كيف يعمل مُبرِّد وحدة المعالجة المركزية السائل؟ دليل المبتدئين

لفهم آلية عمل التبريد السائل في وحدة المعالجة المركزية، لننظر إلى آلية تبريد محرك السيارة. تتميز السوائل بحرارة نوعية أعلى، ما يعني قدرتها على تبديد الحرارة بشكل أفضل من الهواء. تستخدم السيارة الماء لسحب الحرارة من المحرك وإطلاقها في الهواء باستخدام مشعاع. تعمل مبردات وحدة المعالجة المركزية السائلة بالطريقة نفسها.

يُولّد كل معالج حرارةً كونه مُكوّنًا إلكترونيًا، ويتم امتصاص هذه الحرارة بواسطة كتلة مائية يدور فيها سائل التبريد. يُضخّ هذا السائل من كتلة الماء إلى المُشعّ، كما هو الحال في السيارات. وظيفة المُشعّ هي استخلاص الحرارة من السائل المُتدفق داخله ونقلها إلى زعانف المُشعّ. ثم تُحرّك مروحة الهواء البارد فوق الزعانف. هذا النظام، كما هو موضح في الصورة، جدير بالملاحظة بشكل خاص لأن التبريد السائل حسّن كفاءة إزالة الحرارة من وحدات المعالجة المركزية الحديثة ذات مُعدّلات الطاقة الحرارية العالية (TDP) التي يتم رفع تردد تشغيلها وتُولّد حرارةً كبيرة.

فهم حرارة وحدة المعالجة المركزية: أهمية التبريد

الكهرباء هي تدفق الإلكترونات عبر موصل. عند مرور الكهرباء عبر أي موصل، فإنها تُولّد حرارةً بسبب مقاومة تدفق الإلكترونات. وبالمثل، عند مرور الكهرباء عبر وحدة المعالجة المركزية، فإنها تُولّد حرارةً أيضًا.

يتكون المعالج الدقيق أو وحدة المعالجة المركزية (CPU) من مليارات الترانزستورات. عند استخدام وحدة المعالجة المركزية، فإنها تستخدم هذه الترانزستورات في العمليات الحسابية. تشحن هذه الترانزستورات وتفرغها، مما يُنتج مقاومة كهربائية تؤثر على تدفق الإلكترونات وتولد حرارة. كلما زادت كثافة العمليات على وحدة المعالجة المركزية، مثل الألعاب أو معالجة الفيديو، زادت الحرارة وتتطلب نظام تبريد لهذه الأحمال الشاقة.

في مثل هذه الحالات، يُفضّل استخدام نظام سائل مغلق الحلقة للمعالج للحفاظ على درجة الحرارة ضمن الحدود المسموح بها. وإلا، سيبدأ المعالج بالاختناق الحراري، مما يؤثر على أدائه. في بعض الحالات، قد يؤدي ضعف التبريد إلى تلف المعالج أو مكونات داخلية أخرى، مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ووحدة معالجة الرسومات (GPU).

المكونات الرئيسية لنظام التبريد السائل

المكونات الأساسية للمكونات السائلة تشمل

• كتلة الماء
• المضخة
• المبرد
• الأنابيب والخزان والمبرد

كتلة الماء

إنه قلب نظام التبريد السائل الذي يستخرج الحرارة من وحدة المعالجة المركزية. تُصنع أفضل أنواع الكتل المائية من النحاس الخالي من الأكسجين، والذي يتميز بموصلية حرارية عالية. عند استخدام الكتل المائية مع أجزاء من الألومنيوم، تُصنع هذه الكتل المائية من النيكل (غالبًا ما تكون قاعدة الكتل المائية مطلية بالنيكل لتجنب الأكسدة).

