De natuurkunde achter heatsinks

De mannen van Firingsquad hebben een artikel online gezet over de natuurkunde achter heatsinks. In het artikel wordt uitgelegd op welke manieren warmte kan worden overgedragen, en welke factoren invloed hebben op de warmteoverdracht. Onderwerpen zoals materiaalkeuze, kleur en airflow passeren allemaal de revue. Wellicht een interessant stukje tekst voor de tweakers die vroeger bij natuurkunde het liefst sliepen :

As processors continue to up the ante on clock speed, a greater amount of heat is generated. Factors such as die shrinks and reduced power consumption help to keep the temperatures tame. On a far more obvious level, one can also see that heatsinks have progressed substantially from their humble days. A scant three years ago, most CPUs had tiny hunks of metal, with an equally tiny fan attached to it. If you wanted to increase your chances of a substantial overclock, it was time to change the fashion statement of your computer from drab beige box to au natural, it also wouldn't hurt to bust out a table fan.

In a relatively short span of time, computer cooling has stepped from the stone-age into the err… the iron-age (well we're still using hunks of metal with fans on them and most computers still tend to be naked). Entire websites and companies have come to fulfill an overclockers' wet dream. Everything from thermal grease, to 7,000 RPM fans are offered. Heatsinks varying in size, shape, and composition, provide computer users with an even greater level of choice when it comes to cooling their little pets.

We aren't going to discuss any particular heatsinks in this article. This article will cover many of the principles behind heatsink choices. There are quite a few physics concepts behind all these hunks of metal, things "with alloys and compositions and things with ... molecular structures".

Bedankt MM(stefana3a) voor het insturen van dit nieuws!

Reacties (26)

[Verwijderd]

Nog even een stukje plakwerk van een eerdere posting (over fortis koeler) van me over overgangsweerstand, omdat hij daar met geen woord over rept

Met een koellichaam moet je zien de warmte zo snel mogelijk over een zo groot mogelijk oppervlak te verdelen. Met lange dunne vinnetjes lukt je dat niet omdat hij halverwege al zijn warmte al afgestaan heeft. Die vinnen moeten juist zo warm mogelijk zijn van binnen zodat je een groot mogelijk temperatuurverschil krijgt (=hoge warmteafgifte)

De fan is nodig om de overgangsweerstand van metaal naar lucht zo klein mogelijk te maken. Zonder fan krijg je een laagje stilstaande lucht tussen warm metaal en koude lucht. En omdat lucht zeer goed isoleert is dat slecht. Blaas je een beetje word die luchtlaag dunner, blaas je hard dan word ie nog dunner. Alleen niet evenredig maar omgekeerd kwadratisch.

Dezelfde overgangweerstand heb je ook van koper>aluminium. Hoe dichter je de atomen van de twee metalen tegen elkaar drukt (vlakheid, oppervlak, druk) hoe beter de warmteoverdracht. ...

De Thermoengine b.v. heeft een goed ontwerp en is goedkoop te maken. Eenvoudig extrusieprofiel, dikke kern, veel tapse vinnen met flink ribbels erop. Geen assemblage alleen ff onderkant fraizen.

Die overgangweerstand heb je dus ook aan de onderkant van de koeler tussen processor en koeler. Is je oppervlak niet vlak (= bijna altijd) blijft er wat lucht tussen. Daarom moet je koelpasta gebruiken. En niet te dik, want koelpasta isoleert ook (relatief i vgl m metaal).
En hoe harder je klip drukt, hoe beter de warmteoverdracht.

Een heatspreader zoals intel gebruikt (of op de K6 van AMD) is dus ook niet geweldig, want je hebt weer extra lagen = 2 of 3x extra overgangsweerstand.

[brainball]

karaat is een eenheid van massa, dus niet van puurheid deze stamt af van de een of andere vrucht die oorspronkelijk ergens bij Israel vadaan komt. Deze vrucht schijnt een vrij precieze massa (gewicht) hebben. En dus vroeger veel gebruikt werdt om de massa van waardevolle zaken met te bepalen.

[Ridder]

ehhh, dat zou best wel eens kunnen...
Maar bij goud ligt het anders:
1 karaat is 1/24.
24 karaat is dus puur goud, 20 karaats=20/24=83,333% goud etc etc.

[lankras]

offtopic:
brainball en ridder hebben allebei gelijk. Bij goud staat de aanduiding 'karaat' inderdaad voor 'puurheid'.
Bij spul als diamant geeft het een hoeveelheid aan, lees het artikeltje over die Amsterdamse diamantroof er nog maar eens op na

Een gouden heatsink heeft weinig zin. Die neemt dan wel de warmte van bv. je CPU snel en efficient op, maar die heatsink moet die warmte ook weer kwijt. En waaraan moet die warmte dan afgegeven worden MIke???? Juist, aan lucht! En lucht is een zeer slechte geleider.

