Hoe werkt een CPU-vloeistofkoeler? Een beginnersgids

Om te begrijpen hoe vloeistofkoeling in een CPU werkt, moet je je eens voorstellen hoe een motor in een auto wordt gekoeld. Vloeistoffen hebben een hogere soortelijke warmte, wat betekent dat ze warmte beter kunnen afvoeren dan lucht. De auto gebruikt water om warmte van de motor op te nemen en via een radiator aan de lucht af te geven. CPU-vloeistofkoelers werken op dezelfde manier.

Elke CPU genereert warmte omdat het een elektronisch onderdeel is. Deze warmte wordt geabsorbeerd door een waterblok waar koelvloeistof in circuleert. Deze vloeistof wordt vanuit het waterblok naar de radiator gepompt, vergelijkbaar met hoe het in auto's werkt. De radiator heeft als functie om warmte te onttrekken aan de vloeistof die erin stroomt en deze over te brengen naar de koelribben van de radiator. Een ventilator blaast vervolgens koele lucht over de koelribben. Deze opstelling, zoals te zien is op de afbeelding, is bijzonder omdat vloeistofkoeling de warmteafvoer van moderne CPU's met een hoge TDP die overgeklokt zijn en veel warmte genereren, efficiënter heeft gemaakt.

CPU-warmte begrijpen : waarom koeling belangrijk is

Elektriciteit is de stroom van elektronen door een geleider. Wanneer elektriciteit door een geleider stroomt, genereert het warmte vanwege de weerstand die de elektronenstroom biedt. Evenzo genereert elektriciteit die door de CPU stroomt, ook warmte.

Een microprocessor of CPU bestaat uit miljarden transistoren. Wanneer we een CPU gebruiken, gebruikt deze deze transistoren in een computationele logica. Deze transistoren laden en ontladen, waardoor een elektrische weerstand ontstaat die de elektronenstroom beïnvloedt en warmte genereert. Intensievere CPU-bewerkingen, zoals gamen of videorendering, genereren meer warmte en vereisen een koelsysteem voor dergelijke veeleisende taken.

In dergelijke gevallen verdient een gesloten CPU-vloeistofcircuit de voorkeur om de temperatuur binnen de perken te houden. Anders zal de CPU thermisch vertragen, wat de prestaties beïnvloedt. In sommige gevallen kan een zeer slechte koeling zelfs schade aan de CPU of andere interne componenten, zoals RAM en GPU, veroorzaken.

Belangrijkste componenten van een vloeistofkoelsysteem

Basiscomponenten van vloeibare componenten omvatten:

• Waterblok
• De pomp
• De radiator
• Slangen, reservoir en koelmiddel

Het waterblok

Het is het hart van het vloeistofkoelsysteem dat warmte aan de CPU onttrekt. De meest hoogwaardige waterblokken zijn gemaakt van zuurstofvrij koper, dat een hoge thermische geleidbaarheid heeft. Als het waterblok wordt gebruikt met aluminium onderdelen, zijn deze waterblokken voorzien van nikkel (meestal is de basis van het waterblok vernikkeld om oxidatie te voorkomen).

Deze blokken zijn voorzien van microkanalen van 0,5 tot 1 mm in de basis, waardoor vloeistof kan stromen en de door de CPU gegenereerde warmte kan absorberen. Om de luchtspleet tussen het blok en de CPU te minimaliseren, wordt een koelpasta met een thermische geleidbaarheid van meer dan 8-12 W/mK gebruikt. Om de geleidbaarheid te verhogen, wordt de spleet tussen het waterblok en de CPU geminimaliseerd tot 0,1 mm, mogelijk gemaakt door een robuust montagemechanisme voor het waterblok. De thermische efficiëntie van het koelsysteem hangt grotendeels af van de stroming en het ontwerp van de vin-array. Wanneer vloeistof het blok binnendringt, start de convectieve koeling met een warmteoverdrachtscoëfficiënt van 500-5000 W/m².

De pomp

De pomp in het koelsysteem zorgt ervoor dat de koelvloeistof door het waterblok en de radiator stroomt, waardoor de vloeistof onder druk komt te staan ​​om de weerstand van de slangen te overwinnen. Zonder een geschikte stroming zou zelfs het meest efficiënte systeem niet goed werken. In de meeste koelsystemen werken deze pompen op 12 volt bij 2000-4000 tpm, wat voldoende debiet van 0,5-1 l/min en opvoerhoogte levert om de koeling te verzorgen. In moderne koelsystemen voor CPU's zijn deze pompen met precisie ontworpen om geluids- en trillingsarm te zijn, gecombineerd met keramische lagers voor een wrijvingsloze werking. Deze pompen kunnen hun snelheid aanpassen aan de warmtebelasting.

