Πώς λειτουργεί μια ψύκτρα υγρού CPU; Ένας οδηγός για αρχάριους

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί η υγρή ψύξη σε μια CPU, σκεφτείτε πώς ψύχεται ένας κινητήρας σε ένα αυτοκίνητο. Τα υγρά έχουν υψηλότερη ειδική θερμότητα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να απομακρύνουν θερμότητα καλύτερα από τον αέρα. Το αυτοκίνητο χρησιμοποιεί νερό για να πάρει θερμότητα από τον κινητήρα και να την απελευθερώσει στον αέρα χρησιμοποιώντας ένα ψυγείο. Τα υγρά ψυγεία CPU λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο.

Κάθε CPU παράγει θερμότητα καθώς είναι ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα, και αυτή η θερμότητα απορροφάται από ένα μπλοκ νερού όπου κυκλοφορεί υγρό ψυκτικό. Αυτό το υγρό αντλείται από το μπλοκ νερού στο ψυγείο, παρόμοια με τον τρόπο που λειτουργεί στα αυτοκίνητα. Η λειτουργία του ψυγείου είναι να εξάγει θερμότητα από το υγρό που ρέει στο εσωτερικό και να τη μεταφέρει στα πτερύγια του ψυγείου. Στη συνέχεια, ένας ανεμιστήρας μετακινεί δροσερό αέρα πάνω από τα πτερύγια. Αυτή η ρύθμιση, όπως φαίνεται στην εικόνα, είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη επειδή η υγρή ψύξη έχει καταστήσει πιο αποτελεσματική την αφαίρεση θερμότητας από τις σύγχρονες CPU με υψηλά TDP που είναι υπερχρονισμένες και παράγουν σημαντική θερμότητα.

Κατανόηση της θερμότητας της CPU: Γιατί έχει σημασία η ψύξη

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ροή ηλεκτρονίων μέσω ενός αγωγού. Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από οποιονδήποτε αγωγό, παράγει θερμότητα λόγω της αντίστασης στη ροή των ηλεκτρονίων. Ομοίως, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από την CPU, παράγει επίσης θερμότητα.

Ένας μικροεπεξεργαστής ή CPU αποτελείται από δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Κάθε φορά που χρησιμοποιούμε μια CPU, αυτή χρησιμοποιεί αυτά τα τρανζίστορ σε μια υπολογιστική λογική. Αυτά τα τρανζίστορ φορτίζουν και εκφορτίζονται, παράγοντας μια ηλεκτρική αντίσταση που επηρεάζει τη ροή ηλεκτρονίων και παράγει θερμότητα. Οι πιο έντονες λειτουργίες στην CPU, όπως τα παιχνίδια ή η απόδοση βίντεο, θα δημιουργήσουν περισσότερη θερμότητα και θα απαιτήσουν ένα σύστημα ψύξης για τόσο απαιτητικά φόρτα εργασίας.

Σε τέτοιες περιπτώσεις, προτιμάται ένα σύστημα υγρών κλειστού βρόχου CPU για να διατηρείται η θερμοκρασία εντός ορίων. Διαφορετικά, η CPU θα ξεκινήσει θερμικό στραγγαλισμό, επηρεάζοντας την απόδοσή της. Σε ορισμένες περιπτώσεις, εάν η ψύξη είναι πολύ κακή, μπορεί ακόμη και να προκαλέσει ζημιά στην CPU ή σε άλλα εσωτερικά εξαρτήματα, όπως η μνήμη RAM και η GPU.

Βασικά στοιχεία ενός συστήματος υγρής ψύξης

Τα βασικά συστατικά των υγρών συστατικών περιλαμβάνουν

• Μπλοκ νερού
• Η αντλία
• Το καλοριφέρ
• Σωλήνωση, Δεξαμενή και Ψυκτικό

Το Μπλοκ Νερού

Είναι η καρδιά του συστήματος υγρής ψύξης που εξάγει θερμότητα από την CPU. Ο πιο premium τύπος μπλοκ νερού είναι κατασκευασμένος από χαλκό χωρίς οξυγόνο που έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Εάν το μπλοκ νερού χρησιμοποιείται με εξαρτήματα αλουμινίου, αυτά τα μπλοκ νερού είναι κατασκευασμένα με επινικέλωση (ως επί το πλείστον η βάση του μπλοκ νερού είναι επινικελωμένη για να αποφευχθεί η οξείδωση).

