Come funziona un sistema di raffreddamento a liquido per CPU? Guida per principianti

Per capire come funziona il raffreddamento a liquido in una CPU, consideriamo il raffreddamento del motore di un'auto. I liquidi hanno un calore specifico più elevato, il che significa che possono dissipare il calore meglio dell'aria. L'auto utilizza l'acqua per assorbire il calore dal motore e rilasciarlo nell'aria tramite un radiatore. I sistemi di raffreddamento a liquido per CPU funzionano allo stesso modo.

Ogni CPU genera calore in quanto componente elettronico, e questo calore viene assorbito da un waterblock in cui circola il liquido di raffreddamento. Questo liquido viene pompato dal waterblock al radiatore, in modo simile a come funziona nelle automobili. La funzione del radiatore è quella di estrarre il calore dal liquido che scorre al suo interno e trasferirlo alle alette del radiatore. Una ventola sposta quindi l'aria fredda sulle alette. Questa configurazione, come mostrato in figura, è particolarmente degna di nota perché il raffreddamento a liquido ha reso più efficiente la rimozione del calore dalle moderne CPU con TDP elevati che sono overcloccate e generano calore significativo.

Capire il calore della CPU: perché il raffreddamento è importante

L'elettricità è il flusso di elettroni attraverso un conduttore. Quando l'elettricità attraversa un conduttore, genera calore a causa della resistenza al flusso di elettroni. Allo stesso modo, quando l'elettricità attraversa la CPU, genera anche calore.

Un microprocessore o una CPU è costituito da miliardi di transistor. Ogni volta che utilizziamo una CPU, questa utilizza questi transistor in una logica computazionale. Questi transistor si caricano e si scaricano, producendo una resistenza elettrica che influenza il flusso di elettroni e genera calore. Le operazioni più intense sulla CPU, come il gaming o il rendering video, generano più calore e richiedono un sistema di raffreddamento per carichi di lavoro così impegnativi.

In questi casi, è preferibile un sistema a liquido a circuito chiuso per CPU per mantenere la temperatura entro i limiti. In caso contrario, la CPU inizierà a subire un throttling termico, compromettendone le prestazioni. In alcuni casi, un raffreddamento molto scarso potrebbe persino danneggiare la CPU o altri componenti interni, come RAM e GPU.

Componenti chiave di un sistema di raffreddamento a liquido

I componenti di base dei componenti liquidi includono

• Blocco dell'acqua
• La pompa
• Il radiatore
• Tubazioni, serbatoi e refrigerante

Il blocco dell'acqua

È il cuore del sistema di raffreddamento a liquido che estrae il calore dalla CPU. Il tipo di waterblock più pregiato è realizzato in rame privo di ossigeno, ad alta conduttività termica. Se il waterblock viene utilizzato con componenti in alluminio, questi waterblock sono realizzati con nichelatura (la maggior parte della base del waterblock è nichelata per evitare l'ossidazione).

Questi blocchi presentano microcanali da 0,5 a 1 mm alla base, che consentono al liquido di fluire e assorbire il calore generato dalla CPU. Per ridurre al minimo lo spazio d'aria tra il blocco e la CPU, viene utilizzata una pasta termica con una conduttività termica superiore a 8-12 W/mK. Per aumentare la conduttività, lo spazio tra il waterblock e la CPU è ridotto al minimo a 0,1 mm, grazie a un robusto meccanismo di montaggio per il waterblock. L'efficienza termica del sistema di raffreddamento dipende in larga misura dal flusso e dal design della matrice di alette. Quando il liquido entra nel blocco, avvia un raffreddamento convettivo con un coefficiente di trasferimento termico di 500-5000 W/m².

La pompa

La pompa del sistema di raffreddamento fa fluire il liquido di raffreddamento attraverso il waterblock e il radiatore, fornendo al fluido la pressione necessaria per superare la resistenza dei tubi. Senza una portata adeguata, anche il sistema più efficiente non funzionerebbe correttamente. Nella maggior parte dei sistemi di raffreddamento, queste pompe funzionano a 12 volt a 2000-4000 giri/min, fornendo una portata di 0,5-1 l/min e una prevalenza sufficienti per il raffreddamento. Nei moderni sistemi di raffreddamento per CPU, queste pompe sono realizzate con precisione per ridurre rumorosità e vibrazioni, e sono dotate di cuscinetti in ceramica per un funzionamento senza attrito. Queste pompe possono variare la loro velocità in base al carico termico.

