خنک‌کننده مایع پردازنده چگونه کار می‌کند؟ راهنمای مبتدیان
برای درک نحوه عملکرد خنک‌کننده مایع در یک CPU، نحوه خنک شدن موتور در یک ماشین را در نظر بگیرید. مایعات گرمای ویژه بالاتری دارند، به این معنی که می‌توانند گرما را بهتر از هوا دفع کنند. ماشین از آب برای گرفتن گرما از موتور و آزاد کردن آن در هوا با استفاده از رادیاتور استفاده می‌کند. خنک‌کننده‌های مایع CPU نیز به همین روش کار می‌کنند.
هر پردازنده مرکزی به عنوان یک قطعه الکترونیکی، گرما تولید می‌کند و این گرما توسط یک بلوک آبی که مایع خنک‌کننده در آن در گردش است، جذب می‌شود. این مایع از بلوک آبی به رادیاتور پمپ می‌شود، مشابه کاری که در خودروها انجام می‌شود. عملکرد رادیاتور، استخراج گرما از مایع جاری در داخل و انتقال آن به پره‌های رادیاتور است. سپس یک فن، هوای خنک را از روی پره‌ها عبور می‌دهد. این چیدمان، همانطور که در تصویر نشان داده شده است، به ویژه قابل توجه است زیرا خنک‌کننده مایع، حذف گرما از پردازنده‌های مدرن با توان حرارتی بالا که اورکلاک شده‌اند و گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند را کارآمدتر کرده است.
درک گرمای CPU: چرا خنک‌سازی اهمیت دارد؟
الکتریسیته جریان الکترون‌ها از طریق یک رسانا است. وقتی الکتریسیته از هر رسانایی عبور می‌کند، به دلیل مقاومت در برابر جریان الکترون‌ها، گرما تولید می‌کند. به طور مشابه، وقتی الکتریسیته از CPU عبور می‌کند، گرما نیز تولید خواهد کرد.
یک ریزپردازنده یا CPU از میلیاردها ترانزیستور ساخته شده است. هر زمان که از یک CPU استفاده می‌کنیم، از این ترانزیستورها در منطق محاسباتی استفاده خواهد کرد. این ترانزیستورها شارژ و دشارژ می‌شوند و مقاومت الکتریکی ایجاد می‌کنند که بر جریان الکترون تأثیر می‌گذارد و گرما تولید می‌کند. عملیات شدیدتر روی CPU، مانند بازی یا رندر ویدیو، گرمای بیشتری ایجاد می‌کند و برای چنین حجم کاری سنگینی به سیستم خنک‌کننده نیاز دارد.
در چنین مواردی، یک سیستم مایع حلقه بسته برای CPU ترجیح داده می‌شود تا دما را در محدوده مجاز نگه دارد. در غیر این صورت، CPU شروع به کاهش دما می‌کند و بر عملکرد آن تأثیر می‌گذارد. در برخی موارد، اگر خنک‌سازی بسیار ضعیف باشد، حتی ممکن است به CPU یا سایر اجزای داخلی مانند RAM و GPU آسیب برساند.
اجزای کلیدی یک سیستم خنک‌کننده مایع
اجزای اساسی اجزای مایع شامل موارد زیر است
- بلوک آب
- پمپ
- رادیاتور
- لوله، مخزن و مایع خنک‌کننده
بلوک آب
این قلب سیستم خنک‌کننده مایع است که گرما را از CPU استخراج می‌کند. مرغوب‌ترین نوع واتر بلاک‌ها از مس بدون اکسیژن ساخته شده‌اند که رسانایی حرارتی بالایی دارد. اگر واتر بلاک با قطعات آلومینیومی استفاده شود، این واتر بلاک‌ها با آبکاری نیکل ساخته می‌شوند (عمدتاً پایه واتر بلاک برای جلوگیری از اکسیداسیون با نیکل آبکاری می‌شود).
این بلوک‌ها دارای کانال‌های میکرو 0.5 تا 1 میلی‌متری در پایه خود هستند که به مایع اجازه جریان یافتن و جذب گرمای تولید شده توسط CPU را می‌دهند. برای به حداقل رساندن فاصله هوایی بین بلوک و CPU، از یک خمیر حرارتی با رسانایی حرارتی بیش از 8-12W/mK استفاده می‌شود. برای افزایش رسانایی، فاصله بین بلوک آبی و CPU به 0.1 میلی‌متر کاهش می‌یابد که این امر توسط یک مکانیزم نصب قوی برای بلوک آبی تسهیل می‌شود. راندمان حرارتی سیستم خنک‌کننده تا حد زیادی به جریان و طراحی آرایه پره‌ها بستگی دارد. هنگامی که مایع وارد بلوک می‌شود، خنک‌سازی همرفتی را با ضریب انتقال حرارت 500-5000W/m2 آغاز می‌کند.