Αυτά τα μπλοκ διαθέτουν μικροκανάλια 0,5 έως 1 mm στη βάση τους, επιτρέποντας τη ροή του υγρού και την απορρόφηση της θερμότητας που παράγεται από την CPU. Για την ελαχιστοποίηση του κενού αέρα μεταξύ του μπλοκ και της CPU, χρησιμοποιείται θερμική πάστα με θερμική αγωγιμότητα άνω των 8-12W/mK. Για την αύξηση της αγωγιμότητας, το κενό μεταξύ του μπλοκ νερού και της CPU ελαχιστοποιείται στα 0,1 mm, κάτι που διευκολύνεται από έναν στιβαρό μηχανισμό στήριξης για το μπλοκ νερού. Η θερμική απόδοση του συστήματος ψύξης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη ροή και τον σχεδιασμό της διάταξης πτερυγίων. Όταν το υγρό εισέρχεται στο μπλοκ, ξεκινά την ψύξη με συναγωγή με συντελεστή μεταφοράς θερμότητας 500-5000W/m2.

Η αντλία

Η αντλία στο σύστημα ψύξης κάνει το ψυκτικό να ρέει μέσα από το μπλοκ νερού και το ψυγείο, παρέχοντας την πίεση στο υγρό για να ξεπεράσει την αντίσταση των σωληνώσεων. Χωρίς κατάλληλη ροή, ακόμη και το πιο αποτελεσματικό σύστημα δεν θα λειτουργούσε σωστά. Στα περισσότερα συστήματα ψύξης, αυτές οι αντλίες λειτουργούν στα 12 βολτ στις 2000-4000 σ.α.λ., παρέχοντας αρκετή ροή 0,5-1 l/min και μανομετρικό για να εκτελέσουν την ψύξη. Στα σύγχρονα συστήματα ψύξης για CPU, αυτές οι αντλίες κατασκευάζονται με ακρίβεια για να έχουν χαμηλό θόρυβο και κραδασμούς, σε συνδυασμό με κεραμικά ρουλεμάν για να παρέχουν λειτουργία χωρίς τριβή. Αυτές οι αντλίες μπορούν να αλλάζουν την ταχύτητά τους ανάλογα με τις απαιτήσεις του θερμικού φορτίου.

Το καλοριφέρ

Η θερμότητα που λαμβάνεται από την CPU από το υγρό απορρίπτεται στην ατμόσφαιρα με τη βοήθεια μιας συσκευής που ονομάζεται ψυγείο και ενός ανεμιστήρα που είναι τοποθετημένος σε αυτήν. Τα ψυγείου είναι κατασκευασμένα με πυρήνα αλουμινίου με χάλκινα πτερύγια και κανάλια ψυκτικού. Τα πτερύγια παρέχονται για καλύτερη αγώγιμη μεταφορά θερμότητας με απόδοση 0,8-0,9. Η απόσταση μεταξύ των πτερυγίων είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας. Εάν η πυκνότητα των πτερυγίων FPI (Πτερύγια ανά ίντσα) είναι υψηλή, η ενεργός επιφάνεια θα αυξηθεί. Ωστόσο, απαιτείται μεγαλύτερη ροή αέρα λόγω της αυξημένης αντίστασης στη ροή του αέρα.

Ο χαμηλότερος FPI μειώνει την αντίσταση στη ροή του αέρα, αλλά μειώνει επίσης την ενεργό επιφάνεια. Συνήθως, το υγρό από την CPU έχει θερμοκρασία 10-20 °C υψηλότερη από τον αέρα περιβάλλοντος. Εισέρχεται στο ψυγείο, όπου μεταφέρει θερμότητα στα πτερύγια. Ένας ανεμιστήρας (1000-2000 στροφές/λεπτό) παρέχει στη συνέχεια ροή αέρα για την απομάκρυνση της θερμότητας από τα πτερύγια.

