Har funnet et nytt superkjølende materiale

[Nilsen]

Kan bli mer aktuelt enn diamanter.

Har funnet et nytt superkjølende materiale

[oddsmurf]

Overskriftene deres blir jo bare værre og værre. "Superkjølende"?

Så materiellet i seg selv har altså evnen til og kjøle ting? -.-

[Andrull]

Reagerte litt på ;

Behovet for superkjølende materialer som samtidig er både billige og pålitelige har blitt mer og mer aktuelt de siste årene. Med små smarttelefoner, tynne nettbrett og lette bærbare PC-er fulle av kraftige komponenter, er det et stort behov for skikkelig kjøling.

Nettbrettene skal være passivt kjølt, og bærbare PC-er skulle gjerne vært både tynnere og lettere. Med mer varmeledende materialer innabords kan det bli lettere å oppnå dette i fremtiden.

 

Det kan jo veldig lett gi inntrykk av at slik teknologi vil hjelpe ganske mye i bærbare PCer og andre små mobile enheter. Faktum er jo at det ikke direkte er varmeledningen som er et problem i bærbare PCer, nettbrett og mobiler.

 

Det er kjølearealet som er problemet, og det vil fortsatt være et like stort problem med slik teknologi. Joda, det vil gi en liten fordel til passive kjølere, da disse kjølerene vil holde en høyere temperatur som er nærmere kjernetemperaturen til brikken.

 

Foreløpig alt vell og bra, men faktum er jo at på nettbrett og mobiler så ønsker du ikke at enheten skal få en høy ytre temperatur, da det vil være ubehagelig å holde i, samt slanke batteriet. Og da er du nøyaktig like langt. 1 watt er fremdeles 1 watt, og for å fjerne 1 watt så er det fortsatt enheten sitt ytre som vil lede varmen bort. Mobiler har vel ikke engang noen kjøleribbe overhode, og da hjelper det i hvert fall ikke mye om varmen blir raskt ledet bort, når det uansett vil bli begrenset av materialet mobilen er laget og luften. Og det er her begrensningen er! (enheten sin maks ytre temp, luften sin ledevne og kjølearealet)

 

På laptoper så blir det litt annerledes, da de er store nok til å ha kjøleribber som kan bli så varme uten at resten av maskinen blir varm. Men fortsatt så er det kjølearealet til laptopene som begrenser, og i bunn og grunn ledeevnen av varme til luft som bestemmer hvor store kjøleribbene må være. Du vil nok kanskje øke effektiviteten litt med litt bedre varmeledning til selve kjøleribbene, men det er fortsatt i all hovedsak kjølearealet som begrenser en laptop sitt strømforbruk.

 

MEN! Når det kommer til stasjonære PCer så blir det på moderne mikrobrikker svært raskt klart at uansett hvor stor kjøleribbe du har, eller uansett hvor stort vannkjølingsanlegg du har, så vil brikken slite med å holde seg selv kjølig. Dette er på grunn av dårlig varmeledningsevne, både internt i brikken og i kjølerribbene.

 

Her vil slik teknologi virkelig gjøre stor nytte for seg. Her blir kjøleribbene såpass store at varmeledeevnen er for liten, og blir derfor svært raskt en flaskehals. Og værre blir det jo mindre prosessteknikk brikkene har.

[KANE2009]

Nå er ikke jeg Elektronikk- og instrumenteringsingeniør så du har nok bedre grunnlag for å uttale deg Andrull, men vil ikke det at man får ledet varmen bort både kjappere og mer effektivt sørge for at enheten oppleves kaldere? Og vil ikke det at komponentkjernene er kaldere bety mer effektivt strømforbruk i komponentene, i og med at kjernen er kaldere og dermed har lavere motstand enn tilsvarende komponenter laget med dårligere varmeledende egenskaper?

Endret 31. juli 2013 av Kimma16

[Andrull]

Nå er ikke jeg Elektronikk- og instrumenteringsingeniør så du har nok bedre grunnlag for å uttale deg Andrull, men vil ikke det at man får ledet varmen bort både kjappere og mer effektivt sørge for at enheten oppleves kaldere? Og vil ikke det at komponentkjernene er kaldere bety mer effektivt strømforbruk i komponentene, i og med at kjernen er kaldere og dermed har lavere motstand enn tilsvarende komponenter laget med dårligere varmeledende egenskaper?

 

1. Oppleves enheten kaldere?

Der må jeg nesten anta at du mener om den kjennes varmere ut, og at vi snakker om bærbare enheter.

Da er svaret nei, det vil ikke merkes forskjellig. 1 Watt varme er jo fortsatt 1 Watt varme og vil stråle ut til omgivelsene. Om den ledes bra ut så vil enheten kjennes varm, da enheten kvitter seg med 1W varme gjennom overfalten til mobilen/hånden din. Om den leder varmen dårlig så vil temperaturen øke i brikka helt til mobilen når et punkt hvor den kvitter seg med 1W. Som man nå forhåpentligvis ser så vil utsiden være nøyaktig like varm.

