Jak funguje kapalinový chladič CPU? Průvodce pro začátečníky
Abychom pochopili, jak funguje kapalinové chlazení v CPU, zvažte, jak je chlazen motor v autě. Kapaliny mají vyšší měrné teplo, což znamená, že dokáží odvádět teplo lépe než vzduch. Auto používá vodu k odběru tepla z motoru a jeho uvolňování do vzduchu pomocí chladiče. Kapalinové chladiče CPU fungují stejným způsobem.
Každý procesor, protože je elektronickou součástí, generuje teplo a toto teplo je absorbováno vodním blokem, kde cirkuluje chladicí kapalina. Tato kapalina je čerpána z vodního bloku do chladiče, podobně jako to funguje v automobilech. Funkcí chladiče je odvádět teplo z kapaliny proudící uvnitř a přenášet ho na žebra chladiče. Ventilátor pak přes žebra žene chladný vzduch. Toto uspořádání, jak je znázorněno na obrázku, je obzvláště pozoruhodné, protože kapalinové chlazení umožnilo efektivnější odvod tepla z moderních procesorů s vysokým TDP, které jsou přetaktovány a generují značné množství tepla.
Pochopení zahřívání procesoru: Proč je důležité chlazení
Elektřina je tok elektronů vodičem. Když elektřina prochází jakýmkoli vodičem, generuje teplo v důsledku odporu vůči toku elektronů. Podobně, když elektřina prochází procesorem, také generuje teplo.
Mikroprocesor neboli CPU se skládá z miliard tranzistorů. Kdykoli používáme CPU, používá tyto tranzistory ve výpočetní logice. Tyto tranzistory se nabíjejí a vybíjejí, čímž vytvářejí elektrický odpor, který ovlivňuje tok elektronů a generuje teplo. Intenzivnější operace na CPU, jako je hraní her nebo vykreslování videa, vytvářejí více tepla a pro takové náročné úlohy vyžadují chladicí systém.
V takových případech se pro udržení teploty v rámci limitů upřednostňuje uzavřený kapalinový systém CPU. Jinak CPU začne tepelně škrtit, což ovlivní jeho výkon. V některých případech, pokud je chlazení velmi špatné, může dokonce poškodit CPU nebo jiné vnitřní komponenty, jako je RAM a GPU.
Klíčové komponenty systému kapalinového chlazení
Mezi základní složky kapalných komponent patří
- Vodní blok
- Čerpadlo
- Radiátor
- Trubice, nádrž a chladicí kapalina
Vodní blok
Je to srdce kapalinového chladicího systému, které odvádí teplo z procesoru. Nejprémiovější typ vodních bloků je vyroben z bezkyslíkaté mědi, která má vysokou tepelnou vodivost. Pokud se vodní blok používá s hliníkovými díly, jsou tyto vodní bloky vyrobeny s niklovým povlakem (většinou je poniklována základna vodního bloku, aby se zabránilo oxidaci).
Tyto bloky mají ve své základně mikrokanály o velikosti 0,5 až 1 mm, které umožňují proudění kapaliny a absorbování tepla generovaného CPU. Pro minimalizaci vzduchové mezery mezi blokem a CPU se používá teplovodivá pasta s tepelnou vodivostí vyšší než 8–12 W/mK. Pro zvýšení vodivosti je mezera mezi vodním blokem a CPU minimalizována na 0,1 mm, což je umožněno robustním montážním mechanismem vodního bloku. Tepelná účinnost chladicího systému do značné míry závisí na proudění a konstrukci žeber. Když kapalina vstoupí do bloku, spustí se konvekční chlazení s koeficientem přestupu tepla 500–5000 W/m2.
Čerpadlo
Čerpadlo v chladicím systému zajišťuje tok chladicí kapaliny přes vodní blok a chladič, čímž vytváří tlak na kapalinu, která překonává odpor potrubí. Bez vhodného průtoku by ani ten nejúčinnější systém nefungoval správně. Ve většině chladicích systémů tato čerpadla pracují na 12 voltech při 2000–4000 ot./min, což zajišťuje dostatečný průtok 0,5–1 l/min a tlak pro chlazení . V moderních chladicích systémech pro procesory jsou tato čerpadla vyrobena s přesností, aby měla nízkou hlučnost a vibrace, a jsou spojena s keramickými ložisky pro zajištění beztřecího provozu. Tato čerpadla mohou měnit svou rychlost podle požadavků tepelného zatížení.
