Jak działa chłodzenie cieczą procesora? Poradnik dla początkujących

Aby zrozumieć, jak działa chłodzenie cieczą w procesorze, rozważmy sposób chłodzenia silnika w samochodzie. Ciecze mają wyższe ciepło właściwe, co oznacza, że ​​lepiej odprowadzają ciepło niż powietrze. Samochód wykorzystuje wodę do odbierania ciepła z silnika i oddawania go do powietrza za pomocą chłodnicy. Chłodzenie cieczą procesora działa na tej samej zasadzie.

Każdy procesor, jako element elektroniczny, generuje ciepło, które jest pochłaniane przez blok wodny, w którym krąży płyn chłodzący. Płyn ten jest pompowany z bloku do chłodnicy, podobnie jak w samochodach. Zadaniem chłodnicy jest odprowadzanie ciepła z przepływającego wewnątrz płynu i przekazywanie go do żeberek chłodnicy. Wentylator następnie tłoczy chłodne powietrze po żeberkach. Ta konfiguracja, pokazana na rysunku, jest szczególnie godna uwagi, ponieważ chłodzenie cieczą usprawniło odprowadzanie ciepła z nowoczesnych procesorów o wysokim TDP, które są podkręcane i generują znaczną ilość ciepła.

Zrozumienie ciepła procesora: dlaczego chłodzenie jest ważne

Prąd elektryczny to przepływ elektronów przez przewodnik. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, wytwarza ciepło ze względu na opór stawiany przepływowi elektronów. Podobnie, przepływ prądu elektrycznego przez procesor również generuje ciepło.

Mikroprocesor, czyli procesor (CPU), składa się z miliardów tranzystorów. Za każdym razem, gdy używamy procesora, wykorzystuje on te tranzystory w logice obliczeniowej. Tranzystory te ładują się i rozładowują, wytwarzając opór elektryczny, który wpływa na przepływ elektronów i generuje ciepło. Bardziej intensywne operacje wykonywane na procesorze, takie jak gry czy renderowanie wideo, generują więcej ciepła i wymagają systemu chłodzenia dla tak wymagających zadań.

W takich przypadkach zaleca się zastosowanie zamkniętego obiegu chłodzenia cieczą w procesorze, aby utrzymać temperaturę w dopuszczalnych granicach. W przeciwnym razie procesor zacznie się dławić termicznie, co wpłynie na jego wydajność. W niektórych przypadkach, jeśli chłodzenie jest bardzo słabe, może to nawet uszkodzić procesor lub inne podzespoły wewnętrzne, takie jak pamięć RAM i karta graficzna.

Kluczowe elementy układu chłodzenia cieczą

Podstawowe składniki składników płynnych obejmują:

• Blok wodny
• Pompa
• Grzejnik
• Rury, zbiornik i płyn chłodzący

Blok wodny

To serce układu chłodzenia cieczą, które odprowadza ciepło z procesora. Najdroższe bloki wodne wykonane są z miedzi beztlenowej o wysokiej przewodności cieplnej. Jeśli blok wodny jest używany z częściami aluminiowymi, są one niklowane (głównie podstawa bloku wodnego jest niklowana, aby zapobiec utlenianiu).

Bloki te posiadają mikrokanaliki o średnicy od 0,5 do 1 mm w podstawie, które umożliwiają przepływ cieczy i pochłanianie ciepła generowanego przez procesor. Aby zminimalizować szczelinę powietrzną między blokiem a procesorem, zastosowano pastę termoprzewodzącą o przewodności cieplnej powyżej 8-12 W/mK. Aby zwiększyć przewodność, szczelina między blokiem wodnym a procesorem została zminimalizowana do 0,1 mm, co jest możliwe dzięki solidnemu mechanizmowi mocowania bloku wodnego. Sprawność cieplna układu chłodzenia w dużej mierze zależy od przepływu i konstrukcji układu żeber. Po wpłynięciu cieczy do bloku rozpoczyna się chłodzenie konwekcyjne o współczynniku przenikania ciepła na poziomie 500-5000 W/m².

Pompa

Pompa w układzie chłodzenia zapewnia przepływ płynu chłodzącego przez blok wodny i chłodnicę, zapewniając ciśnienie płynu, które pokonuje opór rurek. Bez odpowiedniego przepływu nawet najbardziej wydajny system nie działałby prawidłowo. W większości układów chłodzenia pompy te zasilane są napięciem 12 V przy 2000-4000 obr./min, zapewniając przepływ 0,5-1 l/min i wysokość podnoszenia wystarczającą do efektywnego chłodzenia . W nowoczesnych układach chłodzenia procesorów pompy te są precyzyjnie wykonane, aby zapewnić niski poziom hałasu i wibracji, a łożyska ceramiczne zapewniają beztarciową pracę. Pompy te mogą zmieniać prędkość obrotową w zależności od obciążenia cieplnego.