 

Ok, nr 2.

Fordi komponentkjernene er kaldere betyr det mer effektivt strømforbruk i komponentene?

Her er du absolutt inne på noe. Lavere temperatur i en databrikke vil gi mindre lekkasjestrøm, og dermed bedre effektivitet. Men så lenge mikrobrikken holder seg innenfor normale verdier, så snakker vi ikke om store mengdene overhode. Men ja, dette er en av grunnen til at vi vil holde kjernene kalde.

 

3.

I svar 1 forenklet jeg prosessen og nevnte at om varmeledningsevnen var dårlig så økte temperaturen, og i svar 2 så nevnte jeg at det er fordelmessig å holde dem kalde, så hvorfor er ikke dette viktig for mobile enheter? Kan ikke dette spare oss for strøm og problemer?

 

Kort forklaring: Jo det er viktig å hindre oppvarming så mye som mulig, men varmleledningsevnen til kjernen i brikka står for en svært liten del av det som øker temperaturen, og å endre på den vil ikke endre noe som helst (tilnærmet).

 

Jo det kan spare oss for bittelitt strøm, men det er andre ting de kunne gjort i dag som hjelper MYE mer, men siden lekkasjestrømen er lav nok, og temperaturene lave nok, så koster det for mye, og gir for mange tekniske problemer til at de gidder å gjøre noe med det.

 

 

Her er den tekniske forklaringen:

- Produsenter av databrikker oppgir termisk motstand som R(theta)JC.

R(theta) er for å poengtere at vi snakker om termisk motstand, og JC står for "Junction to Case", som betyr at den absolutte varmledningsevnen fra innsiden av kjernen til utsiden av prosessorbrikka. Det er oppgitt i K/W (Kelvin / Watt, som i vårt tilfelle blir det samme som grader Celsius / Watt). Altså hvor mange grader brikka varmer seg opp for hver watt du fører gjennom den. Og jo lavere dette tallet er jo mindre vil brikka varme seg opp.

 

- Du må også legge med den termiske motstanden til kjølepadden/termiskpasta ("kjølepasta") som er R(theta)CH (hvor CH står for Case to Heatsink).

Og så må du ha R(theta)HA (Heatsink to Ambient) som er varmledningen i kjøleren og hvor godt den leder varme til luften.

 

- Hvis vi skal finne ut temperaturen som kjernen har, så kan vi legge sammen alle de termiske motstandene og så multiplisere med hvor mange watt kjernen trekker. Da finner vi hvor mange grader over omkringliggende luft (ambient air) kjernen vil ligge på. Hadde f.eks kjernen hatt en perfekt termisk motstand så vil den være null, og om den termiske pastaen også var perfekt (0) så ville kjernen hatt samme temperatur som kjøleribba. Og dette er jo veldig positivt, og med dette nye vidunderstoffer så vil i det minste den termiske motstanden til mikrobrikka bli mye mindre og dermed får vi en temperatur som er mye nærmere kjøleribba.

 

- Ok, hvis man forstod de foregående punktene, så skal jeg her komme med hvorfor jeg mener det ikke har noe å si!? Alt virker jo ut som om det er fantastisk for mobile enheter?

Det store problemet kommer når vi skal legge sammen de termiske motstandene!

La oss som i forrige eksempel si at dette stoffer så så perfekt at det har null absolutt termisk motstand, og vi velger også å se bort fra motstanden i overgangen fra brikka til kjøleribba. Ergo har vi bare den termiske motstanden til kjøleribba igjen for å finne ut den totale motstanden. Problemet er at det ikke er noen kjøleribbe!

 

Det er selve plastikkroppen til mobilen/nettbrettet som fungerer som gjør den funksjonen, og den vil ha en svært høy termisk motstand. Så om du legger sammen 0 + 0 + svært mye = svært mye.

Sammenligner vi med slik det er i dag: svært lite + svært lite + svært mye = svært mye

Det høres kanskje ut som dumt ut å si, men slik blir forenklingen når man ikke vet nøyaktige spesifikasjoner. Så uansett hvor bra varmeledningen blir i brikka så vil det ikke forandre temperaturen til kjernen noe overhode, da flaskehalsen fra mobilen/nettbrettet til luft er hundre til tusenvis av ganger høyere uansett.

