Como funciona um cooler líquido para CPU? Um guia para iniciantes

Para entender como o resfriamento líquido funciona em uma CPU, considere como o motor de um carro é resfriado. Líquidos têm um calor específico maior, o que significa que podem remover calor melhor do que o ar. O carro usa água para retirar calor do motor e liberá-lo no ar por meio de um radiador. Os coolers líquidos da CPU funcionam da mesma maneira.

Toda CPU gera calor por ser um componente eletrônico, e esse calor é absorvido por um bloco de água por onde circula o líquido de arrefecimento. Esse líquido é bombeado do bloco de água para o radiador, semelhante ao que ocorre nos carros. A função do radiador é extrair calor do líquido que flui em seu interior e transferi-lo para as aletas do radiador. Uma ventoinha então movimenta o ar frio sobre as aletas. Essa configuração, como mostrada na imagem, é particularmente notável porque o resfriamento líquido tornou mais eficiente a remoção de calor de CPUs modernas com TDPs altos, overclockadas e que geram calor significativo.

Compreendendo o calor da CPU: por que o resfriamento é importante

Eletricidade é o fluxo de elétrons através de um condutor. Quando a eletricidade passa por qualquer condutor, ela gera calor devido à resistência ao fluxo de elétrons. Da mesma forma, quando a eletricidade passa pela CPU, ela também gera calor.

Um microprocessador ou CPU é composto por bilhões de transistores. Sempre que usamos uma CPU, ela utiliza esses transistores em uma lógica computacional. Esses transistores se carregam e descarregam, produzindo uma resistência elétrica que afeta o fluxo de elétrons e gera calor. Operações mais intensas na CPU, como jogos ou renderização de vídeo, geram mais calor e exigem um sistema de resfriamento para cargas de trabalho tão exigentes.

Nesses casos, um sistema de circuito fechado de líquido para CPU é preferível para manter a temperatura dentro dos limites. Caso contrário, a CPU entrará em estrangulamento térmico, afetando seu desempenho. Em alguns casos, se o resfriamento for muito ruim, pode até danificar a CPU ou outros componentes internos, como RAM e GPU.

Principais componentes de um sistema de resfriamento líquido

Os componentes básicos dos componentes líquidos incluem

• Bloco de água
• A bomba
• O radiador
• Tubulação, reservatório e refrigerante

O Bloco de Água

É o coração do sistema de resfriamento líquido que extrai o calor da CPU. O tipo mais premium de water block é feito de cobre livre de oxigênio, que possui alta condutividade térmica. Se o water block for usado com peças de alumínio, esses water blocks são feitos com revestimento de níquel (geralmente a base do water block é niquelada para evitar oxidação).

Esses blocos apresentam microcanais de 0,5 a 1 mm em sua base, permitindo que o líquido flua e absorva o calor gerado pela CPU. Para minimizar o espaço de ar entre o bloco e a CPU, é utilizada uma pasta térmica com condutividade térmica superior a 8-12 W/mK. Para aumentar a condutividade, o espaço entre o bloco de água e a CPU é minimizado para 0,1 mm, facilitado por um mecanismo de montagem robusto para o bloco de água. A eficiência térmica do sistema de resfriamento depende em grande parte do fluxo e do design do conjunto de aletas. Quando o líquido entra no bloco, ele inicia o resfriamento convectivo com um coeficiente de transferência de calor de 500-5000 W/m².

A Bomba

A bomba no sistema de resfriamento faz o líquido de arrefecimento fluir através do bloco de água e do radiador, fornecendo pressão ao fluido para superar a resistência da tubulação. Sem um fluxo adequado, mesmo o sistema mais eficiente não funcionaria corretamente. Na maioria dos sistemas de resfriamento, essas bombas operam com 12 volts a 2.000-4.000 rpm, fornecendo fluxo de 0,5-1 l/min e altura manométrica suficientes para realizar o resfriamento. Em sistemas de resfriamento modernos para CPUs, essas bombas são fabricadas com precisão para ter baixo ruído e vibração, acopladas a rolamentos cerâmicos para proporcionar uma operação sem atrito. Essas bombas podem alterar sua velocidade conforme necessário pela carga térmica.

