Как работает система жидкостного охлаждения процессора: руководство для начинающих

Чтобы понять, как работает жидкостное охлаждение процессора, рассмотрим охлаждение двигателя автомобиля. Жидкости обладают более высокой удельной теплоёмкостью, что означает, что они могут отводить тепло лучше, чем воздух. В автомобиле вода отводит тепло от двигателя и отдаёт его в воздух через радиатор. Жидкостные системы охлаждения процессора работают по тому же принципу.

Каждый процессор, являясь электронным компонентом, выделяет тепло, которое поглощается водоблоком, в котором циркулирует охлаждающая жидкость. Эта жидкость перекачивается из водоблока в радиатор, подобно тому, как это происходит в автомобилях. Функция радиатора — отводить тепло от протекающей внутри жидкости и передавать его рёбрам радиатора. Затем вентилятор обдувает рёбра холодным воздухом. Такая схема, показанная на рисунке, особенно примечательна, поскольку жидкостное охлаждение позволило более эффективно отводить тепло от современных процессоров с высоким TDP, которые разогнаны и выделяют значительное количество тепла.

Понимание нагрева процессора: почему охлаждение важно

Электричество — это поток электронов через проводник. Когда электричество проходит через любой проводник, оно генерирует тепло из-за сопротивления потоку электронов. Аналогично, когда электричество проходит через процессор, оно также генерирует тепло.

Микропроцессор, или центральный процессор, состоит из миллиардов транзисторов. Всякий раз, когда мы используем центральный процессор, он использует эти транзисторы в вычислительной логике. Эти транзисторы заряжаются и разряжаются, создавая электрическое сопротивление, которое влияет на поток электронов и генерирует тепло. Более интенсивные операции на центральном процессоре, такие как игры или рендеринг видео, генерируют больше тепла и требуют системы охлаждения для таких требовательных рабочих нагрузок.

В таких случаях для поддержания температуры процессора в заданных пределах предпочтительно использовать замкнутую систему жидкостного охлаждения. В противном случае процессор начнёт работать в режиме теплового троттлинга, что скажется на его производительности. В некоторых случаях, если охлаждение очень слабое, это может даже повредить процессор или другие внутренние компоненты, такие как оперативная память и графический процессор.

Ключевые компоненты системы жидкостного охлаждения

К основным компонентам жидких компонентов относятся:

• Водоблок
• Насос
• Радиатор
• Трубки, резервуар и охлаждающая жидкость

Водяной блок

Это сердце системы жидкостного охлаждения, отводящей тепло от процессора. Водоблоки самого высокого качества изготавливаются из бескислородной меди, обладающей высокой теплопроводностью. Если водоблок используется с алюминиевыми деталями, то такие водоблоки никелируются (чаще всего основание водоблока никелируется, чтобы предотвратить окисление).

В основании этих блоков имеются микроканалы размером от 0,5 до 1 мм, позволяющие жидкости свободно течь и отводить тепло, выделяемое процессором. Для минимизации воздушного зазора между блоком и процессором используется термопаста с теплопроводностью более 8–12 Вт/м·К. Для повышения теплопроводности зазор между водоблоком и процессором минимизирован до 0,1 мм благодаря прочному механизму крепления водоблока. Тепловая эффективность системы охлаждения во многом зависит от воздушного потока и конструкции рёбер радиатора. При попадании жидкости в блок начинается конвективное охлаждение с коэффициентом теплопередачи 500–5000 Вт/м².

Насос

Насос системы охлаждения обеспечивает поток охлаждающей жидкости через водоблок и радиатор, обеспечивая давление, необходимое для преодоления сопротивления трубок. Без соответствующего расхода даже самая эффективная система не будет работать корректно. В большинстве систем охлаждения эти насосы работают от 12 В при частоте вращения 2000–4000 об/мин, обеспечивая достаточный расход 0,5–1 л/мин и напор для охлаждения . В современных системах охлаждения процессоров эти насосы изготавливаются с высокой точностью, что обеспечивает низкий уровень шума и вибрации, а керамические подшипники обеспечивают бесперебойную работу. Эти насосы могут изменять скорость вращения в зависимости от тепловой нагрузки.

Радиатор

Тепло, отводимое от процессора жидкостью, отводится в атмосферу с помощью устройства, называемого радиатором, и установленного на нём вентилятора. Радиаторы изготавливаются с алюминиевым сердечником, медными рёбрами и каналами для охлаждающей жидкости. Ребра обеспечивают лучшую теплопроводность с эффективностью 0,8–0,9. Расстояние между рёбрами играет важную роль. При высокой плотности рёбер (FPI, Fins per Inch) эффективная площадь увеличивается. Однако из-за повышенного сопротивления воздушному потоку требуется более мощный поток воздуха.

Более низкий индекс потока охлаждающей жидкости (FPI) снижает сопротивление воздушному потоку, но также уменьшает эффективную площадь поверхности. Обычно жидкость, выходящая из процессора, имеет температуру на 10–20 °C выше температуры окружающего воздуха. Она попадает в радиатор, где передаёт тепло рёбрам. Затем вентилятор (1000–2000 об/мин) создаёт воздушный поток, отводящий тепло от рёбер.