تتميز هذه الكتل بقنوات دقيقة بقطر يتراوح بين 0.5 و1 مم في قاعدتها، مما يسمح بتدفق السائل وامتصاص الحرارة الناتجة عن وحدة المعالجة المركزية. لتقليل الفجوة الهوائية بين الكتلة والمعالج، يُستخدم معجون حراري بموصلية حرارية تزيد عن 8-12 واط/متر كلفن. ولزيادة الموصلية، تُقلص الفجوة بين كتلة الماء ووحدة المعالجة المركزية إلى 0.1 مم، بفضل آلية تثبيت متينة لكتلة الماء. تعتمد الكفاءة الحرارية لنظام التبريد بشكل كبير على معدل التدفق وتصميم مصفوفة الزعانف. عند دخول السائل إلى الكتلة، يبدأ التبريد بالحمل الحراري بمعامل انتقال حراري يتراوح بين 500 و5000 واط/متر مربع.

المضخة

تُمكّن مضخة نظام التبريد سائل التبريد من التدفق عبر كتلة الماء والمبرد، مما يُوفر الضغط اللازم للسائل للتغلب على مقاومة الأنابيب. بدون تدفق مناسب، لن يعمل حتى أكثر الأنظمة كفاءةً بشكل صحيح. في معظم أنظمة التبريد، تعمل هذه المضخات بجهد ١٢ فولت عند ٢٠٠٠-٤٠٠٠ دورة في الدقيقة، مما يُوفر تدفقًا كافيًا يتراوح بين ٠.٥ و١ لتر/دقيقة وضغطًا كافيًا لإجراء التبريد. في أنظمة التبريد الحديثة لوحدات المعالجة المركزية، تُصنع هذه المضخات بدقة عالية لضمان انخفاض مستوى الضوضاء والاهتزاز، بالإضافة إلى محامل سيراميكية لضمان تشغيل سلس. يمكن لهذه المضخات تغيير سرعتها حسب متطلبات الحمل الحراري.

المبرد

تُطرد الحرارة التي يمتصها السائل من وحدة المعالجة المركزية إلى الغلاف الجوي بواسطة جهاز يُسمى المُشعّط (Radiator) ومروحة مُثبتة عليه. تُصنع المُشعّات من قلب من الألومنيوم وزعانف نحاسية وقنوات مُبرّدة. تُوفّر الزعانف نقلًا حراريًا أفضل بكفاءة تتراوح بين 0.8 و0.9. يُعدّ تباعد الزعانف عاملًا بالغ الأهمية. إذا كانت كثافة الزعانف (FPI) عالية، فستزداد المساحة الفعالة. ومع ذلك، يلزم تدفق هواء أعلى نظرًا لزيادة مقاومة تدفق الهواء.

يُقلل انخفاض مؤشر تدفق الهواء (FPI) من مقاومة تدفق الهواء، ولكنه يُقلل أيضًا من مساحة السطح الفعالة. عادةً، تكون درجة حرارة سائل وحدة المعالجة المركزية أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط بمقدار 10-20 درجة مئوية. يدخل السائل إلى المُشعّ، حيث ينقل الحرارة إلى الزعانف. ثم تُوفّر مروحة (بسرعة 1000-2000 دورة في الدقيقة) تدفقًا هوائيًا لإزالة الحرارة من الزعانف.

الأنابيب والخزان والمبرد

توفر الأنابيب في أنظمة السوائل مسارًا لنقل السائل من مكون إلى آخر، وهي مصنوعة من مادة PVC بقطر داخلي 10 مم وقطر خارجي 13 مم. كما أنها مزودة بدعامة مضفرة لتجنب التشوه والانفجار في ظروف العمل القاسية. يجب ألا تحتوي الأنابيب على انحناءات حادة، لأنها ستزيد من مقاومة التدفق وتقلل من الأداء العام.

يُدير الخزان حجم الهواء والسوائل. وهو مصنوع من مادة PVC، ويوفر آلية لملئه بالسائل وإخراج فقاعات الهواء إلى الغلاف الجوي. في بعض الحالات، يكون الخزان جزءًا لا يتجزأ من المضخة، خاصةً في أنظمة AIO (الكل في واحد). في معظم الحالات، يتكون السائل الداخلي من ماء مقطر و30% جليكول. كما تُضاف بعض المبيدات الحيوية لمنع نمو البكتيريا، ويُضاف جليكول لخفض درجة التجمد إلى -10 درجات مئوية. الغرض من سائل التبريد هو سحب الحرارة من وحدة المعالجة المركزية وإطلاقها في المبرد.

