Počítačové chladiace systémy: pasívne, aktívne, kvapalina, freón, vodný chladič, otvorené odparovanie, kaskáda, Peltierovo chladenie

Počas prevádzky počítača sa niektoré z jeho komponentov veľmi zahrievajú a ak sa generované teplo neodstráni dostatočne rýchlo, počítač jednoducho nebude schopný pracovať v dôsledku porušenia normálnych charakteristík jeho hlavných polovodičových komponentov.

Odvod tepla z vyhrievacích častí počítača je najdôležitejšou úlohou, ktorú rieši chladiaci systém počítača, čo je súbor špecializovaných nástrojov, ktoré fungujú nepretržite, systematicky a harmonicky počas celej doby aktívneho používania počítača.

Pri prevádzke chladiaceho systému počítača sa využíva teplo vznikajúce prechodom prevádzkových prúdov kľúčovými prvkami počítača, najmä prvkami jeho systémovej jednotky.Množstvo generovaného tepla v tomto prípade závisí od výpočtových zdrojov počítača a jeho aktuálneho zaťaženia vo vzťahu ku všetkým zdrojom, ktoré má stroj k dispozícii.

V každom prípade sa teplo rekuperuje v atmosfére. Pri pasívnom chladení sa teplo odoberá z ohrievaných častí cez radiátor priamo do okolitého vzduchu konvenčnou konvekciou a infračerveným žiarením. Pri aktívnom chladení sa okrem konvekcie a infračerveného žiarenia používa fúkanie ventilátorom, ktoré zvyšuje intenzitu prúdenia (toto riešenie sa nazýva «chladič»).

Existujú aj kvapalné chladiace systémy, kde sa teplo najprv prenáša teplonosným médiom a potom sa opäť používa v atmosfére. Existujú otvorené odparovacie systémy, kde sa teplo odoberá v dôsledku fázového prechodu chladiacej kvapaliny.

Takže podľa princípu odstraňovania tepla z vykurovacích častí počítača existujú chladiace systémy: chladenie vzduchom, chladenie kvapalinou, freón, otvorené odparovanie a kombinované (založené na Peltierových prvkoch a vodných chladičoch).

Pasívny systém chladenia vzduchom

Zariadenia, ktoré nie sú tepelne zaťažené, vôbec nevyžadujú špeciálne chladiace systémy. Tepelne nezaťažené zariadenie je také, kde tepelný tok na štvorcový centimeter vyhrievaného povrchu (hustota tepelného toku) nepresahuje 0,5 mW. Za týchto podmienok nebude prehriatie vyhrievanej plochy voči okolitému vzduchu vyššie ako 0,5 °C, obvyklé maximum pre takýto prípad je +60 °C.

Ak však tepelné parametre komponentov v normálnom režime ich prevádzky prekračujú tieto hodnoty (pri zachovaní relatívne nízkej tvorby tepla), potom sa na takéto komponenty inštalujú iba radiátory, teda zariadenia na pasívny odvod tepla. pasívne chladiace systémy.

Pri nízkom výkone čipu, alebo pri neustálom obmedzení výpočtovej kapacity systému spravidla stačí iba chladič aj bez ventilátora. Radiátor sa v každom prípade vyberá individuálne.

V zásade funguje pasívny chladiaci systém nasledovne: Teplo sa prenáša priamo z vykurovacieho komponentu (čipu) do chladiča v dôsledku tepelnej vodivosti materiálu alebo pomocou tepelných trubíc (termosifón alebo odparovacia komora sú zásadne odlišné riešenia s tepelnými trubicami).

Funkciou radiátora je vyžarovať teplo do okolitého priestoru infračerveným žiarením a odovzdávať teplo jednoducho tepelnou vodivosťou okolitého vzduchu, čo prispieva k vzniku prirodzených konvekčných prúdov. Aby sa teplo vyžarovalo po celej ploche radiátora čo najintenzívnejšie, povrch radiátora sčernie.

Najmä dnes (v rôznych zariadeniach vrátane počítačov) je rozšírený systém pasívneho chladenia. Takýto systém je veľmi flexibilný, keďže radiátory možno jednoducho namontovať na väčšinu tepelne náročných komponentov. Čím väčšia je efektívna plocha odvodu tepla z radiátora, tým účinnejšie je chladenie.

Dôležitými faktormi ovplyvňujúcimi účinnosť chladenia sú rýchlosť prúdenia vzduchu cez chladič a teplota (najmä teplotný rozdiel voči okoliu).

Mnoho ľudí vie, že pred montážou chladiča na súčiastku je potrebné naniesť na spojovacie plochy teplovodivú pastu (napr. KPT-8). To sa robí na zvýšenie tepelnej vodivosti v priestore medzi komponentmi.

Spočiatku je problém, že povrchy radiátora a súčiastky, na ktoré je inštalovaný, majú po výrobnej výrobe a brúsení stále drsnosť rádovo 10 mikrónov a aj po vyleštení zostáva drsnosť okolo 5 mikrónov. Tieto nerovnosti bránia tomu, aby sa spojovacie plochy pritlačili k sebe čo najtesnejšie bez medzery, čo má za následok vzduchovú medzeru s nízkou tepelnou vodivosťou.

Chladiče s najväčšou veľkosťou a aktívnou plochou sa zvyčajne montujú na CPU a GPU. Ak je potrebné zostaviť tichý počítač, potom sú vzhľadom na nízku rýchlosť prechodu vzduchu potrebné špeciálne veľmi veľké radiátory, ktoré sa vyznačujú zvýšenou účinnosťou odvádzania tepla.