Il radiatore

Il calore sottratto alla CPU dal liquido viene espulso nell'atmosfera tramite un dispositivo chiamato radiatore e una ventola montata su di esso. I radiatori sono realizzati con un nucleo in alluminio con alette in rame e canali di raffreddamento. Le alette sono previste per garantire una migliore conduzione del calore con un'efficienza di 0,8-0,9. La spaziatura delle alette è un fattore molto importante. Se la densità delle alette (FPI) è elevata, l'area effettiva aumenta. Tuttavia, è necessario un flusso d'aria maggiore a causa della maggiore resistenza al flusso d'aria.

Un FPI inferiore riduce la resistenza al flusso d'aria, ma riduce anche la superficie effettiva. In genere, il liquido proveniente dalla CPU ha una temperatura di 10-20 °C superiore a quella dell'aria ambiente. Entra nel radiatore, dove trasferisce calore alle alette. Una ventola (1000-2000 giri/min) fornisce quindi un flusso d'aria per rimuovere il calore dalle alette.

Tubazioni, serbatoi e refrigerante

I tubi in un sistema di distribuzione di liquidi forniscono un percorso per il trasferimento del liquido da un componente all'altro, ed è realizzato in PVC con un diametro interno di 10 mm e un diametro esterno di 13 mm. Sono inoltre dotati di un supporto intrecciato per evitare deformazioni e rotture in condizioni di lavoro estreme. I tubi non devono presentare curve strette, poiché ciò aumenterebbe la resistenza al flusso e ridurrebbe le prestazioni complessive.

Un serbatoio gestisce il volume di aria e fluido. È realizzato in PVC e fornisce un meccanismo per il riempimento con liquido e lo sfiato delle bolle d'aria nell'atmosfera . In alcuni casi, il serbatoio è parte integrante della pompa, soprattutto in un sistema AIO (All-in-One). Nella maggior parte dei casi, il liquido al suo interno è acqua distillata e glicole al 30%. Vengono inoltre aggiunti alcuni biocidi per prevenire la proliferazione batterica e il glicole per abbassare il punto di congelamento fino a -10 °C. Lo scopo del refrigerante è quello di assorbire il calore dalla CPU e rilasciarlo nel radiatore.

Il ciclo di raffreddamento

Generazione di calore

Durante il funzionamento, soprattutto durante l'esecuzione di attività intense come il gaming o il rendering video, o qualsiasi attività grafica o di calcolo, la CPU genera calore per oltre 300 watt. Questa generazione di calore inizia dal transistor integrato nella CPU e si sposta infine verso il dissipatore di calore integrato, dove è installato un waterblock che dissipa il calore dalla CPU con l'aiuto del liquido che scorre al suo interno. Un processo di conduzione rimuove questo calore perché il waterblock ha una temperatura più alta rispetto al liquido.

Assorbimento

Il liquido all'interno del waterblock assorbe il calore generato dalla CPU mentre scorre attraverso i canali ricavati all'interno del waterblock. Il liquido, scorrendo attraverso il blocco, garantisce che la turbolenza e la conduzione del calore siano progettate per ottenere la massima efficienza in termini di conduttività termica. Quando il fluido fuoriesce dal waterblock, la sua temperatura aumenta.

Circolazione

Nel sistema di raffreddamento a liquido è installata una pompa che trasporta il liquido caldo alla CPU, assicurando che la temperatura non superi un limite specifico. La pompa fornisce un flusso costante di liquido dal waterblock al radiatore, mantenendo la CPU fresca e svolgendo le sue funzioni in modo efficiente. In un sistema moderno, le pompe vengono selezionate per la loro bassissima rumorosità e la minima usura dei componenti, grazie alla loro elevata portata.

Dissipazione

Il liquido riscaldato entra infine nel radiatore, dove viene raffreddato dall'aria proveniente da una ventola installata al suo interno. I radiatori sono realizzati in alluminio con alette in rame. Queste alette aumentano la superficie di contatto con l'aria soffiata dalla ventola, raffreddandole. Quando queste alette si raffreddano, il liquido refrigerante che passa attraverso i tubi si raffredda.

Ritorno

Il liquido ritorna quindi al waterblock dopo essere stato raffreddato dal radiatore. Un altro componente, noto come serbatoio, è installato nel sistema di raffreddamento a liquido. Permette all'acqua di tornare in caso di eccesso e aiuta il sistema a riempirsi quando il livello del liquido si riduce.