De radiator

De warmte die de vloeistof aan de CPU onttrekt, wordt via een radiator en een daarop gemonteerde ventilator aan de atmosfeer afgegeven. Radiatoren bestaan ​​uit een aluminium kern met koperen vinnen en koelkanalen. Vinnen zorgen voor een betere warmtegeleiding met een rendement van 0,8-0,9. De afstand tussen de vinnen is een zeer belangrijke factor. Als de vindichtheid FPI (vinnen per inch) hoog is, neemt het effectieve oppervlak toe. Vanwege de verhoogde luchtweerstand is echter een hogere luchtstroom vereist.

Een lagere FPI vermindert de luchtweerstand, maar verkleint ook het effectieve oppervlak. De vloeistof uit de CPU heeft doorgaans een temperatuur die 10-20 °C hoger is dan die van de omgevingslucht. Deze vloeistof stroomt de radiator in en draagt ​​warmte over aan de vinnen. Een ventilator (1000-2000 tpm) zorgt vervolgens voor luchtstroom om warmte van de vinnen af ​​te voeren.

Slangen, reservoir en koelmiddel

Slangen in een vloeistofsysteem vormen een pad voor de vloeistofoverdracht van het ene component naar het andere. Ze zijn gemaakt van PVC met een binnendiameter van 10 mm en een buitendiameter van 13 mm. Ze zijn tevens voorzien van een gevlochten ondersteuning om vervorming en barsten onder extreme werkomstandigheden te voorkomen. Slangen mogen geen scherpe bochten hebben, aangezien dit de stromingsweerstand verhoogt en de algehele prestaties vermindert.

Een reservoir regelt het lucht- en vloeistofvolume. Het is gemaakt van PVC en biedt een mechanisme voor het vullen met vloeistof en het afvoeren van luchtbellen naar de atmosfeer. In sommige gevallen is het reservoir een integraal onderdeel van de pomp, met name in een AIO (All-in-One) systeem. In de meeste gevallen bestaat de vloeistof erin uit gedestilleerd water en 30% glycol. Er worden ook biociden toegevoegd om bacteriegroei te voorkomen en glycol om het vriespunt te verlagen tot wel -10 °C. Het doel van de koelvloeistof is om warmte van de CPU op te nemen en af ​​te geven aan de radiator.

De koelcyclus

Warmteopwekking

Tijdens gebruik, met name bij intensieve taken zoals gamen, videorendering of grafisch of rekenwerk, genereert de CPU warmte van meer dan 300 watt. Deze warmteontwikkeling begint bij de transistor in de CPU en verplaatst zich uiteindelijk naar de geïntegreerde warmteverdeler, waar een waterblok is geïnstalleerd om de warmte van de CPU af te voeren met behulp van vloeistof die erin stroomt. Een geleidingsproces voert deze warmte af omdat het waterblok een hogere temperatuur heeft dan de vloeistof.

Absorptie

De vloeistof in het waterblok absorbeert de warmte die de CPU genereert terwijl deze door de kanalen in het waterblok stroomt. De vloeistof zorgt er tijdens de stroom door het blok voor dat turbulentie en warmtegeleiding optimaal zijn ontworpen voor een optimale thermische geleidbaarheid. Wanneer vloeistof uit het waterblok stroomt, is de temperatuur ervan gestegen.

Circulatie

In het vloeistofkoelsysteem is een pomp geïnstalleerd die de verwarmde vloeistof naar de CPU transporteert, zodat de temperatuur een bepaalde grens niet overschrijdt. De pomp zorgt voor een constante vloeistofstroom van het waterblok naar de radiator, waardoor de CPU koel blijft en zijn taken effectief worden uitgevoerd. In een modern systeem worden pompen geselecteerd op hun zeer lage geluidsniveau en minimale slijtage van componenten, dankzij hun hoge stroomsnelheid.

Verkwisting

De verwarmde vloeistof komt uiteindelijk in de radiator terecht, waar deze wordt gekoeld door lucht van een ventilator die in de radiator is geïnstalleerd. Radiatoren zijn gemaakt van aluminium met koperen vinnen. Deze vinnen vergroten het oppervlak terwijl de ventilator lucht blaast, waardoor de radiatoren worden gekoeld. Wanneer deze vinnen worden gekoeld, wordt ook de koelvloeistof die door de buizen stroomt, gekoeld.

Opbrengst

De vloeistof keert vervolgens terug naar het waterblok nadat deze door de radiator is gekoeld. Een ander onderdeel, een reservoir, is in het vloeistofkoelsysteem geïnstalleerd. Dit reservoir zorgt ervoor dat water terugstroomt als er een overschot is en helpt het systeem bij te vullen wanneer het vloeistofniveau daalt.