Aktívny systém chladenia vzduchom

Pre zlepšenie chladenia, pre intenzívnejšie prúdenie vzduchu cez chladič sa dodatočne používajú ventilátory. Radiátor vybavený ventilátorom sa nazýva chladič. Chladiče sú nainštalované na grafike a centrálnych procesoroch počítača. Ak nie je možné nainštalovať chladič na niektoré komponenty, ako je napríklad pevný disk, alebo sa to neodporúča, potom sa používa jednoduché odfúknutie ventilátora bez chladiča.To je celkom dosť.

Kvapalinový chladiaci systém

Kvapalinový chladiaci systém funguje na princípe odovzdávania tepla z chladeného komponentu do chladiča pomocou pracovnej tekutiny cirkulujúcej v systéme. Takouto kvapalinou je zvyčajne destilovaná voda s baktericídnymi a antigalvanickými prísadami alebo nemrznúca zmes, olej, iné špeciálne kvapaliny a v niektorých prípadoch aj tekutý kov.

Takýto systém nevyhnutne obsahuje: čerpadlo na cirkuláciu tekutiny a radiátor (vodný blok, chladiaca hlava) na odoberanie tepla z vykurovacieho telesa a jeho prenos do pracovnej tekutiny. Teplo je následne odvádzané chladičom (aktívny alebo pasívny systém).

Okrem toho má kvapalinový chladiaci systém zásobník pracovnej tekutiny, ktorý kompenzuje jej tepelnú rozťažnosť a zvyšuje tepelnú zotrvačnosť systému. Nádrž sa pohodlne plní a je tiež vhodné cez ňu vypustiť pracovnú kvapalinu. V takomto systéme sú potrebné potrebné hadice a potrubia. Voliteľne môže byť k dispozícii snímač prietoku kvapaliny.

Pracovná kvapalina má dostatočne vysokú tepelnú kapacitu na zabezpečenie vysokej účinnosti chladenia pri nízkej rýchlosti obehu a vysokej tepelnej vodivosti, čo minimalizuje teplotný rozdiel medzi odparovacím povrchom a stenou potrubia.

Freónový chladiaci systém

Extrémne pretaktovanie procesora si vyžaduje negatívnu teplotu chladeného prvku pri jeho nepretržitej prevádzke. Na to sú potrebné inštalácie freónov. Tieto systémy sú chladiace jednotky, v ktorých je výparník namontovaný priamo na komponent, z ktorého musí byť teplo odvádzané veľmi vysokou rýchlosťou.

Nevýhody freónového systému, okrem jeho zložitosti, sú: potreba tepelnej izolácie, povinný boj s kondenzátom, ťažkosti pri chladení viacerých komponentov súčasne, vysoká spotreba energie a vysoká cena.

Waterchiller

Waterchiller je chladiaci systém, ktorý kombinuje freónovú jednotku a kvapalinové chladenie. Tu sa nemrznúca zmes, ktorá cirkuluje v systéme, ďalej chladí vo výmenníku tepla pomocou freónového bloku.

V takomto systéme sa pomocou freónovej jednotky získa negatívna teplota a kvapalina môže súčasne ochladiť niekoľko komponentov. Bežný freónový chladiaci systém to neumožňuje. Nevýhodami vodného chladiča je potreba tepelnej izolácie celého systému, ako aj zložitosť a vysoká cena.

Otvorený systém chladenia odparovaním

Otvorené parné chladiace systémy používajú pracovnú kvapalinu - chladivo, ako je hélium, tekutý dusík alebo suchý ľad. Pracovná kvapalina sa odparuje v otvorenom pohári, ktorý je namontovaný priamo na vykurovacom telese, ktoré sa musí veľmi rýchlo ochladiť.

Tento spôsob patrí k amatérom a využívajú ho hlavne kutilovia, ktorí potrebujú extrémne pretaktovanie („pretaktovanie“) dostupného vybavenia. Pomocou tejto metódy môžete dosiahnuť najnižšiu teplotu, ale sklo s chladivom sa bude musieť pravidelne dopĺňať, to znamená, že systém má časové obmedzenie a vyžaduje neustálu pozornosť.

Kaskádový chladiaci systém

Kaskádový chladiaci systém znamená súčasné postupné začlenenie dvoch alebo viacerých freónov. Na dosiahnutie nižších teplôt sa používa freón so zníženým bodom varu.Ak je freónový stroj jednostupňový, potom je potrebné zvýšiť pracovný tlak výkonnými kompresormi.

Existuje však alternatíva - chladenie chladiča freónového bloku iným podobným blokom. Môže sa tak znížiť prevádzkový tlak v systéme a od kompresorov už nie je potrebný vysoký výkon, možno použiť klasické kompresory. Kaskádový systém napriek svojej zložitosti umožňuje dosiahnuť nižšiu teplotu ako pri klasickej freónovej inštalácii a v porovnaní s otvoreným odparovacím systémom môže takáto inštalácia pracovať nepretržite.

Peltierov chladiaci systém

V chladiacom systéme s Peltierovým prvkom je namontovaná studenou stranou na chladený povrch, zatiaľ čo horúca strana prvku vyžaduje počas svojej prevádzky intenzívne chladenie z iného systému. Systém je pomerne kompaktný.