Σωλήνωση, Δεξαμενή και Ψυκτικό

Οι σωλήνες σε ένα σύστημα υγρών παρέχουν μια διαδρομή για τη μεταφορά υγρού από το ένα εξάρτημα στο άλλο, κατασκευασμένοι από PVC με εσωτερική διάμετρο 10 mm και εξωτερική διάμετρο 13 mm. Παρέχονται επίσης με πλεγμένη στήριξη για την αποφυγή παραμόρφωσης και θραύσης υπό ακραίες συνθήκες εργασίας. Οι σωλήνες δεν πρέπει να έχουν αιχμηρές καμπύλες, καθώς αυτό θα αυξήσει την αντίσταση ροής και θα μειώσει τη συνολική απόδοση.

Μια δεξαμενή διαχειρίζεται τον όγκο αέρα και υγρού. Είναι κατασκευασμένη από PVC και παρέχει έναν μηχανισμό για την πλήρωση με υγρό και την εξαέρωση φυσαλίδων αέρα στην ατμόσφαιρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η δεξαμενή αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της αντλίας, ειδικά σε ένα σύστημα AIO (All-in-One). Στις περισσότερες περιπτώσεις, το υγρό στο εσωτερικό είναι απεσταγμένο νερό και 30% γλυκόλη. Προστίθενται επίσης ορισμένα βιοκτόνα για την πρόληψη της ανάπτυξης βακτηρίων, και προστίθεται γλυκόλη για να μειωθεί το σημείο πήξης σε -10 °C. Ο σκοπός του ψυκτικού υγρού είναι να απορροφά θερμότητα από την CPU και να την απελευθερώνει στο ψυγείο.

Ο κύκλος ψύξης

Παραγωγή θερμότητας

Κατά τη λειτουργία, ειδικά κατά την εκτέλεση έντονων εργασιών όπως παιχνίδια ή απόδοση βίντεο, ή οποιαδήποτε γραφική ή υπολογιστική εργασία, η CPU παράγει θερμότητα άνω των 300 watt. Αυτή η παραγωγή θερμότητας ξεκινά από το τρανζίστορ που είναι ενσωματωμένο στο εσωτερικό της CPU και τελικά μεταφέρεται στον ενσωματωμένο διανομέα θερμότητας, όπου εγκαθίσταται ένα μπλοκ νερού για να απορροφά τη θερμότητα από την CPU με τη βοήθεια υγρού που ρέει στο εσωτερικό του. Μια διαδικασία αγωγιμότητας αφαιρεί αυτή τη θερμότητα επειδή το μπλοκ νερού βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία από το υγρό.

Απορρόφηση

Το υγρό μέσα στο μπλοκ νερού απορροφά τη θερμότητα που παράγεται από την CPU καθώς ρέει μέσα από τα κανάλια που έχουν κατασκευαστεί μέσα στο μπλοκ νερού. Το υγρό, ενώ ρέει μέσα από το μπλοκ, διασφαλίζει ότι η αναταραχή και η αγωγιμότητα της θερμότητας έχουν σχεδιαστεί για να έχουν μέγιστη απόδοση όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα. Όταν το υγρό ρέει έξω από το μπλοκ νερού, η θερμοκρασία του έχει αυξηθεί.

Κυκλοφορία

Στο σύστημα ψύξης υγρού της CPU εγκαθίσταται μια αντλία για τη μετάδοση του θερμαινόμενου υγρού, διασφαλίζοντας ότι η θερμοκρασία δεν υπερβαίνει ένα συγκεκριμένο όριο. Η αντλία παρέχει σταθερή ροή υγρού από το μπλοκ νερού στο ψυγείο, διατηρώντας την CPU δροσερή και εκτελώντας αποτελεσματικά τις εργασίες της. Σε ένα σύγχρονο σύστημα, οι αντλίες επιλέγονται για τον πολύ χαμηλό θόρυβο και την ελάχιστη φθορά των εξαρτημάτων, χάρη στον υψηλό ρυθμό ροής τους.