Radiátor
Teplo odebírané kapalinou z procesoru je odváděno do atmosféry pomocí zařízení zvaného chladič a ventilátoru, který je k němu připevněn. Chladiče jsou vyrobeny z hliníkového jádra s měděnými žebry a chladicími kanály. Žebra jsou opatřena pro lepší přenos tepla vodivostí s účinností 0,8–0,9. Rozteč žeber je velmi důležitým faktorem. Pokud je hustota žeber FPI (Fins per Inch - žebra na palec) vysoká, efektivní plocha se zvýší. Je však zapotřebí vyšší průtok vzduchu kvůli zvýšenému odporu proudění vzduchu.
Nižší FPI snižuje odpor proudění vzduchu, ale také snižuje efektivní povrch. Kapalina z CPU má obvykle o 10–20 °C vyšší teplotu než okolní vzduch. Vstupuje do chladiče, kde přenáší teplo na žebra. Ventilátor (1000–2000 ot./min) poté zajišťuje proudění vzduchu k odvádění tepla z žeber.
Trubice, nádrž a chladicí kapalina
Hadičky v kapalinovém systému poskytují cestu pro přenos kapaliny z jedné součásti do druhé a jsou vyrobeny z PVC s vnitřním průměrem 10 mm a vnějším průměrem 13 mm. Jsou také opatřeny opletenou výztuhou, aby se zabránilo deformaci a prasknutí za extrémních provozních podmínek. Hadičky nesmí mít ostré ohyby, protože by zvýšily odpor proudění a snížily celkový výkon.
Nádržka reguluje objem vzduchu a kapaliny. Je vyrobena z PVC a poskytuje mechanismus pro plnění kapalinou a odvětrávání vzduchových bublin do atmosféry. V některých případech je nádržka nedílnou součástí čerpadla, zejména v systémech AIO (All-in-One). Ve většině případů je kapalina uvnitř destilovaná voda a 30 % glykolu. Přidávají se také některé biocidy, aby se zabránilo růstu bakterií, a glykol se přidává ke snížení bodu tuhnutí až na -10 °C. Účelem chladicí kapaliny je odvádět teplo z procesoru a uvolňovat ho v chladiči.
Chladicí cyklus
Generování tepla
Během provozu, zejména při provádění náročných úkolů, jako je hraní her, vykreslování videa nebo jakákoli grafická či výpočetní práce, CPU generuje teplo o výkonu více než 300 wattů. Toto teplo začíná u tranzistoru zabudovaného uvnitř CPU a nakonec se přesouvá k integrovanému rozdělovači tepla, kde je nainstalován vodní blok, který odvádí teplo z CPU pomocí kapaliny proudící uvnitř. Toto teplo je odváděno vedením, protože vodní blok má vyšší teplotu než kapalina.
Vstřebávání
Kapalina uvnitř vodního bloku absorbuje teplo generované procesorem, které proudí kanálky vytvořenými uvnitř vodního bloku. Kapalina při proudění blokem zajišťuje, že turbulence a vedení tepla jsou navrženy tak, aby měly maximální účinnost z hlediska tepelné vodivosti. Když kapalina vytéká z vodního bloku, její teplota se zvýšila.
Oběh
V systému kapalinového chlazení procesoru je instalováno čerpadlo, které přenáší ohřátou kapalinu a zajišťuje, aby teplota nepřekročila určitou mez. Čerpadlo zajišťuje konstantní tok kapaliny z vodního bloku do chladiče, čímž udržuje procesor chladný a efektivně plní své úkoly. V moderních systémech se čerpadla vybírají pro svou velmi nízkou hlučnost a minimální opotřebení součástí díky vysokému průtoku.
Disipace
Ohřátá kapalina nakonec vstupuje do chladiče, kde je ochlazována vzduchem z ventilátoru instalovaného v chladiči. Chladiče jsou vyrobeny z hliníku s měděnými žebry. Tato žebra zvětšují povrch, když ventilátor fouká vzduch, a tím je ochlazují. Když jsou tato žebra ochlazena, ochlazuje se i chladicí kapalina, která prochází trubkami.
Návrat
Kapalina se poté po ochlazení chladičem vrací do vodního bloku. V systému kapalinového chlazení je instalováno další zařízení, známé jako zásobník. Umožňuje návrat vody, pokud je v systému nadměrné množství, a pomáhá doplnit systém, když hladina kapaliny klesne.