O Radiador

O calor retirado da CPU pelo líquido é rejeitado para a atmosfera com a ajuda de um dispositivo chamado radiador e uma ventoinha montada nele. Os radiadores são feitos com um núcleo de alumínio com aletas de cobre e canais de refrigeração. As aletas são fornecidas para proporcionar melhor transferência de calor condutiva, com uma eficiência de 0,8-0,9. O espaçamento das aletas é um fator muito importante. Se a densidade das aletas (FPI - aletas por polegada) for alta, a área efetiva aumentará. No entanto, um fluxo de ar maior é necessário devido ao aumento da resistência ao fluxo de ar.

Um FPI mais baixo reduz a resistência ao fluxo de ar, mas também diminui a área de superfície efetiva. Normalmente, o líquido da CPU tem uma temperatura de 10 a 20 °C mais alta que a do ar ambiente. Ele entra no radiador, onde transfere calor para as aletas. Uma ventoinha (1000-2000 rpm) então fornece fluxo de ar para remover o calor das aletas.

Tubulação, reservatório e refrigerante

A tubulação em um sistema de líquidos fornece um caminho para a transferência do líquido de um componente para outro, feita de PVC com um DI de 10 mm e um DE de 13 mm. Ela também é fornecida com suporte trançado para evitar deformação e ruptura sob condições extremas de trabalho. A tubulação não deve ter curvas acentuadas, pois isso aumentará a resistência ao fluxo e reduzirá o desempenho geral.

Um reservatório gerencia o volume de ar e fluido. Ele é feito de PVC e fornece um mecanismo para enchimento com líquido e ventilação de bolhas de ar para a atmosfera. Em alguns casos, o reservatório é parte integrante da bomba, especialmente em um sistema AIO (All-in-One). Na maioria dos casos, o líquido interno é água destilada e 30% de glicol. Alguns biocidas também são adicionados para prevenir o crescimento bacteriano, e o glicol é adicionado para reduzir o ponto de congelamento para até -10 °C. A função do líquido de arrefecimento é retirar o calor da CPU e liberá-lo no radiador.

O ciclo de resfriamento

Geração de calor

Durante a operação, especialmente ao executar tarefas intensas como jogos ou renderização de vídeo, ou qualquer trabalho gráfico ou computacional, a CPU gera calor de mais de 300 watts. Essa geração de calor começa no transistor embutido na CPU e, por fim, segue para o dissipador de calor integrado, onde um bloco de água é instalado para absorver o calor da CPU com a ajuda de um líquido que flui em seu interior. Um processo de condução remove esse calor porque o bloco de água está a uma temperatura mais alta que o líquido.

Absorção

O líquido dentro do bloco de água absorve o calor gerado pela CPU à medida que flui pelos canais criados dentro do bloco. O líquido, ao fluir pelo bloco, garante que a turbulência e a condução de calor sejam projetadas para obter a máxima eficiência em termos de condutividade térmica. Quando o fluido flui para fora do bloco de água, sua temperatura aumenta.

Circulação

Uma bomba é instalada no sistema de resfriamento líquido para que a CPU transmita o líquido aquecido, garantindo que a temperatura não exceda um limite específico. A bomba fornece um fluxo constante de líquido do bloco de água para o radiador, mantendo a CPU resfriada e executando suas tarefas com eficiência. Em um sistema moderno, as bombas são selecionadas por seu baixíssimo ruído e desgaste mínimo dos componentes, graças à sua alta vazão.

Dissipação

O líquido aquecido finalmente entra no radiador, onde será resfriado pelo ar de um ventilador instalado no radiador. Os radiadores são feitos de alumínio com aletas de cobre. Essas aletas aumentam a área de superfície à medida que o ventilador sopra ar, resfriando-as no processo. Quando essas aletas são resfriadas, o líquido de arrefecimento que passa pelos tubos também é resfriado.

Retornar

O líquido então retorna ao bloco de água após ser resfriado pelo radiador. Outro equipamento, conhecido como reservatório, é instalado no sistema de resfriamento líquido. Ele permite o retorno da água em caso de excesso e auxilia o sistema a reabastecer quando o nível do líquido diminui.

