Περιστρεφόμενες ψύκτρες, aka Radial Sandia Cooler, CoolChip Kinetic Cooler

Περιστρεφόμενες Ψύκτρες
Rotary Coolers

Δεν είναι πολύς καιρός, που στο χώρο της ψύξης των υπολογιστών έχει αρχίσει και κινείται κάτι πραγματικά νέο! Ένα νέο που συνάμα είναι και παλιό, ή για να το θέσουμε πιο σωστά, κάτι παλιό που βρίσκει νέα χρήση!
Μια νέα οπτική για το πώς μπορούν να έχουν τα πράγματα στον τομέα της αερόψυξης. Οι περιστρεφόμενες ψύκτρες!
Ναι -όσο και αν φαίνεται περίεργο- αερόψυκτρες που δεν έχουν ανάγκη ανεμιστήρα, όχι γιατί είναι παθητικές, αλλά γιατί περιστρέφονται οι ίδιες δημιουργώντας το απαραίτητο ρεύμα αέρα για την ψύξη τους!
Παραδόξως παρά τις άφθονες πληροφορίες σχετικά με την βασική ιδέα, οι λίγες πρακτικές υλοποιήσεις της νέας αυτής τεχνολογίας, άφηναν το θέμα στο περιθώριο του ενδιαφέροντος της πλειοψηφίας των χρηστών. Η επίδειξη όμως στην CES 2015 ενός νέου προϊόντος, άλλαξε άρδην τα πράγματα!
Η CoolChip σε συνεργασία με την Cooler Master παρουσίασε δείγματα της νέας τεχνολογίας -που ακούει στο όνομα Kinetic Cooling- που βρίσκονται πολύ κοντά στο στάδιο μαζικής παραγωγής.
Σχετικά θα έχετε ήδη διαβάσει στις ειδήσεις του TheLab, αλλά επειδή τέτοιας κλίμακας νεωτερισμοί αξίζουν μια πιο προσεκτική ματιά, ακολουθήστε μας στις επόμενες σελίδες για να δούμε από κοντά την τεχνολογία αυτή.

Ρευστοδυναμικά έδρανα περιστροφής.

Fluid Dynamic Bearings (FDB)

Η τεχνολογία των Fluid Dynamic Bearings (ή κατά άλλους κατασκευαστές Hydrodynamic bearings)είναι αρκετά παλιά και βρίσκει εφαρμογή σε πληθώρα τομείς , μεταξύ των οποίων και στους ποιοτικούς ανεμιστήρες που χρησιμοποιούμε στα PC μας.
Βασικό χαρακτηριστικό της είναι η «άνευ» τριβής περιστροφή των κινουμένων μερών, πράγμα που εξασφαλίζεται από ένα δυναμικά ανανεούμενο φιλμ λιπαντικού, στην επόμενη φωτογραφία μπορούμε να δούμε ένα «κλασικό» παράδειγμα από ένα τέτοιο έδρανο.

Στην δεξιά φωτογραφία βλέπουμε ότι η επιφάνεια τριβής φέρει αυλακώσεις σε σχήμα «ψαροκόκαλου», οι οποίες αναλαμβάνουν να διατηρούν την λίπανση των κινούμενων μερών στα απαραίτητα επίπεδα.
Πρακτικά οι αυλακώσεις αυτές, σχηματίζουν μία «χοάνη» και καθώς το λιπαντικό -παρασυρόμενο από τον στρεφόμενο άξονα- κινείται με κατεύθυνση από το «άνοιγμα» προς την «κορυφή» τους, «παγιδεύεται» μέσα στις αυλακώσεις αυτές και μη έχοντας διέξοδο διαφυγής «ξεχειλίζει» πιέζοντας και απομακρύνοντας τις τριβόμενες επιφάνειες μεταξύ τους.
Μια ιδέα για τον μηχανισμό αυτό μπορούμε να πάρουμε από την εικόνα που ακολουθεί:

Thrust Fluid Dynamic Bearings (TFDB)

Στους ποιοτικούς ανεμιστήρες των PC μας, αλλά και στην πλειοψηφία πλέον των σύγχρονων σκληρών δίσκων (HDD), συναντάμε FDB στους άξονες των κινητήρων (Journal bearing), αλλά και στα έδρανα στήριξης των αξόνων κατά τον διαμήκη άξονά τους (Thrust bearing).
Όπως μπορούμε να δούμε στο σκαρίφημα που ακολουθεί, αυτά τα έδρανα είναι επίπεδα και κατά κανόνα έχουν μορφή δίσκου, του οποίου η επιφάνεια φέρει αυλακώσεις (grooves), οι οποίες με ανάλογο τρόπο συλλέγουν το λιπαντικό προς το κέντρο της επιφάνειας του εδράνου (η κίνηση του λιπαντικού εδώ είναι ανάστροφη αυτής των δεικτών του ρολογιού [CCW] ).