Διάλυση

Το θερμαινόμενο υγρό εισέρχεται τελικά στο ψυγείο, όπου ψύχεται με αέρα από έναν ανεμιστήρα που είναι εγκατεστημένος στο ψυγείο. Τα ψυγείου είναι κατασκευασμένα από αλουμίνιο με χάλκινα πτερύγια. Αυτά τα πτερύγια αυξάνουν την επιφάνεια καθώς ο ανεμιστήρας φυσάει αέρα, ψύχοντάς τα κατά τη διαδικασία. Όταν αυτά τα πτερύγια ψύχονται, το ψυκτικό μέσο που διέρχεται από τους σωλήνες ψύχεται.

Απόδοση

Το υγρό επιστρέφει στη συνέχεια στο μπλοκ νερού αφού ψυχθεί από το ψυγείο. Ένα άλλο κομμάτι εξοπλισμού, γνωστό ως δεξαμενή, είναι εγκατεστημένο στο σύστημα ψύξης υγρού. Επιτρέπει την επιστροφή του νερού σε περίπτωση πλεονάζουσας ποσότητας και βοηθά το σύστημα να ξαναγεμίσει όταν η στάθμη του υγρού μειωθεί.

Καινοτομίες Μηχανικής που Κάνουν την Υγρή Ψύξη Συναρπαστική

Με την πρόοδο της τεχνολογίας, διαθέτουμε CPU υψηλής ταχύτητας 7nm που παράγουν περισσότερη θερμότητα. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποιούμε σύστημα υγρής ψύξης, καθώς η ψύξη με αέρα δεν επαρκεί για CPU που παράγουν υψηλή θερμότητα. Η μηχανική εξελίσσει πλέον το σύστημα υγρής ψύξης και τη διαδικασία κατασκευής του.

Τώρα, τα μπλοκ νερού κατασκευάζονται με στενό πέρασμα 0,2 mm για ροή υγρού, το οποίο δημιουργεί αναταραχή για την αύξηση της μεταφοράς θερμότητας έως και 50%. Τα σύγχρονα υγρά διαθέτουν επίσης έναν ελεγκτή PID που παρακολουθεί και ελέγχει τη θερμοκρασία εντός 2 °C από το σημείο ρύθμισης με μεταβαλλόμενη ταχύτητα ανεμιστήρα και αντλίας και παρέχει παρακολούθηση θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, τα υγρά που εγχέονται με οξείδιο του χαλκού δοκιμάζονται για την αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας, η οποία δείχνει 20% καλύτερη απόδοση.

Περιμένετε, υπάρχουν περισσότερα! Η υγρή ψύξη εξελίσσεται συνεχώς με τη βοήθεια της μηχανικής που χρησιμοποιεί προσομοιώσεις CFD για τη βελτιστοποίηση της κατασκευής των πτερυγίων, της ταχύτητας ροής και των αναταράξεων, της ψύξης και του θερμικού σχεδιασμού. Εάν συνεχιστεί αυτή η αναβάθμιση της τεχνολογίας, θα μπορούσαμε να έχουμε ένα σύστημα ψύξης που χρησιμοποιεί αλλαγή φάσης υγρού στη θερμή διεπαφή για την ψύξη της CPU, η οποία στη συνέχεια θα συμπυκνώνεται στο ψυγείο.

Συμβουλές εγκατάστασης και συντήρησης

Η εγκατάσταση υγρού απαιτεί εξειδικευμένες δεξιότητες, επειδή περιλαμβάνει πολύ ευαίσθητα εξαρτήματα, συμπεριλαμβανομένου του νερού, το οποίο μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην CPU σε περίπτωση διαρροής. Πριν ξεκινήσετε την εγκατάσταση, καθαρίστε όλα τα στοιχεία και εφαρμόστε θερμική πάστα στην CPU. Τοποθετήστε το μπλοκ νερού και σφίξτε τις βίδες με ομοιόμορφη ροπή που μπορεί να κυμαίνεται από 0,6-1Nm, και σημειώστε ότι οι βίδες πρέπει να σφίγγονται σε σταυρωτό μοτίβο. Ο σωλήνας μέσω του οποίου θα ρέει το υγρό είναι επίσης ένα σημαντικό εξάρτημα. Κατά την εγκατάσταση, βεβαιωθείτε ότι ο σωλήνας έχει δρομολογηθεί σύμφωνα με το εγχειρίδιο και ότι κάθε σωλήνας είναι ασφαλισμένος με σφιγκτήρα. Πριν ξεκινήσετε, βεβαιωθείτε ότι το σύστημα είναι επαρκώς προετοιμασμένο και δεν έχει παγιδευμένο αέρα.