 

4. Hva med laptoper da? De har jo kjøleribbe. Vil ikke forandringen bli stor der?

Vel her vil det nok kunne hjelpe litt, og det sier jeg ikke noe på. Men fortsatt så er kjøleribba alt for liten, termiske pastaen stopper opp ledningsevnen kraftig, og problemet rundt at kjøløeribber tar opp mye plass vil ikke forsvinne noe mer. Kjøleribba må fortsatt fjerne like mange watt varme. Til syvende og sist så vil nok kjernen bli bittelitt kaldere, mens kjøleribba bittelitt varmere (som igjen gjør den bittelitt mer effektiv). Men her snakker vi om svært små verdier som tvilsomt blir lett å måle.

 

Et praktisk eksempel er jo å se på hva de gjør i dag. De gidder ikke engang å bruke penger på bedre termisk pasta fordi de vet at kjøleribba uansett er så stor flaskehals at det ikke forandrer noe som helst. Og om brikka leder varmen bra frem til den termiske pastaen/kjøleribba så vil brikka uansett varme seg opp tilnærmet like mye.

 

Og derfor nevnte jeg at dette er fordelaktig på stasjonære maskiner. I hvert fall ved høye frekvenser og overklokking. Her er det blitt vanligere å bruke vannkjøling som effektivt leder varmen bort fra kjernen, og med god kvalitets termisk pasta, så sitter man igjen ved at R(theta)JC (brikkas termiske ledeevne) står for en betraktelig del av den termiske motstanden, og ved å senke den så vil temperaturen gå betraktelig ned.

 

6. Hvis du ikke helt forstod regnestykket, så kan de termiske motstandene ses på som faktiske motstander i elektrisk forstand. Si at du ønsker så lav motstand som overhode mulig, for å lede mest strøm. Dette er for nettbrett/mobil:

 

Du har da tre motstander i serie. R1 + R2 + R3 Den totale mostanden er summen av de, og de er som følger: 1 ohm + 10 ohm + 1000 ohm. Total motstand er 1011 ohm.

R1 er brikka sin termiske motstand, mens R2 er motstanden til "termiske pasta" og R3 er mobilen sin "kjøleribbe/deksel". Det de nå har gjort er å senke R1 til nærmest 0, så la oss si null.

Vi har da 0 ohm + 10 ohm + 1000 ohm = 1010 ohm totalt. Du har forbedret den totale varmeledningsevnen med 0,1 % selv om du gjorde en svært kraftig forbedring på varmeledningsevnen til brikka.

 

På en stasjonær PC med bra vannkjøling/stor kjøleribbe og kvalitetskjølepasta:

1 ohm + 4 ohm + 5 ohm = 10 ohm

Hvis du nå senker varmledningsevnen til brikka til 0 så får du i stede 9 ohm, en 10 % forbedring.

 

PS: dette er begge tilfeldige verdier valgt, men poenget er i forholdene, så det er i grunn ikke så altfor viktig.

Endret 31. juli 2013 av Andrull

[Gathor68]

Nå er ikke jeg Elektronikk- og instrumenteringsingeniør så du har nok bedre grunnlag for å uttale deg Andrull, men vil ikke det at man får ledet varmen bort både kjappere og mer effektivt sørge for at enheten oppleves kaldere?

1. Oppleves enheten kaldere?Der må jeg nesten anta at du mener om den kjennes varmere ut, og at vi snakker om bærbare enheter.Da er svaret nei, det vil ikke merkes forskjellig. 1 Watt varme er jo fortsatt 1 Watt varme og vil stråle ut til omgivelsene. Om den ledes bra ut så vil enheten kjennes varm, da enheten kvitter seg med 1W varme gjennom overfalten til mobilen/hånden din. Om den leder varmen dårlig så vil temperaturen øke i brikka helt til mobilen når et punkt hvor den kvitter seg med 1W. Som man nå forhåpentligvis ser så vil utsiden være nøyaktig like varm.Ok, nr

 

Hmmm må neste si meg litt enig i Kimma16. Logisk sett for meg så vil jeg også tror at jo raskere en får fordelt varmen jo bedre. 1 watt varme fordelt på f.eks. 0,3 cm2 må da føles varmere enn 1 watt varme fordelt på 1,5 cm2. Og 1 watt varme må da også kjøles ned raskere på 1,5 cm2 enn 0,3 cm2.

 

Du snakker om at materiale skal lede varmen til kjøleribben, men er ikke hele poenget å lage "kjøleribben" i dette materialet. Og ideelt sett burde det vel også være dekselet på enheten. Så alle enheter som skaper varme integreres i materialet så en trenger ikke noe kjølepasta osv.

 

Jeg har ikke tekniske kunnskap rundt dette, så hører gjerne på din tekniske forklaring hvorfor "teorien" min ikke stemmer. Er ikke ofte en ser folk med veldig god teknisk kunnskap kommentere.

[Andrull]

Du kommer med et godt poeng, og det er hva de ser for seg at dette materialet benyttes av. Nå må jeg innrømme at jeg så for meg dette materialet inne i en prosessor, da de strengt talt har bilde av innsiden til en varm transistor som ikke klarer å fordele varmen særlig godt.