Μια αντιπροσωπευτική εικόνα ενός αμφίπλευρου thrust bearing –δες αμέσως πριν, στο αριστερό σκαρίφημα- μπορούμε να δούμε στην επόμενη φωτογραφία.

Εδώ βλέπουμε αποσυναρμολογημένο, ένα έδρανο από σκληρό δίσκο (HDD) και μπορούμε να διακρίνουμε τις αυλακώσεις που φέρει τόσο το κάτω έδρανο (δεξιά), όσο και το έδρανο που φέρει το περίβλημα του άξονα (αριστερά). Αυτές οι αυλακώσεις "συγκεντρώνουν" το λιπαντικό στην "κορυφή" του "βέλους" και έτσι πάντα υπάρχει περίσσεια λιπαντικού που εξασφαλίζει ένα σταθερού πάχους λιπαντικό φίλμ.
Αν παρατηρήσουμε ο άξονας και το περίβλημα του εδράνου αποτελούνται από χάλυβα και ο δακτύλιος που είναι σφηνωμένος στο άκρου του άξονα αποτελείται από φωσφορούχο ορείχαλκο, ένα κράμα γνωστό για την ιδιότητά του να απορροφά λιπαντικό και έτσι να συμβάλει και αυτός στην καλή λίπανση του εδράνου.

Αυτό που πρέπει να "κρατήσουμε" από εδώ είναι η δυναμική φύση του φαινομένου, δηλαδή το γεγονός ότι η άριστη λίπανση εξασφαλίζεται όσο υπάρχει κίνηση, γιατί αυτή είναι που προκαλεί την ροή του λιπαντικού!
Το δεύτερο πράγμα είναι ότι θα πρέπει να δώσουμε σημασία στην λέξη fluid (ρευστό), γιατί η χρήση της δεν είναι καθόλου τυχαία!
Και με αυτό το υπονοούμενο ας πάμε στην "καρδιά" του ζητήματος.

Thrust air dynamic bearings

Ακριβώς!
Και ο αέρας ρευστό είναι και κάλλιστα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν "λιπαντικό" σε ένα επίπεδο έδρανο περιστροφής, αρκεί να πληρούνται κάποιες συνθήκες, που θα τις δούμε στη συνέχεια καθώς θα βλέπουμε πως αναπτύχθηκε η τεχνολογία των περιστρεφόμενων ψυκτρών, αλλά για την ώρα αυτό που μένει ακόμα σκοτεινό είναι το ποια ήταν η ιδέα και γιατί αυτή είναι σημαντική, ακολουθήστε με στην επόμενη σελίδα να το δούμε παρέα!

Η ιδέα της περιστρεφόμενης ψύκτρας.

"Εν αρχή ην η σκόνη"

Συμπαθάτε με για την Βιβλική παράφραση, αλλά όλοι έχουμε βρεθεί αντιμέτωποι με εικόνες "Βιβλικής" αμέλειας, για να το θέσω ευγενικά δηλαδή!

Η αλήθεια είναι όμως ότι πρακτικά είναι πολύ πιθανό -ιδιαίτερα σε ένα "ευάερο" κουτί με "ελεύθερες αντιλήψεις" όσον αφορά στα αιωρούμενα στον αέρα "σωματίδια" - να έρθουμε αντιμέτωποι με εικόνες σαν αυτές:

Αυτό που είναι το πιο ενδιαφέρον σε αυτές τις εικόνες είναι ότι οι επικαθήσεις που αποφράζουν την ψύκτρα φαίνεται να "αποφεύγουν" τα πτερύγια των ανεμιστήρων!
Φυσικά είμαι εσκεμμένα λίγο υπερβολικός, αλλά το γεγονός παραμένει:
Οι ταχέως κινούμενες επιφάνειες των πτερυγίων των ανεμιστήρων, τείνουν να συγκρατούν πολύ λιγότερες επικαθίσεις σε σύγκριση με τα ακίνητα πτερύγια των ψυκτρών!

Αυτή την διαπίστωση την "κρατάμε" για να την συνδυάσουμε με την επόμενη.

Η ταχύτητα του αέρα και οι αερόψυκτρες.