Inženýrské inovace, díky nimž je kapalinové chlazení fascinující
S pokrokem technologií máme vysokorychlostní 7nm procesory, které produkují více tepla. Abychom to vyřešili, používáme systém kapalinového chlazení, protože chlazení vzduchem je pro procesory, které generují vysoké teplo, nedostatečné. Strojírenství nyní vyvíjí systém kapalinového chlazení a jeho výrobní proces.
Vodní bloky se nyní vyrábějí s úzkým průchodem pro tok kapaliny 0,2 mm, což vytváří turbulenci pro zvýšení přenosu tepla až o 50 %. Moderní kapalinové bloky jsou také dodávány s PID regulátorem, který monitoruje a řídí teplotu s přesností na 2 °C od nastavené hodnoty s proměnlivou rychlostí ventilátoru a čerpadla a poskytuje monitorování teploty v reálném čase. Kapaliny vstřikované oxidem mědi jsou navíc testovány na zvýšení tepelné vodivosti, což vykazuje o 20 % lepší výkon.
Počkejte, to je ještě víc! Kapalinové chlazení se neustále vyvíjí s pomocí inženýrství využívajícího CFD simulace k optimalizaci konstrukce žeber, rychlosti proudění a turbulence, chlazení a tepelného návrhu. Pokud bude tato technologická modernizace pokračovat, mohli bychom mít chladicí systém, který využívá fázovou změnu kapaliny na horkém rozhraní k chlazení CPU, která by pak kondenzovala na chladiči.
Tipy pro instalaci a údržbu
Instalace kapaliny vyžaduje odborné dovednosti, protože se jedná o velmi citlivé součásti, včetně vody, která může v případě úniku poškodit procesor. Před zahájením instalace očistěte všechny prvky a naneste na procesor teplovodivou pastu. Namontujte vodní blok a utáhněte šrouby rovnoměrným utahovacím momentem, který se může pohybovat v rozmezí 0,6-1 Nm, a vezměte v úvahu, že šrouby je třeba utahovat křížově. Důležitou součástí je také trubice, kterou bude kapalina protékat. Při instalaci se ujistěte, že je trubice vedena podle návodu a že je každá hadice zajištěna svorkou. Před zahájením se ujistěte, že je systém dostatečně naplněn a že v něm není zachycen vzduch.
Pro údržbu zvažte buď vyhledání rady od odborníka, nebo nechat práci provést odborníkem. Mezi tipy, které se s vámi můžeme podělit, patří použití UV reaktivní matrice, která pod UV světlem září k detekci netěsností, provádění proplachovacích cyklů každoročně nebo dle potřeby, které odstraní 95 % vzduchu pro zvýšení účinnosti. Také nezapomeňte systém každoročně propláchnout roztokem octa. Nechte roztok 30 minut cirkulovat, aby se rozpustil vodní kámen uvnitř trubek a součástí, a poté jej opláchněte.
Výhody oproti tradičnímu chlazení vzduchem
Měrné teplo vody je mnohem lepší než měrné teplo vzduchu, což přirozeně dává výhodu chladicímu systému, který používá kapalinu. Pokud je procesor trvale zatížen, kapalinové chlazení udrží teplotu o 40 % nižší, než když je stejný procesor chlazen vzduchem. Kapalinové systémy poskytují lepší chlazení a jsou tišší, protože čerpadla produkují méně hluku, voda působí jako přirozený tlumič hluku a ventilátory v chladičích jsou tišší. Kapalinové chladicí systémy jsou menší a v kompaktním počítači ITX lze je snadno nastavit, díky čemuž je počítač atraktivnější a má lepší estetiku.
Závěr
Termodynamika a inženýrství transformovaly kapalinové chlazení a poskytují lepší výkon procesoru s přesně opracovanými cestami proudění. Stabilní proudění využívající čerpadla a účinné radiátory, které obchodníci používají k ohřevu okolí, z něj činí spolehlivé chladicí řešení pro moderní počítače s vysokým výpočetním výkonem. Nabízejí lepší tepelnou vodivost, elegantnější design, vylepšenou estetiku a tišší provoz, což z nich činí lepší volbu oproti vzduchovým chlazením a z regulace tepla dělá umění.
Pro praktickou implementaci kapalinových chladičů CPU zvažte návštěvu stránky ESGAMING o kapalinových chladičích . Najdete zde různé designy a kapacity těchto chladičů vyrobených z nejkvalitnějších materiálů.