Innovazioni ingegneristiche che rendono affascinante il raffreddamento a liquido

Con il progresso tecnologico, abbiamo CPU ad alta velocità da 7 nm che generano più calore. Per risolvere questo problema, utilizziamo un sistema di raffreddamento a liquido, poiché il raffreddamento ad aria non è sufficiente per le CPU che generano calore elevato. L'ingegneria sta ora evolvendo il sistema di raffreddamento a liquido e il suo processo produttivo.

Ora, i blocchi ad acqua sono realizzati con un passaggio di soli 0,2 mm per il flusso del liquido, che crea turbolenza per aumentare il trasferimento di calore fino al 50%. I moderni sistemi a liquido sono inoltre dotati di un controller PID che monitora e controlla la temperatura entro 2 °C dal punto di regolazione, variando la velocità della ventola e della pompa, e fornisce un monitoraggio della temperatura in tempo reale. Inoltre, i liquidi iniettati con ossido di rame sono testati per aumentarne la conduttività termica, con prestazioni migliori del 20%.

Aspetta, c'è di più! Il raffreddamento a liquido è in continua evoluzione grazie all'ingegneria che utilizza simulazioni CFD per ottimizzare la costruzione delle alette, la velocità del flusso e la turbolenza, il raffreddamento e la progettazione termica. Se questo aggiornamento tecnologico continua, potremmo avere un sistema di raffreddamento che utilizza un cambiamento di fase del liquido all'interfaccia calda per raffreddare la CPU, che poi condenserebbe sul radiatore.

Suggerimenti per l'installazione e la manutenzione

L'installazione del liquido richiede competenze specialistiche perché coinvolge componenti molto sensibili, tra cui l'acqua, che può danneggiare la CPU in caso di perdite. Prima di iniziare l'installazione, pulire tutti gli elementi e applicare la pasta termica alla CPU. Montare il waterblock e serrare le viti con una coppia uniforme che può variare da 0,6 a 1 Nm, tenendo presente che le viti devono essere serrate a croce. Anche i tubi attraverso i quali scorrerà il liquido sono un componente importante. Durante l'installazione, assicurarsi che il percorso dei tubi sia conforme alle istruzioni del manuale e che ogni tubo sia fissato con una fascetta. Prima di iniziare, assicurarsi che il sistema sia adeguatamente innescato e che non vi siano bolle d'aria.

Per la manutenzione, valuta la possibilità di chiedere consiglio a un esperto o di far eseguire il lavoro da uno di loro. Alcuni dei suggerimenti che possiamo condividere includono l'utilizzo di un dado reattivo ai raggi UV che si illumina sotto la luce UV per rilevare perdite, l'esecuzione di cicli di spurgo annuali o secondo necessità, che rimuoveranno il 95% dell'aria per migliorare l'efficienza. Inoltre, assicurati di lavare il sistema una volta all'anno con una soluzione di aceto. Fai circolare la soluzione per 30 minuti per sciogliere le incrostazioni all'interno di tubi e componenti, quindi risciacqua.

Vantaggi rispetto al raffreddamento ad aria tradizionale

Il calore specifico dell'acqua è molto migliore di quello dell'aria e conferisce naturalmente un vantaggio al sistema di raffreddamento a liquido. Se si applica un carico prolungato a una CPU, il raffreddamento a liquido manterrà la temperatura inferiore del 40% rispetto a quella di un sistema ad aria. I sistemi a liquido offrono un raffreddamento migliore e sono più silenziosi perché le pompe producono meno rumore, l'acqua agisce come un naturale smorzatore del rumore e le ventole dei radiatori sono più silenziose. I sistemi di raffreddamento a liquido hanno dimensioni più ridotte e possono essere facilmente adattati a un computer ITX compatto, rendendo il computer accattivante e dall'estetica migliore.

Conclusione

La termodinamica e l'ingegneria hanno trasformato il raffreddamento a liquido, offrendo prestazioni migliori per la CPU grazie a percorsi di flusso lavorati con precisione. I modelli di flusso costanti, basati su pompe e radiatori efficienti, utilizzati dai trader per riscaldare l'ambiente circostante, lo rendono una soluzione di raffreddamento affidabile per i moderni computer ad alta potenza. Offrono una migliore conduttività termica, un design più elegante, un'estetica migliorata e un funzionamento più silenzioso, rendendoli una scelta migliore rispetto alle soluzioni di raffreddamento ad aria e rendendo la gestione del calore un'arte.

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