Je kunt natuurlijk waterkoeling toepassen en een gouden plaat als afscheiding tussen je CPU en het water gebruiken. Of nog beter; gebruik koelvloeistof uit je auto

[Rapier]

Je mag dan een hoop weten over karaat, maar je bent geen die-hard overklokker of wel?

allereerst: Goud mag dan extreem goud zijn in het geleiden van elektriciteit en warmte, in het opnemen ervan is het niet zo goed als cusil/zilver/koper/alu (in die volgorde, om er maar eens een paar te noemen, hoewel ik niet helemaal zeker ben dat goud slechter is dan alu)

Je zegt dat een gouden heatsink niet zo veel zin heeft omdat hij zijn warmte weer kwijt moet aan lucht, maar wat denk jij dan dat normale heatsinks doen?
Je hebt wel gelijk, maar het is omdat goud nu in eenmaal niet zo goed in warmte opnemen als die andere matarialen.


Je idee met waterkoeling is wel leuk, ware het niet dat gewoon koper beter is.

Ook koelvloeistof is lang niet zo goed als water, in het opnemen van warmte, gewoon water gebruiken dus, eventueel een beetje koelvloeistof toevoegen. Dat om algen tegentegaan, en eventueel je koelwater tot omder het vriespunt te kunnen koelen.

Nog ff 1 misverstand (ik las het er een beetje half uit) als een matariaal goed is in warmte opnemen, dan is het net zo goed in het afstaan ervan. Het is echt een mythe dat koper het beter zo opnemen en alu beter zou afstaan, en dat daarom alu-blokken met koperen onderkant het beste zouden zijn.

[lankras]

Overklokken heb ik geen verstand van, want dat boeit me helemaal nix. Natuurkunde daarentegen wel

Je wil graag het hele verhaal weten? Hier komt het belangrijke tabelletje met warmtegeleidingscoefficienten in W/(m*K)

Zilver; 429
Koper; 390
Goud; 318
Aluminium; 237

Ik weet ook wel dat zilver en koper nog beter zijn dan goud, maar in deze thread ging het nou juist over goud.....

Bovendien; zelfs al zou goud beter zijn in warmte-opname, dan zou het wel heeeeeeeeel veel beter moeten zijn om te winnen in een kosten-baten analyse

Nu iedereen tevreden?

[Verwijderd]

"7000 rpm" fans...
het is maar een kleinigheid, maar ze zitten voor de moment al aan 8000rpm

het spijtige is dat deze fans meestal zeer luidruchtig zijn, dus dan zet je beter jouw pc niet in jouw kamer snachts (als hij constant draait)

[Verwijderd]

Het is een mooi artikel wat je op firingsquad kan lezen maar er staat een major fout in! In de afleiding van de formule waarmee je de warmteafgifte aan de omgeving uitrekent Q=EkA(T4surface - T4surroundings) (@$#@$^, kan niet de juiste karakters vinden) zit een fout: E is volgens FS een constante die bepaalt wordt door de eigenschappen van het toegepaste materiaal. Dit is fout, want de E staat voor de temperatuurcoefficient van het materiaal per gedefinieerde oppervlakte eenheid. Wanneer je de absolute oppervlakte van de gebruikte heatsink niet substitueert slaat de uitkomst nergens op. Natuurlijk blijft het principe verder wel het zelfde...

Maar nu de hamvraag aan alle Tweakers: kan je met behulp van de geboden informatie nu zelf de overdrachtswarmte uitrekenen die jouw CPU aan je koelblok en vervolgens aan de omgeving afstaat ???

Niemand dus ! In min dagelijkse job reken ik zeer regelmatig koellichamen uit die gebruikt worden voor schakel eindversterkers. Door deze voorkennis kan ik het verhaal op Firingsquad prima volgen, maar zou er geen berekeningen mee kunnen doen. Sowieso missen de eigenschappen van de meest voorkomende metalen (die ze in het artikel E noemen)die voor de Tweakers juist zo'n handig hulpmiddel zijn...

Natuurlijk kun je er met een beetje fantasie uit afleiden welke heatsinks het beste zullen presteren, maar da's dan ook alles...

[Verwijderd]

Inderdaad een goed artikel, je weet nu tenminste waar je op moet letten als je een heatsink koopt.

If we want to get really expensive, gold is an exceedingly good conductor of electricity, which explains why everyone wants to gold plate every connector.

Mag ik van U de 24 karaats heatsink, alstublieft

[Verwijderd]

Alleen jammer dat die quote complete onzin is

gold is an exceedingly good conductor of electricity, which explains why everyone wants to gold plate every connector.

Zilver geleid veel beter maar is geen edelmetaal [edit2: idd strikt chemisch wel]. De enige reden dat goud gebruikt word voor contacten is dat het niet oxideert en dus ook niet na verloop van tijd de signaaloverdracht compromitteert.