 

Ved nærmere studering av materialet så vil det nok ikke finne noen plass midt i en brikke akkurat, da det ikke er noen halvleder, men en elektrisk isolator, som funker dårlig som datachip. Ellers vil nok pris etc.. si noe om hvordan materialet blir brukt.

 

Så om dette stemmer så vil brikken forbli den samme, og det samme gjelder jo termisk pasta.

Men om vi snakker om å faktisk bygge mobiler og nettbrett i dette materialet så vil det nok kunne gjøre en stor forskjell i temperaturen, det har du/dere helt rett i.

 

Dog er det visse ting som utseende, vekt og ikke minst pris som dukker opp. De kunne jo bygget en mobil i et materiale som ledet varme MYE bedre i dag til en forholdsvis lav pris (f.eks aluminium). Så om f.eks samsung ønsket å forbedre temperaturen kunne de jo erstattet dekselet med et i aluminium, og så koblet sammen brikken slik at du fikk en forbedring på flere hundre ganger det du finner i plastikk.

 

DU har jo HTC og Apple som lager deksler i aluminium, men etter hva jeg har sett så har de ikke brukt det til direkte å kjøle ned prosessoren. Altså, hvis de ønsker å kjøle ned prosessoren mer så hadde jo ikke dette vært noe problem med aluminium eller kobber. Men de har valgt å ikke kjøle det ned slikt. Så det spørs om dette vil forandre noe.

 

Et problem som jeg ser er at de ønsker å kunne åpne opp baksiden på mobilene. Ønsker man en kjøling som drar nytte av dette materialet så kan man ikke ha en bakside (i hvert fall ikke der mikrobrikka sitter) som kan bli fjernet.

 

Dog ser jeg fortsatt at de ikke bruker slik kjøleteknikk i praksis på nettbrett heller, så om det bare er pga pris at de ikke bryr seg om slik så spørs det om det blir litt vag bruk av dette nye materialet også...

 

En laptop i dette materialet ville jo da fungert som en stor kjøleribbe (passiv kjøling). Men de har jo den muligheten også i dag, men velger å ikke bruke det pga det er for dyrt å bruke aluminium, som strengt talt ikke er SÅ dyrt. Det kan jo også erstatte heatpipes i laptoper, og øke effektiviteten til kjøleribbene litt (det er nok fortsatt arealet ut til luft som blir den største begrensningen).

 

Oppsummert så kan det godt hende jeg missforstod hvor materialet blir brukt i mitt forrige innlegg og følgelig vil det endre hele konklusjonen min til det jeg skrev i dette innlegget. Men selve lærdommen er jo ikke feil, så velger å la det stå. ^^

Endret 1. august 2013 av Andrull

[*F*]

Overskriftene deres blir jo bare værre og værre. "Superkjølende"?

Så materiellet i seg selv har altså evnen til og kjøle ting? -.-

Yepp, under den foruttsening at materialet er kaldere en det som skal kjøles så kan materialet kjøles.Dette vil fungere frem til materialet oppnår samme temperatur som det som skal kjøles

[Andrull]

Et materiale som leder strøm ekstremt godt kalles for en superleder og er kjølt ned til under -200 grader celsius. Men vil da et materiale som leder varme veldig godt bli kalt for superkjøler? Passer jo bedre sånnsett med "super-termisk-leder". Og ordet i seg selv er jo litt rart.

 

For materialet kjøler ikke noe, det leder varme bort bedre. På sett og vis en veldig god termisk leder.

 

Men siden man kaller en varmeleder for kjøler/kjøleribbe så antar jeg en som leder veldig bra kan bli kalt for "superkjøler".

 

Selv om jeg strengt talt ville sagt at var feil (om man virkelig skal kveruelere), for også viftekjølere og vannkjølere er et uttrykk som er direkte feil. Det kjøler ikke noe som helst, og deres jobb er bare å utligne en temperatur, eller mer spesifisert, leder varme bort raskere.

 

Man ser dette enklere ved å se på den omkringliggende luften som samme system, hvor varmen bare blir fordelt bedre med en "viftekjøler".

 

Mens F.eks en isbit (eller mange) vil smelte og fjerne varme fra systemet. Eller en fasekjøler som tar varmen og dumper den i et annet system vil også fjerne varmen.

[nadezico]

Andrull: Takk for veldig bra forklarende kommentarer på denne tråden. Fikk oppklart mye. Ser frem til å lese mer fra deg!

[KANE2009]

Jeg takker også for dine innlegg og viten. Jeg forutsatte jo da selvfølgelig at kjøleribbe og eventuelt deksel lages i samme materiale. Det Gathor skrev oppsummerer egentlig ganske greit hva jeg mente, om det ikke kom klart nok fram