پمپ
پمپ موجود در سیستم خنک‌کننده، مایع خنک‌کننده را از طریق بلوک آب و رادیاتور جریان می‌دهد و فشار لازم را برای سیال فراهم می‌کند تا بر مقاومت لوله‌ها غلبه کند. بدون جریان مناسب، حتی کارآمدترین سیستم نیز به درستی کار نخواهد کرد. در اکثر سیستم‌های خنک‌کننده، این پمپ‌ها با ولتاژ ۱۲ ولت و سرعت ۲۰۰۰ تا ۴۰۰۰ دور در دقیقه کار می‌کنند و جریان و هد کافی ۰.۵ تا ۱ لیتر در دقیقه را برای انجام خنک‌سازی فراهم می‌کنند. در سیستم‌های خنک‌کننده مدرن برای پردازنده‌ها، این پمپ‌ها با دقت ساخته می‌شوند تا صدا و لرزش کمی داشته باشند و با یاتاقان‌های سرامیکی همراه می‌شوند تا عملکرد بدون اصطکاکی را فراهم کنند. این پمپ‌ها می‌توانند سرعت خود را مطابق با بار حرارتی مورد نیاز تغییر دهند.
رادیاتور
گرمای گرفته شده از CPU توسط مایع، با کمک وسیله‌ای به نام رادیاتور و یک فن نصب شده روی آن، به اتمسفر دفع می‌شود. رادیاتورها با هسته آلومینیومی با پره‌های مسی و کانال‌های خنک‌کننده ساخته می‌شوند. پره‌ها طوری طراحی شده‌اند که انتقال حرارت رسانایی بهتری با راندمان 0.8-0.9 داشته باشند. فاصله پره‌ها عامل بسیار مهمی است. اگر تراکم پره FPI (پره در هر اینچ) زیاد باشد، مساحت مؤثر افزایش می‌یابد. با این حال، به دلیل افزایش مقاومت در برابر جریان هوا، جریان هوای بیشتری مورد نیاز است.
FPI پایین‌تر، مقاومت جریان هوا را کاهش می‌دهد، اما همچنین سطح مؤثر را نیز کاهش می‌دهد. معمولاً مایع خروجی از CPU دمایی ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتیگراد بالاتر از هوای محیط دارد. این مایع وارد رادیاتور می‌شود و در آنجا گرما را به پره‌ها منتقل می‌کند. سپس یک فن (۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ دور در دقیقه) جریان هوا را برای حذف گرما از پره‌ها فراهم می‌کند.
لوله، مخزن و مایع خنک‌کننده
لوله در یک سیستم مایع، مسیری را برای انتقال مایع از یک جزء به جزء دیگر فراهم می‌کند که از PVC با قطر داخلی 10 میلی‌متر و قطر خارجی 13 میلی‌متر ساخته شده است. همچنین دارای تکیه‌گاه بافته شده است تا از تغییر شکل و ترکیدن در شرایط کاری شدید جلوگیری شود. لوله نباید خم‌های تیز داشته باشد، زیرا مقاومت در برابر جریان را افزایش داده و عملکرد کلی را کاهش می‌دهد.
یک مخزن، حجم هوا و سیال را مدیریت می‌کند. این مخزن از PVC ساخته شده و مکانیزمی برای پر کردن با مایع و تخلیه حباب‌های هوا به جو فراهم می‌کند. در برخی موارد، مخزن بخش جدایی‌ناپذیر پمپ است، به خصوص در یک سیستم AIO (همه کاره). در بیشتر موارد، مایع داخل آن آب مقطر و 30٪ گلیکول است. برخی از زیست‌کش‌ها نیز برای جلوگیری از رشد باکتری‌ها اضافه می‌شوند و گلیکول برای کاهش نقطه انجماد تا -10 درجه سانتیگراد اضافه می‌شود. هدف از خنک‌کننده، گرفتن گرما از CPU و آزاد کردن آن در رادیاتور است.
