Komputerowe systemy chłodzenia: pasywne, aktywne, cieczowe, freonowe, chłodnice wodne, otwarte parowanie, kaskada, chłodzenie Peltiera

Podczas pracy komputera niektóre jego elementy bardzo się nagrzewają, a jeśli wytworzone ciepło nie zostanie wystarczająco szybko usunięte, komputer po prostu nie będzie mógł pracować z powodu naruszenia normalnej charakterystyki jego głównych elementów półprzewodnikowych.

Odprowadzanie ciepła z części grzejnych komputera to najważniejsze zadanie, które rozwiązuje system chłodzenia komputera, czyli zestaw wyspecjalizowanych narzędzi, które działają nieprzerwanie, systematycznie i harmonijnie przez cały czas aktywnego użytkowania komputera.

Podczas pracy układu chłodzenia komputera wykorzystywane jest ciepło wytwarzane w wyniku przepływu prądów roboczych przez kluczowe elementy komputera, aw szczególności przez elementy jego jednostki systemowej.Ilość wytwarzanego w tym przypadku ciepła zależy od zasobów obliczeniowych komputera i jego aktualnego obciążenia w stosunku do wszystkich zasobów, którymi dysponuje maszyna.

W każdym przypadku ciepło jest odzyskiwane w atmosferze. W chłodzeniu pasywnym ciepło jest odprowadzane z nagrzanych części przez chłodnicę bezpośrednio do otaczającego powietrza za pomocą konwencjonalnej konwekcji i promieniowania podczerwonego. W chłodzeniu aktywnym oprócz konwekcji i promieniowania podczerwonego stosuje się nadmuch wentylatorem, który zwiększa intensywność konwekcji (rozwiązanie to nazywane jest „chłodnicą”).

Istnieją również układy chłodzenia cieczą, w których ciepło jest najpierw przenoszone przez nośnik ciepła, a następnie ponownie wykorzystywane w atmosferze. Istnieją otwarte systemy wyparne, w których ciepło jest usuwane w wyniku przemiany fazowej chłodziwa.

Tak więc, zgodnie z zasadą odprowadzania ciepła z części grzewczych komputera, istnieją układy chłodzenia: chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą, freonowe, otwarte odparowanie i kombinowane (oparte na elementach Peltiera i chłodnicach wodnych).

Pasywny system chłodzenia powietrzem

Sprzęt, który nie jest obciążony ciepłem, w ogóle nie wymaga specjalnych systemów chłodzenia. Sprzęt nieobciążony ciepłem to taki, w którym strumień ciepła na centymetr kwadratowy ogrzewanej powierzchni (gęstość strumienia ciepła) nie przekracza 0,5 mW. W tych warunkach przegrzanie ogrzewanej powierzchni w stosunku do otaczającego powietrza nie będzie większe niż 0,5 ° C, zwykle maksimum dla takiego przypadku wynosi +60 ° C.

Ale jeśli parametry termiczne elementów w normalnym trybie ich pracy przekraczają te wartości (przy zachowaniu wytwarzania ciepła jednak na stosunkowo niskim poziomie), wówczas na takich elementach instalowane są tylko grzejniki, czyli urządzenia do pasywnego odprowadzania ciepła , tzw. pasywne systemy chłodzenia.

Gdy moc układu jest niska lub gdy wymagania dotyczące mocy obliczeniowej systemu są stale ograniczone, z reguły wystarczy tylko radiator, nawet bez wentylatora. Grzejnik dobierany jest indywidualnie w każdym przypadku.

Zasadniczo pasywny system chłodzenia działa w następujący sposób: ciepło jest przekazywane bezpośrednio z elementu grzejnego (układu) do radiatora dzięki przewodności cieplnej materiału lub za pomocą rurek cieplnych (termosyfon lub komora parowania to różne podstawowe rozwiązania z rurkami cieplnymi).

Funkcją promiennika jest oddawanie ciepła do otaczającej przestrzeni poprzez promieniowanie podczerwone i przekazywanie ciepła po prostu poprzez przewodnictwo cieplne otaczającego powietrza, co przyczynia się do występowania naturalnych prądów konwekcyjnych. Aby jak najintensywniej promieniować ciepło na całą powierzchnię grzejnika, powierzchnia grzejnika staje się czarna.

Szczególnie dzisiaj (w różnych urządzeniach, w tym komputerach) pasywny system chłodzenia jest szeroko rozpowszechniony. Taki system jest bardzo elastyczny, ponieważ grzejniki można z łatwością zamontować na większości elementów intensywnie nagrzewających się. Im większa efektywna powierzchnia odprowadzania ciepła z chłodnicy, tym wydajniejsze chłodzenie.

Ważnymi czynnikami wpływającymi na wydajność chłodzenia są prędkość przepływu powietrza przechodzącego przez radiator oraz temperatura (zwłaszcza różnica temperatur w stosunku do otoczenia).

Wiele osób wie, że przed zamontowaniem radiatora na podzespole konieczne jest nałożenie pasty termoprzewodzącej (np. KPT-8) na współpracujące powierzchnie. Ma to na celu zwiększenie przewodności cieplnej w przestrzeni między elementami.

Początkowo problem polega na tym, że powierzchnie chłodnicy i elementu, na którym jest montowany, po fabrycznej produkcji i szlifowaniu, nadal mają chropowatość rzędu 10 mikronów, a nawet po wypolerowaniu pozostaje około 5 mikronów chropowatości. Te nieregularności uniemożliwiają ściśnięcie powierzchni łączących tak mocno, jak to możliwe bez szczeliny, w wyniku czego powstaje szczelina powietrzna o niskim przewodnictwie cieplnym.