Αποτελεί κοινή διαπίστωση ότι η αύξηση της ροής του αέρα σε μια αερόψυκτρα, βελτιώνει την θερμική της συμπεριφορά και "χαρίζει" κάποιους βαθμούς δροσερότερη λειτουργία στο PC μας.
Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους, ο ένας είναι προφανής, αυξάνοντας την ποσότητα του αέρα που περνά μέσα από τα πτερύγια της ψύκτρας, έχουμε σε μεγαλύτερη έκταση τους, αέρα χαμηλότερης θερμοκρασίας π΄ραγμα που φαίνεται άμεσα στο θερμόμετρο!
Ο δεύτερος λόγος αν και σημαντικότερος είναι λιγότερο γνωστός.
Πρόκειται για ένα από τα πιο περίπλοκα ζητήματα της δυναμική των ρευστών, γνωστό με την γενική ονομασία, "Οριακό στρώμα" (Boundary layer) και φυσικά δεν είναι του άρθρου σκοπός να εμβαθύνει στο θέμα, απλά θα αναφέρουμε μερικές χρήσιμες για το θέμα μας διαπιστώσεις, για την απλουστευμένη και ενδεχομένως "ανορθόδοξη" έκφραση των οποίων, ζητώ την κατανόηση των ειδημόνων!

1. Ο αέρας που κινείται ανάμεσα στα πτερύγια μια ψύκτρας έχει μεταβλητή ταχύτητα, με αυτόν που εφάπτεται σε αυτά να είναι πρακτικά ακίνητος και εκείνον που κινείται στο κέντρο της απόστασης μεταξύ τους να έχει την μέγιστη ταχύτητα.
2. Η ροή του αέρα ανάμεσα στα πτερύγια στην περιοχή που ευρίσκεται κοντά στο σημείο εισόδου του, είναι στρωτή (Laminar) και καθώς αυτός προχωρά στο εσωτερικό της ψύκτρας ενδέχεται η ροή να μετατραπεί προοδευτικά, σε τυρβώδη / στροβιλώδη (Turbulent).
3. Το σημείο όπου συμβαίνει η αλλαγή του είδους της ροής, εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, μεταξύ των οποίων βασικός είναι η ταχύτητα ροής του αέρα ανάμεσα στα πτερύγια της ψύκτρας.
4. Ο συντελεστής (Convection Coefficient) που εκφράζει το πόσο αποτελεσματικά αυτή η ροή αέρα, ψύχει την ψύκτρα, εξαρτάται -μεταξύ άλλων- από το είδος της ροής, την ταχύτητά της και το πάχος του τμήματος εκείνου της ροής του αέρα, που είναι "ακίνητο".
5. Η μεταφορά της θερμότητας από τα πτερύγια της ψύκτρας προς το κινούμενο ρεύμα του αέρα, αναγκαστικά θα πρέπει να "περάσει" πρώτα από αυτό το "δυσκίνητο" τμήμα του οριακού στρώματος (όπου έχουμε κατά κανόνα στρωτή ροή) και μετά να φτάσει σε τμήματα της ροής όπου η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη (όπου η ροή μπορεί να είναι είτε στρωτή, είτε τυρβώδης).
6. Όσο παχύτερο είναι το τμήμα του οριακού στρώματος όπου επικρατεί στρωτή ροή , τόσο πιο δυσθερμαγωγό γίνεται αυτό.
7. Η στροβιλώδης ροή ευνοεί την μεταφορά της θερμότητας από την επιφάνεια των πτερυγίων στην μάζα του αέρα που ψύχει την ψύκτρα.
8. Η ταχύτητα του αέρα καθώς αυτός κινείται μεταξύ των πτερυγίων μιας ψύκτρας, λόγω των προαναφερθέντων φαινομένων, προοδευτικά μειώνεται και τείνει προς μια τιμή χαμηλότερη της αρχικής. Κατά αναλογία, μειώνεται και η αποτελεσματικότητα του προς ψύξη των πτερυγίων της ψύκτρας.
9. Μεγαλύτερη ταχύτητα του ρεύματος του αέρα που κινείται μεταξύ των πτερυγίων μιας ψύκτρας, σημαίνει μείωση του πάχους του οριακού στρώματος και συνεπώς καλύτερη ψύξη τους.