Grzejnik

Ciepło pobierane z procesora przez ciecz jest odprowadzane do atmosfery za pomocą urządzenia zwanego radiatorem i zamontowanego na nim wentylatora. Radiatory wykonane są z aluminiowego rdzenia z miedzianymi żebrami i kanałami chłodzącymi. Żebra zapewniają lepsze przewodzenie ciepła i sprawność 0,8-0,9. Odstępy między żebrami są bardzo ważnym czynnikiem. Wysoka gęstość żeber (FPI – liczba żeber na cal) zwiększa powierzchnię efektywną. Jednak ze względu na zwiększony opór powietrza wymagany jest większy przepływ powietrza.

Niższy wskaźnik FPI zmniejsza opór przepływu powietrza, ale jednocześnie zmniejsza efektywną powierzchnię. Zazwyczaj ciecz z procesora ma temperaturę o 10–20°C wyższą niż temperatura powietrza otoczenia. Wpada do radiatora, gdzie oddaje ciepło żeberkom. Wentylator (1000–2000 obr./min) zapewnia przepływ powietrza, aby odprowadzić ciepło z żeberek.

Rury, zbiornik i płyn chłodzący

Rury w układzie cieczowym zapewniają drogę przepływu cieczy z jednego elementu do drugiego. Wykonane są z PVC o średnicy wewnętrznej 10 mm i średnicy zewnętrznej 13 mm. Są one również wyposażone w oplot, aby zapobiec odkształceniom i pęknięciom w ekstremalnych warunkach pracy. Rury nie mogą mieć ostrych zagięć, ponieważ zwiększa to opory przepływu i obniża ogólną wydajność.

Zbiornik reguluje objętość powietrza i płynu. Jest wykonany z tworzywa PVC i zapewnia mechanizm napełniania płynem i odprowadzania pęcherzyków powietrza do atmosfery. W niektórych przypadkach zbiornik stanowi integralną część pompy, zwłaszcza w systemach AIO (All-in-One). W większości przypadków cieczą w zbiorniku jest woda destylowana i 30% glikolu. Dodawane są również biocydy, aby zapobiec rozwojowi bakterii, a glikol obniża temperaturę krzepnięcia do -10°C. Zadaniem płynu chłodzącego jest odbieranie ciepła z procesora i oddawanie go do chłodnicy.

Cykl chłodzenia

Generowanie ciepła

Podczas pracy, zwłaszcza podczas intensywnych zadań, takich jak gry, renderowanie wideo czy inne zadania graficzne lub obliczeniowe, procesor generuje ciepło o mocy ponad 300 watów. Wytwarzanie ciepła rozpoczyna się od tranzystora wbudowanego w procesor i ostatecznie przechodzi do zintegrowanego rozpraszacza ciepła, w którym znajduje się blok wodny, który odprowadza ciepło z procesora za pomocą przepływającej w nim cieczy. Proces przewodzenia ciepła odprowadza to ciepło, ponieważ blok wodny ma wyższą temperaturę niż ciecz.

Wchłanianie

Ciecz wewnątrz bloku wodnego pochłania ciepło generowane przez procesor, przepływając przez kanały wykonane wewnątrz bloku. Ciecz, przepływając przez blok, zapewnia turbulencje i przewodzenie ciepła, aby zapewnić maksymalną wydajność pod względem przewodności cieplnej. Gdy ciecz wypływa z bloku wodnego, jej temperatura wzrasta.

Krążenie

W układzie chłodzenia cieczą zainstalowana jest pompa, która przekazuje ogrzaną ciecz do procesora, zapewniając, że temperatura nie przekroczy określonego limitu. Pompa zapewnia stały przepływ cieczy z bloku wodnego do chłodnicy, chłodząc procesor i efektywnie wykonując swoje zadania. W nowoczesnych systemach pompy są dobierane ze względu na ich bardzo cichą pracę i minimalne zużycie podzespołów dzięki wysokiemu przepływowi.

Rozpusta

Podgrzana ciecz trafia ostatecznie do chłodnicy, gdzie jest chłodzona powietrzem z wentylatora zamontowanego w chłodnicy. Chłodnice wykonane są z aluminium z miedzianymi żebrami. Żebra te zwiększają powierzchnię, gdy wentylator wtłacza powietrze, chłodząc je w ten sposób. Chłodzenie żeberek powoduje schłodzenie czynnika chłodzącego przepływającego przez rurki.

Powrót

Następnie ciecz wraca do bloku wodnego po schłodzeniu przez chłodnicę. W układzie chłodzenia cieczą zainstalowany jest kolejny element, zwany zbiornikiem. Umożliwia on powrót wody, jeśli jest jej za dużo, i pomaga w uzupełnianiu płynu w układzie, gdy jego poziom spada.