Radiatory o największym rozmiarze i obszarze aktywnym są zwykle montowane na procesorach i kartach graficznych. Jeśli konieczne jest złożenie cichego komputera, to biorąc pod uwagę małą prędkość przepływu powietrza, potrzebne są specjalne bardzo duże grzejniki, charakteryzujące się zwiększoną wydajnością rozpraszania ciepła.

Aktywny system chłodzenia powietrzem

Aby poprawić chłodzenie, aby przepływ powietrza przez chłodnicę był bardziej intensywny, dodatkowo zastosowano wentylatory. Chłodnica wyposażona w wentylator nazywana jest chłodnicą. Chłodnice są instalowane na grafice i procesorach centralnych komputera. Jeśli nie ma możliwości zainstalowania radiatora na niektórych elementach, takich jak dysk twardy, lub nie jest to zalecane, wówczas stosuje się proste przedmuchanie wentylatora bez radiatora.To wystarczy.

Układ chłodzenia cieczą

Układ chłodzenia cieczą działa na zasadzie przenoszenia ciepła z chłodzonego elementu do chłodnicy za pomocą płynu roboczego krążącego w układzie. Takim płynem jest zazwyczaj woda destylowana z dodatkami bakteriobójczymi i antygalwanicznymi lub płyn niezamarzający, olej, inne płyny specjalne, aw niektórych przypadkach ciekły metal.

Taki system musi koniecznie zawierać: pompę do cyrkulacji płynu i chłodnicę (blok wodny, głowica chłodząca) do odbierania ciepła z elementu grzejnego i przekazywania go do płynu roboczego. Ciepło jest następnie odprowadzane przez radiator (system aktywny lub pasywny).

Dodatkowo układ chłodzenia cieczą posiada zbiornik płynu roboczego, który kompensuje jego rozszerzalność cieplną i zwiększa bezwładność cieplną układu. Zbiornik jest wygodny do napełniania, a także wygodny do spuszczania przez niego płynu roboczego. W takim systemie wymagane są niezbędne węże i rury. Czujnik przepływu cieczy może być dostępny opcjonalnie.

Czynnik roboczy ma wystarczająco dużą pojemność cieplną, aby zapewnić wysoką wydajność chłodzenia przy niskich prędkościach cyrkulacji i wysokiej przewodności cieplnej, co minimalizuje różnicę temperatur między powierzchnią parowania a ścianką rury.

Freonowy system chłodzenia

Ekstremalne podkręcanie procesora wymaga ujemnej temperatury chłodzonego elementu podczas jego ciągłej pracy. Wymagane są do tego instalacje freonowe. Systemy te to agregaty chłodnicze, w których parownik jest montowany bezpośrednio na elemencie, z którego ciepło musi być odprowadzane z bardzo dużą szybkością.

Wadami systemu freonowego, oprócz jego skomplikowania, są: konieczność izolacji termicznej, obowiązkowa walka z kondensatem, trudność w chłodzeniu kilku elementów jednocześnie, duże zużycie energii i wysoka cena.

Agregat wody

Waterchiller to system chłodzenia, który łączy jednostkę freonową i chłodzenie cieczą. Tutaj płyn niezamarzający krążący w układzie jest dodatkowo schładzany w wymienniku ciepła za pomocą bloku freonowego.

W takim układzie ujemną temperaturę uzyskuje się za pomocą jednostki freonowej, a ciecz może jednocześnie schłodzić kilka elementów. Konwencjonalny układ chłodzenia Freonem na to nie pozwala. Wadami chłodnicy wodnej jest konieczność izolacji termicznej całego układu, a także złożoność i wysoki koszt.

Otwarty system chłodzenia wyparnego

Otwarte systemy chłodzenia oparami wykorzystują płyn roboczy — czynnik chłodniczy, taki jak hel, ciekły azot lub suchy lód. Ciecz robocza odparowuje w otwartej szybie, którą montuje się bezpośrednio na elemencie grzejnym, który musi bardzo szybko schłodzić.

Ta metoda należy do amatorów i jest używana głównie przez hobbystów, którzy potrzebują ekstremalnego podkręcenia („overclockingu”) dostępnego sprzętu. Tą metodą można uzyskać najniższą temperaturę, ale szklankę z czynnikiem chłodniczym trzeba będzie regularnie uzupełniać, czyli system ma limit czasowy i wymaga stałej uwagi.

Kaskadowy system chłodzenia

Kaskadowy system chłodzenia oznacza jednoczesne sekwencyjne włączenie dwóch lub więcej freonów. Aby uzyskać niższe temperatury, stosuje się freon o obniżonej temperaturze wrzenia.Jeśli maszyna freonowa jest jednostopniowa, konieczne jest zwiększenie ciśnienia roboczego za pomocą potężnych sprężarek.

Istnieje jednak alternatywa — chłodzenie chłodnicy bloku freonowego innym podobnym blokiem. W ten sposób ciśnienie robocze w układzie może zostać obniżone, a sprężarki nie wymagają już dużej mocy, można zastosować konwencjonalne sprężarki. System kaskadowy, pomimo swojej złożoności, pozwala na osiągnięcie niższej temperatury niż przy konwencjonalnej instalacji freonowej, aw porównaniu z otwartym systemem odparowywania taka instalacja może pracować w sposób ciągły.

Układ chłodzenia Peltiera

W układzie chłodzenia z elementem Peltiera montowany jest on zimną stroną do chłodzonej powierzchni, natomiast gorąca strona elementu wymaga intensywnego chłodzenia z innego układu w trakcie jego pracy. System jest stosunkowo zwarty.