Ook dit:

Wellicht een interessant stukje tekst voor de tweakers die vroeger bij natuurkunde het liefst sliepen

Ik denk dat de meesten hier nooit veel over gehad hebben. Warmteoverdracht door convectie, radiatie en geleiding, overgangsweerstanden, metallurgie enz..

edit:

Ik heb ff gauw doorgelezen, maar het is wel van matig niveau. Qua natuurkunde niveau dan. Hij is namelijk helemaal de overgangsweerstand vergeten

[edit 2, offtopic]
Omdat ze onder elkaar in het periodiek systeem staan horen cu, ag, au, enz wel bij elkaar. Dit word bepaald door welke orbitalen met elektronen gevuld zijn, maar hoe ver de orbitalen van de kern liggen heeft ook zijn chemische consequenties. Hoe dichter bij de positief geladen kern er een plaats in een orbitaal vrij is hoe sterker er een elektron van een ander atoom aangetrokken wordt. En dus hoe reaktiever een atoom is. (Bv lithium en natrium staan boven elkaar maar lithium is veel reaktiever. )
En goudatomen en alles wat daaronder staat zijn zwaar en groot, en dus niet reaktief.

Dit alles uit mijn blote koppie van lang, lang geleden. Dus...
[/edit 2, offtopic]

[Universal Creations]

Zilver is wel degelijk een edelmetaal, net zoals koper en platina en nog een paar exotische metalen. Edel wil het volgende zeggen: het gaat geen Redox-reactie aan met water. Dat wil niet zeggen dat het niet gebeurt, zelfs goud zal uiteindelijk oxideren (vooral onder de juiste/verkeerde spanning). Maar goed dit valt natuurlijk onder Scheikunde (wat overigens weer een tak van de allesomvattende Natuurkunde is )

[Verwijderd]

mhh.... das best interesant...

Misschien haddig om zelf een te kunnen maken

[Verwijderd]

Interessant is het zeker, maar het lijkt me handiger om gewoon een (uitgebalanceerde) cooler te kopen. Dan kun je hem/ze zelf in je kast plaatsen. Het voordeel van deze kennis is wel dat je leert welke cooler je het beste kunt kopen, zonder alleen af te gaan op andere tweakers (no offence).

[mr_a]

In feite staat er niks in wat echt nieuw is, wel is het een goede samenvatting van de principes achter goede koeling.

Van ontwerpen als de SuperOrb kun je aan de hand van dit artikel op theoretische gronden al nagaan dat het niet supergoed presteert.

[Phuncz]

Mijn Duron 700 is zelfde temps met Chrome Orb. Arctic Silver ertussen. Akasa Silver Mountain erop: 1° minder !!!! Voor een herrie van een Lear Jet die boven je CPU hovert, heb ik wel mijn keuze gemaakt en voor de stille Orb gegaan.

[XTerm]

Ik heb een Superorb en inderdaad, ik vind voor een koeler van 1500 BEF dat 47°C idle en 52°C full load zonder OC bijzonder zwak is.

[bobsnl]

[quote[
Ik heb een Superorb en inderdaad, ik vind voor een koeler van 1500 BEF dat 47°C idle en 52°C full load zonder OC bijzonder zwak is.
[/quote]
Dan heb je die SuperOrb op de verkeerde plek gekocht, denk ik. 1500 BEF is circa 80 gulden. Bij MyCom hebben ze 'm voor slechts 45 piek. Voor

[Universal Creations]

De vraag rijst nu: welke eigenschappen heeft de ideale heatsink?

Hij is van zilver met een aluminium-laagje dat van de buitenkant zwart is (zilver voor de warmtegeleiding, aluminium voor de warmte-overdracht en een zwart lichaam geeft het meeste warmte af). De ribben zijn zo dun mogelijk en het moeten er zoveel mogelijk zijn (dit voor een zo groot mogelijk oppervlak), overigens moet er rekening gehouden worden met de luchtweerstand, er moet een gulden middenweg gekozen worden tussen koel-oppervlak en luchtweerstand.

[xipetotec]

Echt iets voor mij dus... Ik hield wat van een stevig potje slapen tijdens natuurkunde... dat is... als ik de klas al inmocht

[Verwijderd]

Lekker dit gaat er bij mij wat makkelijker in dan het zoveelste cooler review.

Nu worden een aantal reviews ook weer wat duidelijker.

P.S. Natuurkunde is niet saai, wel eens in een achtbaan gezeten of een race auto of etc.
het is bijna net zo leuk als biologie

[Damusic2me]

Leuk dat iedereen t continu heeft over combinaties van metalen met aluminium, maar bij mijn weten reageert aluminium nog altijd met eigenlijk alle metalen, wat natuurlijk niet echt goed is voor je koelertje.
Mischien dat iemand die grap in den haag nog kan herrinneren waar ze gebouwen met aluminium platen hadden behangen en met koperen schroeven vast gezet.
5 jaar later begonnen ze spontaan naar beneden te vallen: de gaten waren gewoon uitgevreten

[Verwijderd]

Scheikundige reakties tussen diverse metalen kunnen inderdaad optreden, maar voorwaarde voor zo'n reaktie is de aanwezigheid van water (lees: vocht). Daarnaast veroorzaken eventuele chemische reakties een mogelijk elektrische overgangsweerstand. Of dit ook een thermische weerstand tot gevolg heeft is maar zeer de vraag. Ik zou me kunnen voorstellen dat zo'n reaktie zelfs voordelen biedt...

In mijn computer zit van alles, tot aan een stuk verlichting toe (handig onder tafel), maar vocht vindt je er niet....

Het zal in de praktijk dus weinig problemen opleveren.