Innowacje inżynieryjne, które sprawiają, że chłodzenie cieczą jest fascynujące

Dzięki rozwojowi technologii, mamy szybkie procesory 7 nm, które generują więcej ciepła. Aby temu zaradzić, stosujemy system chłodzenia cieczą, ponieważ chłodzenie powietrzem jest niewystarczające dla procesorów generujących dużo ciepła. Inżynierowie udoskonalają obecnie system chłodzenia cieczą i proces jego produkcji.

Obecnie bloki wodne są wykonane z wąskim kanałem o średnicy 0,2 mm dla przepływu cieczy, co tworzy turbulencje i zwiększa wymianę ciepła nawet o 50%. Nowoczesne bloki cieczowe są również wyposażone w regulator PID, który monitoruje i kontroluje temperaturę z dokładnością do 2°C od wartości zadanej, zmieniając prędkość wentylatora i pompy, a także zapewnia monitorowanie temperatury w czasie rzeczywistym. Dodatkowo, ciecze wtryskiwane z tlenkiem miedzi są testowane pod kątem zwiększenia przewodności cieplnej, co zapewnia o 20% lepszą wydajność.

Poczekaj, to nie wszystko! Chłodzenie cieczą stale ewoluuje dzięki inżynierii wykorzystującej symulacje CFD do optymalizacji konstrukcji żeber, prędkości przepływu i turbulencji, chłodzenia i projektowania termicznego. Jeśli ta technologia będzie kontynuowana, moglibyśmy stworzyć system chłodzenia wykorzystujący przemianę fazową cieczy na gorącym styku do chłodzenia procesora, która następnie skraplałaby się na radiatorze.

Wskazówki dotyczące instalacji i konserwacji

Montaż instalacji z cieczą wymaga specjalistycznych umiejętności, ponieważ obejmuje ona bardzo wrażliwe elementy, w tym wodę, która w przypadku wycieku może uszkodzić procesor. Przed rozpoczęciem instalacji należy oczyścić wszystkie elementy i nałożyć pastę termoprzewodzącą na procesor. Zamontuj blok wodny i dokręć śruby równomiernie momentem obrotowym, który może wynosić od 0,6 do 1 Nm, pamiętając, aby dokręcać je na krzyż. Przewody, którymi będzie przepływać ciecz, są również ważnym elementem. Podczas montażu należy upewnić się, że przewody są poprowadzone zgodnie z instrukcją i każdy wąż jest zabezpieczony zaciskiem. Przed rozpoczęciem instalacji należy upewnić się, że system jest odpowiednio zalany i nie ma w nim uwięzionego powietrza.

W przypadku konserwacji, rozważ skorzystanie z porady eksperta lub zlecenie mu wykonania prac. Wśród naszych wskazówek znajdują się m.in. użycie matrycy reagującej na promieniowanie UV, która świeci w świetle ultrafioletowym, w celu wykrycia wycieków, a także coroczne lub w razie potrzeby wykonywanie cykli płukania, co usunie 95% powietrza i poprawi wydajność. Pamiętaj również o corocznym płukaniu systemu roztworem octu. Roztwór należy rozprowadzać przez 30 minut, aby rozpuścić kamień osadzony wewnątrz rurek i podzespołów, a następnie przepłukać.

Zalety w porównaniu z tradycyjnym chłodzeniem powietrznym

Ciepło właściwe wody jest znacznie lepsze niż powietrza, co naturalnie daje przewagę systemowi chłodzenia cieczą. Przy stałym obciążeniu procesora, chłodzenie cieczą utrzymuje temperaturę o 40% niższą niż w przypadku tego samego procesora chłodzonego powietrzem. Systemy chłodzenia cieczą zapewniają lepsze chłodzenie i są cichsze, ponieważ pompy generują mniej hałasu, woda działa jak naturalny tłumik hałasu, a wentylatory w radiatorach pracują ciszej. Systemy chłodzenia cieczą są mniejsze i można je łatwo dostosować do kompaktowej obudowy komputera ITX, co sprawia, że ​​komputer przyciąga wzrok i poprawia estetykę.

Wniosek

Termodynamika i inżynieria zrewolucjonizowały chłodzenie cieczą, zapewniając lepszą wydajność procesora dzięki precyzyjnie obrobionym ścieżkom przepływu. Stałe schematy przepływu, wykorzystujące pompy i wydajne radiatory, których inwestorzy używają do ogrzewania otoczenia, czynią je niezawodnym rozwiązaniem chłodzącym dla nowoczesnych komputerów o dużej mocy obliczeniowej. Oferują one lepszą przewodność cieplną, bardziej smukłą konstrukcję, ulepszoną estetykę i cichszą pracę, co czyni je lepszym wyborem niż rozwiązania chłodzenia powietrznego i sprawia, że ​​zarządzanie ciepłem staje się sztuką.

Aby zapoznać się z praktycznym zastosowaniem chłodzenia cieczą procesora , odwiedź stronę ESGAMING poświęconą chłodzeniu cieczą . Znajdziesz tu różne modele i pojemności tych chłodnic, wykonanych z materiałów najwyższej jakości.