Hvordan fungerer en CPU-væskekøler? En begynderguide

For at forstå, hvordan væskekøling fungerer i en CPU, kan man overveje, hvordan en motor køles i en bil. Væsker har en højere specifik varme, hvilket betyder, at de kan fjerne varme bedre end luft. Bilen bruger vand til at tage varme fra motoren og frigive den til luften ved hjælp af en radiator. CPU-væskekølere fungerer på samme måde.

Enhver CPU genererer varme, da den er en elektronisk komponent, og denne varme absorberes af en vandblok, hvor flydende kølemiddel cirkulerer. Denne væske pumpes fra vandblokken til radiatoren, ligesom den fungerer i biler. Radiatorens funktion er at udtrække varme fra væsken, der strømmer indeni, og overføre den til radiatorens finner. En ventilator bevæger derefter kølig luft hen over finnerne. Denne opsætning, som vist på billedet, er især bemærkelsesværdig, fordi væskekøling har gjort det mere effektivt at fjerne varme fra moderne CPU'er med høje TDP'er, der er overclocket og genererer betydelig varme.

Forståelse af CPU-varme: Hvorfor køling er vigtig

Elektricitet er strømmen af ​​elektroner gennem en leder. Når elektricitet passerer gennem en leder, genererer den varme på grund af modstanden mod elektronstrømmen. På samme måde vil elektricitet, når den passerer gennem CPU'en, også generere varme.

En mikroprocessor eller CPU er lavet med milliarder af transistorer. Når vi bruger en CPU, bruger den disse transistorer i en beregningsmæssig logik. Disse transistorer oplades og aflades, hvilket producerer en elektrisk modstand, der påvirker elektronstrømmen og genererer varme. De mere intense operationer på CPU'en, som f.eks. spil eller videogengivelse, vil skabe mere varme og kræve et kølesystem til sådanne krævende arbejdsbelastninger.

I sådanne tilfælde foretrækkes et lukket CPU-væskesystem for at holde temperaturen inden for grænserne. Ellers vil CPU'en starte termisk nedregulering, hvilket påvirker dens ydeevne. I nogle tilfælde, hvis kølingen er meget dårlig, kan det endda beskadige CPU'en eller andre interne komponenter, såsom RAM og GPU.

Nøglekomponenter i et flydende kølesystem

Grundlæggende komponenter i flydende komponenter inkluderer

• Vandblok
• Pumpen
• Radiatoren
• Slanger, reservoir og kølevæske

Vandblokken

Det er hjertet i væskekølesystemet, der udtrækker varme fra CPU'en. Den mest eksklusive type vandblokke er lavet af iltfrit kobber, der har høj varmeledningsevne. Hvis vandblokken bruges med aluminiumsdele, er disse vandblokke lavet med nikkelbelægning (for det meste er bunden af ​​vandblokken nikkelbelagt for at undgå oxidation).

Disse blokke har 0,5 til 1 mm mikrokanaler i deres base, der tillader væske at flyde og absorbere varme genereret af CPU'en. For at minimere luftgabet mellem blokken og CPU'en anvendes en termisk pasta med en varmeledningsevne på mere end 8-12 W/mK. For at øge ledningsevnen minimeres mellemrummet mellem vandblokken og CPU'en til 0,1 mm, hvilket muliggøres af en robust monteringsmekanisme til vandblokken. Kølesystemets termiske effektivitet afhænger i høj grad af flow og designet af finnerne. Når væske kommer ind i blokken, starter den konvektiv køling med en varmeoverføringskoefficient på 500-5000 W/m2.

Pumpen

Pumpen i kølesystemet får kølevæsken til at strømme gennem vandblokken og køleren, hvilket giver væsken det tryk, der skal til for at overvinde modstanden i slangerne. Uden en passende strømning ville selv det mest effektive system ikke fungere korrekt. I de fleste kølesystemer kører disse pumper på 12 volt ved 2000-4000 o/min, hvilket giver et tilstrækkeligt flow på 0,5-1 l/min og en løftehøjde til at udføre kølingen. I moderne kølesystemer til CPU'er er disse pumper præcisionsfremstillet for at have lav støj og vibrationer, kombineret med keramiske lejer for at give friktionsfri drift. Disse pumper kan ændre deres hastighed efter behov i forhold til varmebelastningen.

