrás-faragás

Itt akár véget is érhetett volna a Bear vendégszereplése nálunk, de másképp történt. Először csak leszereltük a ház oldalát és megmértük, hogy a cső alja és teteje között mekkora a hőmérsékletkülönbség. Alapfrekvencián kettő, tuningolva három fok eltérést mértünk a cső felületén, a technológiai oldalakon is nagyjából ilyen értékek szerepelnek.

Itt meg lehet tekinteni a Coolink Bearünket utoljára egészben:

Műtét előtti bemosakodás

Lelkes műtőscsoportunk első erőszakos beavatkozása egy katasztrófahelyzet szimulálása volt. A hőcső tetejére egy lyukat fúrtunk, ezzel kieresztve a rendszer lelkét. Ezután még visszahelyeztük a gépre, és óvatosan vizsgáltuk, mi történik. Fény derült a hőcső hatékonyságára; a megfúrt Bear már alapfrekvencián 76 fokos processzorhőmérsékletet produkált, tovább nem erőltettük rendszerünket.

A vészhelyzeti gyakorlat volt szegény hűtő utolsó bevetése, most már végérvényesen a kés alá kerül, hogy bepillantást nyerjünk a belső felület kialakítására. Az akcióról videófelvételt készítettünk, melyet 25 MB körüli méretben innen letölthető. A modemeseknek csináltunk egy gyengébb minőségű, de 10 MB alatti változatot, mely innen tölthető le. Természetesen a videó nem mutatja meg a lényeges részleteket, nézzük képeken a cső belvilágát.

Nem csalódtunk méréseink eredményeiben, a cső belső felületén nem finom erezetet, hanem szivacsszerű réteget találtunk, ez megmagyarázza, miért nem tapasztaltunk eltérést a gravitációval segített, fektetett házas méréseknél az álló házasok ellenében. A felületet és a vágást közelebbről szemlélve némileg meglepőnek találtuk a porózus réteg „vastagságát”, de a tesztek alapján ilyen vékony felület is jól muzsikál.

Vége a dalnak

A jól végzett elméleti (rudi) és gyakorlati (Killerman és csapata) munka után megelégedéssel dőltünk hátra: a heat-pipe-ot bátran ajánlhatjuk mindenkinek.

killerman és rudi