دورة التبريد

توليد الحرارة

أثناء التشغيل، وخاصةً عند أداء مهام مكثفة مثل الألعاب أو عرض الفيديو، أو أي عمل رسومي أو حسابي، تُولّد وحدة المعالجة المركزية حرارةً تزيد عن 300 واط. يبدأ توليد هذه الحرارة من الترانزستور المدمج داخل وحدة المعالجة المركزية، ثم ينتقل إلى موزع الحرارة المدمج، حيث تُركّب كتلة ماء لسحب الحرارة من وحدة المعالجة المركزية بمساعدة السائل المتدفق داخلها. تُزيل عملية التوصيل هذه الحرارة لأن درجة حرارة كتلة الماء أعلى من درجة حرارة السائل.

امتصاص

يمتص السائل الموجود داخل كتلة الماء الحرارة الناتجة عن وحدة المعالجة المركزية أثناء تدفقه عبر القنوات المُصممة داخل كتلة الماء. يضمن السائل، أثناء تدفقه عبر كتلة الماء، أن يكون الاضطراب والتوصيل الحراري مصممين لتحقيق أقصى كفاءة من حيث التوصيل الحراري. عندما يتدفق السائل من كتلة الماء، ترتفع درجة حرارته.

الدورة الدموية

تُركّب مضخة في نظام التبريد السائل لوحدة المعالجة المركزية لنقل السائل الساخن، مما يضمن عدم تجاوز درجة الحرارة حدًا معينًا. توفر المضخة تدفقًا مستمرًا للسائل من كتلة الماء إلى المبرد، مما يحافظ على برودة وحدة المعالجة المركزية ويؤدي مهامها بكفاءة. في الأنظمة الحديثة، تُختار المضخات لانخفاض ضوضاءها وانخفاض تآكل مكوناتها، بفضل معدل تدفقها العالي.

تبديد

يدخل السائل الساخن أخيرًا إلى المبرد، حيث يُبرَّد بالهواء من خلال مروحة مُثبَّتة فيه. تُصنع المبردات من الألومنيوم مع زعانف نحاسية. تزيد هذه الزعانف من مساحة السطح عندما تنفث المروحة الهواء، مما يُبرِّدها. عند تبريد هذه الزعانف، يُبرَّد سائل التبريد المار عبر الأنابيب.

يعود

يعود السائل بعد ذلك إلى كتلة الماء بعد تبريده بواسطة المبرد. يُركّب خزان آخر في نظام التبريد السائل، يسمح بعودة الماء في حال وجود فائض منه، ويساعد النظام على إعادة التعبئة عند انخفاض مستوى السائل.

الابتكارات الهندسية التي تجعل التبريد السائل أمرًا رائعًا

مع تطور التكنولوجيا، أصبح لدينا معالجات مركزية عالية السرعة بتقنية 7 نانومتر تُنتج حرارة أعلى. ولمعالجة هذه المشكلة، نستخدم نظام تبريد سائل، لأن التبريد الهوائي غير كافٍ لمعالجات المركزات التي تُنتج حرارة عالية. ويجري حاليًا تطوير نظام التبريد السائل وعملية تصنيعه في مجال الهندسة.

الآن، تُصنع كتل الماء بممر ضيق بقطر 0.2 مم لتدفق السائل، مما يُحدث اضطرابًا لزيادة نقل الحرارة بنسبة تصل إلى 50%. كما يأتي السائل الحديث مزودًا بوحدة تحكم PID تراقب درجة الحرارة وتتحكم بها في نطاق درجتين مئويتين من نقطة الضبط، مع تغيير سرعة المروحة والمضخة، وتوفر مراقبة فورية لدرجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تُختبر السوائل المحقونة بأكسيد النحاس لزيادة التوصيل الحراري، مما يُظهر أداءً أفضل بنسبة 20%.