چرخه خنک‌کننده
تولید گرما
در حین کار، به خصوص هنگام انجام وظایف سنگین مانند بازی یا رندر ویدیو، یا هرگونه کار گرافیکی یا محاسباتی، CPU بیش از 300 وات گرما تولید می‌کند. این تولید گرما از ترانزیستور داخلی CPU شروع می‌شود و در نهایت به پخش‌کننده گرمای یکپارچه منتقل می‌شود، جایی که یک بلوک آب نصب شده است تا گرما را از CPU با کمک مایعی که درون آن جریان دارد، بگیرد. یک فرآیند رسانش این گرما را از بین می‌برد زیرا بلوک آب در دمای بالاتری نسبت به مایع قرار دارد.
جذب
مایع درون بلوک آبی، گرمای تولید شده توسط CPU را هنگام جریان یافتن از طریق کانال‌های ساخته شده در داخل بلوک آبی جذب می‌کند. این مایع، هنگام جریان یافتن از طریق بلوک، تضمین می‌کند که تلاطم و هدایت گرما به گونه‌ای طراحی شده است که از نظر رسانایی حرارتی حداکثر راندمان را داشته باشد. هنگامی که مایع از بلوک آبی خارج می‌شود، دمای آن افزایش یافته است.
گردش خون
یک پمپ در سیستم خنک‌کننده مایع برای CPU نصب شده است تا مایع گرم شده را منتقل کند و اطمینان حاصل شود که دما از حد مشخصی تجاوز نمی‌کند. پمپ جریان ثابتی از مایع را از بلوک آب به رادیاتور فراهم می‌کند و CPU را خنک نگه می‌دارد و وظایف خود را به طور مؤثر انجام می‌دهد. در یک سیستم مدرن، پمپ‌ها به دلیل صدای بسیار کم و حداقل سایش قطعات، به لطف سرعت جریان بالای آنها، انتخاب می‌شوند.
اتلاف
مایع گرم شده در نهایت وارد رادیاتور می‌شود، جایی که توسط هوایی که از یک فن نصب شده در رادیاتور می‌آید، خنک می‌شود. رادیاتورها از آلومینیوم با پره‌های مسی ساخته شده‌اند. این پره‌ها با دمیدن هوا توسط فن، سطح تماس را افزایش می‌دهند و در این فرآیند آنها را خنک می‌کنند. وقتی این پره‌ها خنک می‌شوند، مایع خنک‌کننده‌ای که از لوله‌ها عبور می‌کند، خنک می‌شود.
بازگشت
سپس مایع پس از خنک شدن توسط رادیاتور، به بلوک آب برمی‌گردد. قطعه دیگری به نام مخزن در سیستم خنک‌کننده مایع نصب شده است. این قطعه در صورت وجود مقدار اضافی آب، به آن اجازه بازگشت می‌دهد و در صورت کاهش سطح مایع، به پر شدن مجدد سیستم کمک می‌کند.
نوآوری‌های مهندسی که خنک‌کننده‌های مایع را جذاب می‌کنند
با پیشرفت فناوری، ما پردازنده‌های پرسرعت ۷ نانومتری داریم که گرمای بیشتری تولید می‌کنند. برای حل این مشکل، از سیستم خنک‌کننده مایع استفاده می‌کنیم، زیرا خنک‌کننده هوا برای پردازنده‌هایی که گرمای زیادی تولید می‌کنند، کافی نیست. مهندسی اکنون در حال تکامل سیستم خنک‌کننده مایع و فرآیند تولید آن است.
اکنون، بلوک‌های آبی با یک گذرگاه باریک 0.2 میلی‌متری برای جریان مایع ساخته می‌شوند که باعث ایجاد تلاطم می‌شود تا انتقال حرارت را تا 50٪ افزایش دهد. بلوک‌های مایع مدرن همچنین دارای یک کنترل‌کننده PID هستند که دما را در محدوده 2 درجه سانتیگراد از نقطه تنظیم شده با سرعت‌های مختلف فن و پمپ کنترل و نظارت می‌کند و امکان نظارت بر دما را در زمان واقعی فراهم می‌کند. علاوه بر این، مایعات تزریق شده با اکسید مس برای افزایش رسانایی حرارتی آزمایش می‌شوند که 20٪ عملکرد بهتری را نشان می‌دهد.
صبر کنید، چیزهای بیشتری هم هست! خنک‌کننده مایع با کمک مهندسی و با استفاده از شبیه‌سازی‌های CFD برای بهینه‌سازی ساختار پره‌ها، سرعت جریان و تلاطم، خنک‌سازی و طراحی حرارتی، به طور مداوم در حال تکامل است. اگر این ارتقاء فناوری ادامه یابد، می‌توانیم یک سیستم خنک‌کننده داشته باشیم که از تغییر فاز مایع در سطح داغ برای خنک کردن CPU استفاده می‌کند، که سپس در رادیاتور متراکم می‌شود.