Όλα αυτά που προανέφερα μπορούμε να τα δούμε στα δυο διαγράμματα που ακολουθούν:

Στο αριστερό διάγραμμα βλέπουμε τις διάφορες περιοχές του οριακού στρώματος και στο δεξιό -που μας ενδιαφέρει περισσότερο- το πώς μεταβάλετε η ψυκτική αποτελεσματικότητα του ρεύματος του αέρα σε σχέση με το είδος της ροής που επικρατεί στο αντίστοιχο σημείο της πλάκας του πτερυγίου. Αυτό που αξίζει ιδιαίτερης παρατήρησης είναι ότι μολονότι στην περιοχή που επικρατεί στροβιλώδης ροή, το πάχος του οριακού στρώματος είναι μεγαλύτερο, από ότι στην περιοχή με την στρωτή ροή, αυτό εμποδίζει λιγότερο την μεταφορά της θερμότητας. Ο λόγος γι' αυτό είναι ότι οι στρόβιλοι κινούνται σε όλο το πάχος του τυρβώδους στρώματος και έτσι μεταφέρουν πιο αποτελεσματικά την θερμότητα από το πολύ λεπτότερο στρωτό τμήμα της ροής (Viscous Sublayer) που είναι προσκολλημένο στο πτερύγιο της ψύκτρας.

Το πρώτο μέρος της ιδέας!

Αν θα μπορούσαμε να έχουμε μια ψύκτρα η οποία δεν μαζεύει σκόνη, ο αέρας κινείται ομαλά ανάμεσα στα πτερύγιά της με μεγάλη ταχύτητα, και τόσο κατά την είσοδό του σε αυτά, όσο και κατά την έξοδό του, δεν παράγει ιδιαίτερους στροβιλισμούς έχοντας για το λόγο αυτό χαμηλό θόρυβο, θα είχαμε πετύχει σημαντική πρόοδο!
Εάν δε, αυτό το ρεύμα αέρα εξασφαλιζόταν με τρόπο τέτοιο, έτσι ώστε μεταξύ των πτερυγίων της ψύκτρας, το ρεύμα του αέρα να μην επιβραδύνεται, αλλά αντίθετα να επιταχύνεται, τότε πραγματικά θα είχαμε κάνει μεγάλη πρόοδο, καθώς η αποτελεσματικότητα της ψύκτρας θα αυξανόταν σημαντικά!

Αυτό το τελευταίο, πιστεύω ότι ήταν αυτό που έκανε το "κλίκ" στο ανήσυχο μυαλό του εφευρέτη και όλα τα κομμάτια του "παζλ" "ξαφνικά" πήραν την θέση τους!

Η περιστρεφόμενη ψύκτρα!

Ακριβώς!
Όλα αυτά που είπαμε πριν, αποτελούν χαρακτηριστικά της φυγοκεντρικής φτερωτής (Impeller), η οποία οποία απορροφά τον αέρα από το κέντρο της και περιστρεφόμενη τον επιταχύνει μεταξύ των πτερυγίων της και τελικώς τον αποβάλει από την περίμετρό της.
Η αποτελεσματικότητά της είναι τόσο μεγάλη, που έχει βρει εφαρμογή από τα κοινά blower και τους οικιακούς απορροφητήρες
μέχρι τους υπερσυμπιεστές των κινητήρων και τις φυγοκεντρικές αντλίες!

Έτσι λοιπόν έχουμε την περιστρεφόμενη φτερωτή που ικανοποιεί τις βασικές απαιτήσεις της ιδέας, το μόνο που μένει είναι να μετατρέψουμε αυτήν την φτερωτή σε ... ψύκτρα!
Με άλλα λόγια να βρούμε έναν τρόπο να μεταφέρουμε σε αυτήν -με όσο γίνεται αποτελεσματικότερο τρόπο- την θερμότητα που παράγει -για την περίπτωσή μας- μια CPU, η οποία ως γνωστόν δεν "ενθουσιάζεται" με τις περιστροφές!

Το δεύτερο μέρος της ιδέας!

Όπως όλοι ξέρουμε το block μιας ψύκτρας και ένας επεξεργαστής πρέπει να έχουν επίπεδες επιφάνειες συναρμογής μεταξύ τους, έτσι ώστε όταν τις φέρουμε σε επαφή να μην εγκλωβίζεται αέρας ανάμεσά τους και να έχουμε καλή μετάδοση της θερμότητας από την CPU στην ψύκτρα.
Μάλιστα για να αποκλείσουμε το ενδεχόμενο του εγκλωβισμού αέρα στις αναπόφευκτες μικροατέλειες (κοιλότητες) που παρουσιάζουν αυτές οι επιφάνειες, χρησιμοποιούμε σαν μέσο πλήρωσής τους ειδικές θερμοαγώγιμες πάστες (T.I.M.), οι οποίες παρουσιάζουν πολύ μικρότερη θερμική αντίσταση σε σχέση με αυτήν του αέρα που αντικαθιστούν.