Inovações de engenharia que tornam o resfriamento líquido fascinante

Com o avanço da tecnologia, temos CPUs de alta velocidade de 7 nm que produzem mais calor. Para resolver esse problema, utilizamos um sistema de resfriamento líquido, já que o resfriamento a ar é insuficiente para CPUs que geram muito calor. A engenharia está evoluindo o sistema de resfriamento líquido e seu processo de fabricação.

Atualmente, os blocos de água são fabricados com uma passagem estreita de 0,2 mm para o fluxo de líquido, o que cria turbulência para aumentar a transferência de calor em até 50%. Os blocos de água modernos também contam com um controlador PID que monitora e controla a temperatura com uma diferença de 2 °C em relação ao ponto de ajuste, com variação da velocidade do ventilador e da bomba, e fornece monitoramento da temperatura em tempo real. Além disso, líquidos injetados com óxido de cobre são testados para aumentar a condutividade térmica, o que demonstra um desempenho 20% melhor.

Espere, tem mais! O resfriamento líquido está em constante evolução com a ajuda da engenharia, utilizando simulações de CFD para otimizar a construção das aletas, a velocidade do fluxo e a turbulência, o resfriamento e o projeto térmico. Se essa atualização tecnológica continuar, poderemos ter um sistema de resfriamento que utiliza uma mudança de fase do líquido na interface quente para resfriar a CPU, que então condensaria no radiador.

Dicas de instalação e manutenção

A instalação de líquido requer habilidades especializadas, pois envolve componentes muito sensíveis, incluindo água, que pode danificar a CPU em caso de vazamento. Antes de iniciar a instalação, limpe todos os elementos e aplique pasta térmica na CPU. Monte o water block e aperte os parafusos com torque uniforme, que pode variar de 0,6 a 1 Nm, e observe que os parafusos devem ser apertados em um padrão cruzado. A tubulação por onde o líquido fluirá também é um componente importante. Ao instalá-lo, certifique-se de que a tubulação esteja roteada de acordo com o manual e que cada mangueira esteja presa com uma braçadeira. Antes de começar, certifique-se de que o sistema esteja adequadamente preparado e sem ar preso.

Para manutenção, considere buscar orientação de um especialista ou contratar um profissional para realizar o serviço. Algumas das dicas que podemos compartilhar incluem o uso de um die reativo a UV que brilha sob luz UV para detectar vazamentos, além da realização de ciclos de purga anuais ou conforme necessário, o que removerá 95% do ar para melhorar a eficiência. Além disso, certifique-se de lavar o sistema anualmente com uma solução de vinagre. Deixe a solução circular por 30 minutos para dissolver a incrustação dentro dos tubos e componentes e, em seguida, enxágue.

Vantagens sobre o resfriamento de ar tradicional

O calor específico da água é muito melhor que o do ar, o que naturalmente confere uma vantagem ao sistema de resfriamento que utiliza líquido. Se uma carga contínua for aplicada a uma CPU, o resfriamento líquido manterá a temperatura 40% mais baixa do que se a mesma CPU fosse resfriada por um sistema de ar. Sistemas líquidos proporcionam melhor resfriamento e são mais silenciosos porque as bombas produzem menos ruído, a água atua como um amortecedor natural para o ruído e as ventoinhas nos radiadores são mais silenciosas. Os sistemas de resfriamento líquido são menores e podem ser facilmente ajustados em um computador compacto ITX, tornando o computador atraente e com melhor estética.

Conclusão

A termodinâmica e a engenharia transformaram o resfriamento líquido, proporcionando melhor desempenho da CPU com trajetórias de fluxo precisamente usinadas. Padrões de fluxo constantes, utilizando bombas e radiadores eficientes, que os comerciantes utilizam para aquecer o ambiente, tornam-no uma solução de resfriamento confiável para computadores modernos de alta capacidade. Oferecem melhor condutividade térmica, design mais elegante, estética aprimorada e operação mais silenciosa, tornando-os uma escolha superior às soluções de resfriamento a ar e tornando o gerenciamento de calor uma arte.

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