Για τη συντήρηση, σκεφτείτε είτε να ζητήσετε καθοδήγηση από έναν ειδικό είτε να αναθέσετε την εργασία σε έναν ειδικό. Μερικές από τις συμβουλές που μπορούμε να μοιραστούμε περιλαμβάνουν τη χρήση μιας μήτρας που αντιδρά στην υπεριώδη ακτινοβολία και ανάβει υπό υπεριώδη ακτινοβολία για την ανίχνευση διαρροών, την εκτέλεση κύκλων καθαρισμού ετησίως ή ανάλογα με τις ανάγκες, οι οποίοι θα αφαιρέσουν το 95% του αέρα για βελτίωση της απόδοσης. Επίσης, φροντίστε να ξεπλένετε το σύστημα ετησίως με διάλυμα ξιδιού. Κυκλοφορήστε το διάλυμα για 30 λεπτά για να διαλύσετε τα άλατα μέσα στους σωλήνες και τα εξαρτήματα και στη συνέχεια ξεπλύνετε το.

Πλεονεκτήματα έναντι της παραδοσιακής ψύξης αέρα

Η ειδική θερμότητα του νερού είναι πολύ καλύτερη από αυτή του αέρα και φυσικά δίνει ένα πλεονέκτημα στο σύστημα ψύξης που χρησιμοποιεί υγρό. Εάν εφαρμοστεί παρατεταμένο φορτίο σε μια CPU, η υγρή ψύξη θα διατηρήσει τη θερμοκρασία 40% χαμηλότερη από ό,τι αν η ίδια CPU ψύχεται με ένα αερόψυκτο σύστημα. Τα υγρά συστήματα παρέχουν καλύτερη ψύξη και είναι πιο αθόρυβα επειδή οι αντλίες παράγουν λιγότερο θόρυβο, το νερό λειτουργεί ως φυσικός αποσβεστήρας θορύβου και οι ανεμιστήρες στα καλοριφέρ είναι πιο αθόρυβοι. Τα υγρά συστήματα ψύξης είναι μικρότερα σε μέγεθος και μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν σε έναν συμπαγή υπολογιστή ITX, καθιστώντας τον υπολογιστή εντυπωσιακό με καλύτερη αισθητική.

Σύναψη

Η θερμοδυναμική και η μηχανική έχουν μεταμορφώσει την υγρή ψύξη, παρέχοντας καλύτερη απόδοση CPU με ακριβείς μηχανικές διαδρομές ροής. Σταθερά μοτίβα ροής που χρησιμοποιούν αντλίες και αποδοτικά θερμαντικά σώματα που χρησιμοποιούν οι τεχνικοί για τη θέρμανση του περιβάλλοντος χώρου, καθιστώντας την μια αξιόπιστη λύση ψύξης για σύγχρονους υπολογιστές υψηλής υπολογιστικής ισχύος. Προσφέρουν καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, πιο κομψό σχεδιασμό, βελτιωμένη αισθητική και πιο αθόρυβη λειτουργία, καθιστώντας την μια ανώτερη επιλογή έναντι των λύσεων ψύξης αέρα και καθιστώντας τη διαχείριση θερμότητας τέχνη.

Για μια πρακτική εφαρμογή των ψυκτρών υγρού CPU , επισκεφθείτε τη σελίδα ψυκτρών υγρού ESGAMING . Θα βρείτε διάφορα σχέδια και χωρητικότητες για αυτές τις ψύκτρες κατασκευασμένες με υλικά υψηλότερης ποιότητας.