Technische innovaties die vloeistofkoeling fascinerend maken

Met de technologische vooruitgang hebben we supersnelle CPU's van 7 nm die meer warmte produceren. Om dit aan te pakken, gebruiken we een vloeistofkoelsysteem, aangezien luchtkoeling onvoldoende is voor CPU's die veel warmte genereren. Engineering is momenteel bezig met het verder ontwikkelen van het vloeistofkoelsysteem en het productieproces.

Tegenwoordig worden waterblokken gemaakt met een smalle doorgang van 0,2 mm voor vloeistofstroom, wat turbulentie creëert en de warmteoverdracht tot 50% verhoogt. Moderne vloeistofsystemen worden ook geleverd met een PID-regelaar die de temperatuur binnen 2 °C van de ingestelde waarde bewaakt en regelt met variërende ventilator- en pompsnelheden, en die realtime temperatuurbewaking biedt. Bovendien worden vloeistoffen die met koperoxide worden geïnjecteerd getest op een hogere thermische geleidbaarheid, wat een 20% betere prestatie oplevert.

Wacht, er is meer! Vloeistofkoeling ontwikkelt zich continu met behulp van CFD-simulaties om de constructie van vinnen, de stroomsnelheid, turbulentie, koeling en het thermische ontwerp te optimaliseren. Als deze technologische upgrade doorgaat, zouden we een koelsysteem kunnen hebben dat gebruikmaakt van een faseovergang van vloeistof aan de warme interface om de CPU te koelen, die vervolgens condenseert bij de radiator.

Installatie- en onderhoudstips

Het installeren van vloeistof vereist vakmanschap, omdat het zeer gevoelige componenten betreft, waaronder water, dat de CPU kan beschadigen als het lekt. Reinig alle elementen en breng koelpasta aan op de CPU voordat u met de installatie begint. Monteer het waterblok en draai de schroeven vast met een gelijkmatig aanhaalmoment van 0,6-1 Nm. Let erop dat de schroeven kruislings worden aangedraaid. De slangen waar de vloeistof doorheen stroomt, zijn ook een belangrijk onderdeel. Zorg er bij de installatie voor dat de slangen volgens de handleiding worden geleid en dat elke slang met een klem is vastgezet. Controleer voor aanvang of het systeem goed is voorgevuld en er geen lucht in zit.

Overweeg voor onderhoud om advies in te winnen bij een expert of het werk door een expert te laten uitvoeren. Enkele tips die we kunnen delen zijn onder andere het gebruik van een UV-reactieve matrijs die oplicht onder UV-licht om lekkage te detecteren, en het jaarlijks of zo vaak als nodig uitvoeren van spoelcycli, waardoor 95% van de lucht wordt verwijderd voor een betere efficiëntie. Zorg er ook voor dat u het systeem jaarlijks doorspoelt met een azijnoplossing. Laat de oplossing 30 minuten circuleren om de kalkaanslag in de buizen en componenten op te lossen en spoel het vervolgens door.

Voordelen ten opzichte van traditionele luchtkoeling

De soortelijke warmte van water is veel beter dan die van lucht, en geeft het koelsysteem dat vloeistof gebruikt van nature een voorsprong. Bij een langdurige belasting van een CPU houdt vloeistofkoeling de temperatuur 40% lager dan wanneer dezelfde CPU wordt gekoeld met een luchtgekoeld systeem. Vloeistofsystemen bieden betere koeling en zijn stiller omdat pompen minder geluid produceren, water als een natuurlijke geluidsdemper fungeert en de ventilatoren in radiatoren stiller zijn. Vloeistofkoelsystemen zijn kleiner en kunnen eenvoudig worden aangepast in een compacte ITX-computer, waardoor de computer een opvallende verschijning wordt met een betere esthetiek.

Conclusie

Thermodynamica en techniek hebben vloeistofkoeling getransformeerd en zorgen voor betere CPU-prestaties met nauwkeurig bewerkte stromingspaden. Stabiele stromingspatronen met pompen en efficiënte radiatoren, die handelaren gebruiken om de omgeving te verwarmen, maken het een betrouwbare koeloplossing voor moderne computers met veel rekenkracht. Ze bieden een betere thermische geleidbaarheid, een strakker ontwerp, verbeterde esthetiek en een stillere werking, waardoor ze een betere keuze zijn dan luchtkoeloplossingen en warmtebeheer tot een kunst verheffen.

Voor een praktische implementatie van CPU-vloeistofkoelers kunt u de ESGAMING-pagina over vloeistofkoelers bezoeken . U vindt er diverse ontwerpen en capaciteiten voor deze koelers, gemaakt van de hoogste kwaliteit materialen.