نکات نصب و نگهداری
نصب مایع نیاز به مهارت‌های تخصصی دارد زیرا شامل اجزای بسیار حساسی از جمله آب است که در صورت نشت می‌تواند به CPU آسیب برساند. قبل از شروع نصب، تمام عناصر را تمیز کرده و خمیر حرارتی را روی CPU بمالید. بلوک آب را نصب کنید و پیچ‌ها را با گشتاور یکنواخت که می‌تواند از 0.6 تا 1 نیوتن متر متغیر باشد، محکم کنید و توجه داشته باشید که پیچ‌ها باید به صورت ضربدری سفت شوند. لوله‌ای که مایع از طریق آن جریان می‌یابد نیز یک جزء مهم است. هنگام نصب آن، مطمئن شوید که لوله طبق دفترچه راهنما قرار گرفته و هر شلنگ با گیره محکم شده است. قبل از شروع، مطمئن شوید که سیستم به اندازه کافی پر شده است و هیچ هوایی در آن محبوس نشده است.
برای تعمیر و نگهداری، می‌توانید از یک متخصص راهنمایی بگیرید یا کار را به یک متخصص بسپارید. برخی از نکاتی که می‌توانیم به اشتراک بگذاریم شامل استفاده از یک قالب واکنش‌پذیر با اشعه ماوراء بنفش است که زیر نور UV می‌درخشد تا نشتی را تشخیص دهد، انجام چرخه‌های پاکسازی سالانه یا در صورت نیاز، که 95٪ هوا را برای بهبود راندمان حذف می‌کند. همچنین، مطمئن شوید که سیستم را سالانه با محلول سرکه شستشو می‌دهید. محلول را به مدت 30 دقیقه در گردش قرار دهید تا رسوبات داخل لوله‌ها و اجزا حل شوند و سپس آن را بشویید.
مزایای خنک‌کننده هوا نسبت به روش‌های سنتی
گرمای ویژه آب بسیار بهتر از هوا است و طبیعتاً به سیستم خنک‌کننده‌ای که از مایع استفاده می‌کند، برتری می‌دهد. اگر بار پایدار به CPU اعمال شود، خنک‌کننده مایع دما را ۴۰٪ پایین‌تر از زمانی که همان CPU با سیستم خنک‌کننده هوا خنک می‌شود، نگه می‌دارد. سیستم‌های مایع خنک‌کننده بهتری ارائه می‌دهند و بی‌صداتر هستند زیرا پمپ‌ها صدای کمتری تولید می‌کنند، آب به عنوان یک میراگر طبیعی برای صدا عمل می‌کند و فن‌های رادیاتور بی‌صداتر هستند. سیستم‌های خنک‌کننده مایع از نظر اندازه کوچکتر هستند و می‌توان آنها را به راحتی در یک کامپیوتر جمع‌وجور ITX تنظیم کرد و کامپیوتر را با زیبایی‌شناسی بهتر، چشم‌نوازتر کرد.
نتیجه‌گیری
ترمودینامیک و مهندسی، خنک‌کننده‌های مایع را متحول کرده‌اند و با مسیرهای جریان دقیق ماشینکاری‌شده، عملکرد بهتری برای پردازنده فراهم می‌کنند. الگوهای جریان پایدار با استفاده از پمپ‌ها و رادیاتورهای کارآمد که معامله‌گران برای گرم کردن محیط اطراف استفاده می‌کنند، آن را به یک راه‌حل خنک‌کننده قابل اعتماد برای رایانه‌های محاسباتی مدرن تبدیل می‌کند. آنها رسانایی حرارتی بهتر، طراحی شیک‌تر، زیبایی‌شناسی بهبود یافته و عملکرد بی‌صداتری ارائه می‌دهند که آنها را به انتخابی برتر نسبت به راه‌حل‌های خنک‌کننده هوا تبدیل می‌کند و مدیریت گرما را به یک هنر تبدیل می‌کند.
برای پیاده‌سازی عملی خنک‌کننده‌های مایع پردازنده ، به صفحه خنک‌کننده مایع ESGAMING مراجعه کنید . طرح‌ها و ظرفیت‌های مختلفی برای این خنک‌کننده‌ها که با بالاترین کیفیت مواد ساخته شده‌اند، پیدا خواهید کرد.