Επίσης γνωστό είναι ότι η θερμότητα σε μια CPU, παράγεται από μια αρκετά μικρή επιφάνεια και για να γίνει αποτελεσματική και γρήγορη διασπορά της, χρησιμοποιούνται ευθερμαγωγές μεταλλικές πλάκες, τόσο στην CPU (το χάλκινο καπάκι της / Lid ), όσο και στην ψύκτρα (block), που θα αναλάβουν να μεταφέρουν την θερμότητα στα πτερύγια της ψύκτρας και από αυτά, στον αέρα!

Άρα χρειαζόμαστε μια ακίνητη βάση / πλάκα, της οποίας η κάτω επιφάνεια να είναι προσαρμοσμένη σταθερά πάνω στην CPU και η πάνω της επιφάνεια να έχει καλή θερμική σύζευξη με την κάτω επιφάνεια μιας άλλης πλάκας, στην πάνω επιφάνεια της οποίας, έχουν διαμορφωθεί πτερύγια τα οποία περιστρεφόμενα μαζί με την επάνω πλάκα δημιουργούν το απαραίτητα ρεύμα αέρα για την ψύξη τους!

Για να σταθούμε όμως μια στιγμή, γιατί σαν πολλές αντιτιθέμενες απαιτήσεις μαζεύτηκαν στο πρόβλημα!
1. Θέλουμε μια πλάκα να περιστρέφεται κοντά σε μια άλλη χωρίς να ακουμπάνε μεταξύ τους >> ΟΚ αυτό είναι εύκολο, η περιστρεφόμενη επάνω πλάκα στηρίζεται στην κάτω με την βοήθεια ενός κυλινδρικού Fluid Dynamic Bearing (FDB) -σαν αυτά που είδαμε στην αρχή του άρθρου- του οποίου ο άξονας είναι στερεωμένος στην κάτω πλάκα.
2. Θέλουμε η περιστρεφόμενη πλάκα να στρέφεται πάρα πολύ κοντά στην ακίνητη κάτω πλάκα, χωρίς να υπάρχει καμία περίπτωση να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους!

Εδώ όμως αρχίζουν τα προβλήματα, γιατί η μηχανουργική επεξεργασία που χρειάζεται για να επιτευχθεί τέτοια ακρίβεια κατασκευής, αλλά -και κυρίως- οι διαστάσεις των υλικών που απαιτούνται στην κατασκευή για να μην υπάρχει η "παραμικρή" ελαστικότητα που θα επέτρεπε αυτό το "άγγιγμα", καθιστούν την κατασκευή εξαιρετικά ασύμφορη, για να μην πω αδύνατη!

Αυτή η απαίτηση για την ελάχιστη απόσταση μεταξύ των πλακών, είναι το μεγάλο πρόβλημα, ή μήπως όχι ; (!)
Για να δούμε ένα μικρό video που ασχολείται με ένα "περίεργο" και "αρχαίο" έδρανο:

Thrust air dynamic bearings

Γιατί τα έδρανα αυτά, χρησιμοποιούν -όπως είπαμε πιο πριν- τον αέρα σαν "λιπαντικό", καθώς ο αέρας που βρίσκεται ανάμεσα στις δύο πλάκες λόγω της σχετικής τους περιστροφικής κίνησης λειτουργεί σαν ένα "σφιχτό μαξιλάρι" που εμποδίζει τις δυο πλάκες να ακουμπήσουν και μάλιστα η αντίσταση που προβάλει στο πλησιάσμά τους γίνεται τόσο μεγαλύτερη, όσο πλησιέστερα έρχονται αυτές.
Με άλλα λόγια αυτό το μικροσκοπικού πάχους, περιστρεφόμενο στρώμα αέρα, λειτουργεί σαν ένα σκληρό ελατήριο, το οποίο όσο περισσότερο το πιέζουμε, τόσο περισσότερο σκληραίνει και επαναφέρει στην "τάξη" την "άτακτη" πλάκα! ! !

θα μπορούσαμε να πούμε ότι πλέον το σύστημα ανάρτησης των δύο πλακών, ενσωματώνει αρνητική ανάδραση που εξασφαλίζει την σταθερότητά του, και αυτό είναι σημαντικό καθώς δεν είναι απαραίτητη μια κατασκευή "εξωφρενικά" ανελαστική και στιβαρή! Η δουλειά μπορεί να γίνει και με πιο γήινη μηχανική!

Σε αυτό ακριβώς το σημείο λοιπόν, έρχεται η τεχνολογία των , να μετατρέψει το πρόβλημα σε λύση! ! !