Radiatoren

Varmen, som væsken optager fra CPU'en, afgives til atmosfæren ved hjælp af en enhed kaldet en radiator og en ventilator monteret på den. Radiatorer er lavet med en aluminiumkerne med kobberfinner og kølevæskekanaler. Finnerne er forsynet med en bedre ledende varmeoverførsel med en effektivitet på 0,8-0,9. Finneafstanden er en meget vigtig faktor. Hvis finnetætheden FPI (finner pr. tomme) er høj, vil det effektive areal øges. Der kræves dog en højere luftstrøm på grund af øget modstand mod luftstrømmen.

Lavere FPI reducerer luftstrømningsmodstanden, men mindsker også det effektive overfladeareal. Typisk har væsken fra CPU'en en temperatur, der er 10-20 °C højere end den omgivende luft. Den kommer ind i radiatoren, hvor den overfører varme til finnerne. En ventilator (1000-2000 o/min) sørger derefter for luftstrøm for at fjerne varme fra finnerne.

Slanger, reservoir og kølevæske

Slanger i et væskesystem giver en vej for væskens overførsel fra en komponent til en anden, og er fremstillet af PVC med en indvendig diameter på 10 mm og en ydre diameter på 13 mm. De er også forsynet med flettet støtte for at undgå deformation og sprængning under ekstreme arbejdsforhold. Slanger må ikke have skarpe bøjninger, da det vil øge strømningsmodstanden og reducere den samlede ydeevne.

Et reservoir styrer luft- og væskemængden. Det er lavet af PVC og fungerer som en mekanisme til at fylde med væske og udlufte luftbobler til atmosfæren. I nogle tilfælde er reservoiret en integreret del af pumpen, især i et AIO (All-in-One) system. I de fleste tilfælde er væsken indeni destilleret vand og 30% glykol. Nogle biocider tilsættes også for at forhindre bakterievækst, og glykol tilsættes for at sænke frysepunktet til så lavt som -10 °C. Formålet med kølemidlet er at tage varme fra CPU'en og frigive den i køleren.

Kølecyklussen

Varmeproduktion

Under drift, især under udførelse af intensive opgaver som spil eller videogengivelse, eller ethvert grafisk eller beregningsmæssigt arbejde, genererer CPU'en varme på mere end 300 watt. Denne varmegenerering starter ved den transistor, der er indbygget i CPU'en, og bevæger sig i sidste ende til den integrerede varmefordeler, hvor en vandblok er installeret for at tage varmen fra CPU'en ved hjælp af væske, der strømmer ind i den. En ledningsproces fjerner denne varme, fordi vandblokken har en højere temperatur end væsken.

Absorption

Væsken inde i vandblokken absorberer varmen genereret af CPU'en, når den strømmer gennem kanalerne i vandblokken. Væsken, mens den strømmer gennem blokken, sikrer, at turbulens og varmeledning er designet til at have maksimal effektivitet med hensyn til termisk ledningsevne. Når væsken strømmer ud af vandblokken, er dens temperatur steget.

Cirkulation

En pumpe er installeret i CPU'ens væskekølesystem for at transportere opvarmet væske, hvilket sikrer, at temperaturen ikke overstiger en bestemt grænse. Pumpen sørger for en konstant strøm af væske fra vandblokken til radiatoren, hvilket holder CPU'en kølig og udfører sine opgaver effektivt. I et moderne system vælges pumper for deres meget lave støj og minimale slid på komponenterne takket være deres høje flowhastighed.

Dissipation

Den opvarmede væske kommer endelig ind i radiatoren, hvor den afkøles af luft fra en ventilator, der er installeret i radiatoren. Radiatorer er lavet af aluminium med kobberfinner. Disse finner øger overfladearealet, når ventilatoren blæser luft ind, og køler dem dermed ned. Når disse finner afkøles, afkøles kølevæsken, der passerer gennem rørene.

Retur

Væsken vender derefter tilbage til vandblokken efter at være blevet afkølet af radiatoren. Et andet stykke udstyr, kendt som et reservoir, er installeret i væskekølesystemet. Det tillader vand at vende tilbage, hvis der er en overskydende mængde, og hjælper systemet med at genopfylde, når væskeniveauet er reduceret.