انتظر، هناك المزيد! يتطور التبريد السائل باستمرار بمساعدة الهندسة باستخدام محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لتحسين بناء الزعانف، وسرعة التدفق، والاضطراب، والتبريد، والتصميم الحراري. إذا استمر هذا التطوير التكنولوجي، فقد نحصل على نظام تبريد يستخدم تغير طور السائل عند السطح الساخن لتبريد وحدة المعالجة المركزية، والتي تتكثف بعد ذلك عند المبرد.

نصائح التركيب والصيانة

يتطلب تركيب السائل مهارات متخصصة نظرًا لحساسيته الشديدة، بما في ذلك الماء، الذي قد يتلف وحدة المعالجة المركزية في حال تسربه. قبل البدء بالتركيب، نظّف جميع العناصر وضع المعجون الحراري على وحدة المعالجة المركزية. ثبّت كتلة الماء وشد البراغي بعزم دوران منتظم يتراوح بين 0.6 و1 نيوتن متر، مع مراعاة شد البراغي بشكل متقاطع. يُعدّ الأنبوب الذي يتدفق عبره السائل مكونًا مهمًا أيضًا. عند التركيب، تأكد من توجيه الأنابيب وفقًا للدليل وأن جميع الخراطيم مثبتة بمشبك. قبل البدء، تأكد من أن النظام مُجهز جيدًا وخالٍ من الهواء المحبوس.

للصيانة، فكّر في طلب التوجيه من خبير أو الاستعانة بخبير للقيام بالعمل. من النصائح التي يُمكننا مشاركتها استخدام قالب تفاعلي مع الأشعة فوق البنفسجية يتوهج تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية للكشف عن التسرب، وإجراء دورات تطهير سنوية أو حسب الحاجة، مما يُزيل 95% من الهواء لتحسين الكفاءة. احرص أيضًا على شطف النظام سنويًا بمحلول الخل. حرّك المحلول لمدة 30 دقيقة لإذابة الترسبات الكلسية داخل الأنابيب والمكونات، ثم اشطفه.

المزايا مقارنة بتبريد الهواء التقليدي

الحرارة النوعية للماء أفضل بكثير من الهواء، مما يُعطي نظام التبريد السائل ميزةً طبيعية. عند تطبيق حمل مستمر على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، يُبقي التبريد السائل درجة الحرارة أقل بنسبة 40% مقارنةً بتبريد نفس وحدة المعالجة المركزية بنظام تبريد هوائي. تُوفر أنظمة التبريد السائل تبريدًا أفضل وأكثر هدوءًا لأن المضخات تُصدر ضوضاء أقل، والماء يعمل كمُخمد طبيعي للضوضاء، ومراوح المُشعات أقل صوتًا. تتميز أنظمة التبريد السائل بحجمها الأصغر، ويمكن تعديلها بسهولة في أجهزة الكمبيوتر الصغيرة الحجم (ITX)، مما يجعلها جذابةً وجذابةً من حيث المظهر الجمالي.

خاتمة

لقد أحدثت الديناميكا الحرارية والهندسة ثورةً في عالم التبريد السائل، حيث وفرت أداءً أفضل لوحدات المعالجة المركزية (CPU) بفضل مسارات تدفق مُصممة بدقة. أنماط تدفق ثابتة باستخدام مضخات ومشعات فعّالة يستخدمها التجار لتدفئة البيئة المحيطة، تجعلها حلاً تبريديًا موثوقًا لأجهزة الكمبيوتر الحديثة عالية الأداء. كما توفر هذه المبردات موصلية حرارية أفضل، وتصميمًا أكثر أناقة، وجماليات مُحسّنة، وتشغيلًا أكثر هدوءًا، مما يجعلها خيارًا متفوقًا على حلول التبريد الهوائي، وتجعل إدارة الحرارة فنًا بحد ذاته.

لتطبيق عملي لمبردات سائلة لوحدة المعالجة المركزية ، تفضل بزيارة صفحة مبردات ESGAMING السائلة . ستجد تصاميم وسعات متنوعة لهذه المبردات، مصنوعة من أجود المواد.