Ingeniørinnovationer, der gør væskekøling fascinerende

Med teknologiens fremskridt har vi fået højhastigheds-CPU'er på 7nm, der producerer mere varme. For at imødekomme dette bruger vi et væskekølesystem, da luftkøling er utilstrækkelig til CPU'er, der genererer høj varme. Ingeniørvirksomheden er nu i gang med at udvikle væskekølesystemet og dets fremstillingsproces.

Nu fremstilles vandblokke med en smal passage på 0,2 mm til væskestrømning, hvilket skaber turbulens for at øge varmeoverførslen med op til 50 %. Moderne væsker leveres også med en PID-regulator, der overvåger og styrer temperaturen inden for 2 °C fra sætpunktet med varierende ventilator- og pumpehastighed og giver temperaturovervågning i realtid. Derudover testes væsker, der injiceres med kobberoxid, for at øge varmeledningsevnen, hvilket viser 20 % bedre ydeevne.

Vent, der er mere! Væskekøling er i konstant udvikling ved hjælp af ingeniørvidenskab, der bruger CFD-simuleringer til at optimere finnekonstruktion, strømningshastighed og turbulens, køling og termisk design. Hvis denne teknologiske opgradering fortsætter, kan vi have et kølesystem, der bruger en faseændring af væsken ved den varme grænseflade til at køle CPU'en, som derefter ville kondensere ved radiatoren.

Tips til installation og vedligeholdelse

Installation af væske kræver ekspertise, da det involverer meget følsomme komponenter, herunder vand, som kan beskadige CPU'en, hvis der lækker. Før installationen påbegyndes, skal alle elementer rengøres og CPU'en påføres termisk pasta. Monter vandblokken, og spænd skruerne med et jævnt moment, der kan variere fra 0,6-1 Nm, og bemærk, at skruerne skal spændes i et krydsmønster. Slangen, som væsken strømmer igennem, er også en vigtig komponent. Ved installation skal du sørge for, at slangen er ført i henhold til manualen, og at alle slanger er fastgjort med en klemme. Før du starter, skal du sørge for, at systemet er tilstrækkeligt primet og ikke har luft i sig.

I forbindelse med vedligeholdelse bør du enten søge vejledning fra en ekspert eller få arbejdet udført af en. Nogle af de tips, vi kan dele, omfatter brug af en UV-reaktiv dyse, der lyser under UV-belysning for at detektere lækager, og udførelse af udrensningscyklusser årligt eller efter behov, hvilket fjerner 95 % af luften for at forbedre effektiviteten. Sørg også for at skylle systemet årligt med en eddikeopløsning. Lad opløsningen cirkulere i 30 minutter for at opløse belægningen inde i rør og komponenter, og skyl den derefter.

Fordele i forhold til traditionel luftkøling

Vands specifikke varme er meget bedre end lufts, og det giver naturligt en fordel til kølesystemet, der bruger væske. Hvis en CPU påføres en vedvarende belastning, vil væskekøling holde temperaturen 40 % lavere, end hvis den samme CPU køles med et luftkølet system. Væskesystemer giver bedre køling og er mere støjsvage, fordi pumper producerer mindre støj, vand fungerer som en naturlig dæmper for støj, og ventilatorerne i radiatorer er mere støjsvage. Væskekølesystemer er mindre i størrelse, og de kan nemt justeres i en kompakt ITX-computer, hvilket gør computeren iøjnefaldende med bedre æstetik.

Konklusion

Termodynamik og teknik har transformeret væskekøling og giver bedre CPU-ydeevne med præcist bearbejdede strømningsbaner. Stabile strømningsmønstre ved hjælp af pumper og effektive radiatorer, som handlende bruger til at opvarme omgivelserne, gør det til en pålidelig køleløsning til moderne computere med høj datakapacitet. De tilbyder bedre varmeledningsevne, et mere elegant design, forbedret æstetik og mere støjsvag drift, hvilket gør dem til et bedre valg end luftkøleløsninger og gør varmestyring til en kunst.

For en praktisk implementering af CPU-væskekølere , overvej at besøge ESGAMINGs side om væskekølere . Du finder forskellige designs og kapaciteter til disse kølere, der er lavet af materialer af højeste kvalitet.