Трубки, резервуар и охлаждающая жидкость

Трубки в жидкостной системе обеспечивают путь для перемещения жидкости от одного компонента к другому. Они изготовлены из ПВХ с внутренним диаметром 10 мм и наружным диаметром 13 мм. Они также снабжены оплеткой, предотвращающей деформацию и разрыв в экстремальных условиях эксплуатации. Трубки не должны иметь резких изгибов, так как это увеличит гидравлическое сопротивление и снизит общую производительность.

Резервуар управляет объёмом воздуха и жидкости. Он изготовлен из ПВХ и обеспечивает механизм наполнения жидкостью и выпуска пузырьков воздуха в атмосферу. В некоторых случаях резервуар является неотъемлемой частью насоса, особенно в системах «все в одном» (AIO). В большинстве случаев жидкость внутри представляет собой дистиллированную воду и 30% гликоля. Также добавляются некоторые биоциды для предотвращения размножения бактерий, а гликоль — для снижения температуры замерзания до -10 °C. Назначение охлаждающей жидкости — отводить тепло от процессора и отводить его через радиатор.

Цикл охлаждения

Генерация тепла

Во время работы, особенно при выполнении интенсивных задач, таких как игры, рендеринг видео или любая графическая или вычислительная работа, процессор выделяет более 300 Вт тепла. Тепловыделение начинается с транзистора, встроенного в процессор, и в конечном итоге передается на интегрированный теплораспределитель, где установлен водоблок, отводящий тепло от процессора с помощью протекающей внутри него жидкости. Тепло отводится за счет теплопроводности, поскольку водоблок имеет более высокую температуру, чем жидкость.

Поглощение

Жидкость внутри водоблока поглощает тепло, генерируемое процессором, протекая через каналы, выполненные внутри водоблока. Протекая через водоблок, жидкость обеспечивает турбулентность и теплопередачу, обеспечивающие максимальную эффективность теплопроводности. Когда жидкость вытекает из водоблока, её температура повышается.

Тираж

В системе жидкостного охлаждения процессора установлен насос, который перекачивает нагретую жидкость, не допуская превышения заданного значения температуры. Насос обеспечивает постоянный поток жидкости от водоблока к радиатору, поддерживая процессор в прохладном состоянии и эффективно выполняя свои функции. В современных системах насосы выбираются за их очень низкий уровень шума и минимальный износ компонентов благодаря высокой производительности.

Рассеивание

Нагретая жидкость поступает в радиатор, где охлаждается воздухом от вентилятора, установленного в радиаторе. Радиаторы изготовлены из алюминия с медными рёбрами. Эти рёбра увеличивают площадь поверхности, поскольку вентилятор обдувает их воздухом, тем самым охлаждая. Охлаждение рёбер охлаждает охлаждающую жидкость, проходящую по трубкам.

Возвращаться

Затем жидкость возвращается в водоблок после охлаждения радиатором. В системе жидкостного охлаждения установлен ещё один элемент оборудования, называемый резервуаром. Он позволяет воде возвращаться в случае её избытка и помогает системе пополнять её при снижении уровня.

Инженерные инновации, делающие жидкостное охлаждение захватывающим

С развитием технологий появились высокопроизводительные 7-нм процессоры, которые выделяют больше тепла. Чтобы решить эту проблему, мы используем систему жидкостного охлаждения, поскольку воздушного охлаждения недостаточно для процессоров с высоким тепловыделением. Инженеры сейчас работают над усовершенствованием системы жидкостного охлаждения и процесса её производства.

В настоящее время водоблоки производятся с узким проходным отверстием для жидкости диаметром 0,2 мм, что создает турбулентность и увеличивает теплопередачу до 50%. Современные водоблоки также оснащены ПИД-регулятором, который контролирует и регулирует температуру в пределах 2 °C от заданного значения, изменяя скорость вращения вентилятора и насоса, и обеспечивает мониторинг температуры в режиме реального времени. Кроме того, жидкости с добавлением оксида меди, протестированные на повышение теплопроводности, демонстрируют на 20% более высокую теплопроводность.

Подождите, это ещё не всё! Жидкостное охлаждение постоянно совершенствуется благодаря инженерным разработкам, использующим вычислительную гидродинамику (CFD) для оптимизации конструкции рёбер, скорости потока, турбулентности, охлаждения и теплового расчета. Если эта технологическая модернизация продолжится, мы сможем создать систему охлаждения, использующую фазовый переход жидкости на горячем интерфейсе для охлаждения процессора, которая затем будет конденсироваться на радиаторе.

Советы по установке и обслуживанию

Установка системы охлаждения с жидкой охлаждающей жидкостью требует специальных навыков, поскольку она затрагивает очень чувствительные компоненты, включая воду, утечка которой может повредить процессор. Перед установкой очистите все элементы и нанесите термопасту на процессор. Установите водоблок и затяните винты с равномерным моментом затяжки от 0,6 до 1 Нм, при этом винты следует затягивать крест-накрест. Трубки, по которым будет проходить жидкость, также являются важным компонентом. При установке убедитесь, что трубки проложены в соответствии с инструкцией, а все шланги закреплены хомутами. Перед началом установки убедитесь, что система достаточно заполнена и в ней нет воздушных пробок.

Для обслуживания системы рекомендуется обратиться за помощью к специалисту или поручить выполнение работ специалисту. Мы можем поделиться советами, в частности, использованием УФ-чувствительного кристалла, который светится под ультрафиолетовым светом, для обнаружения утечек, а также проводить циклы продувки ежегодно или по мере необходимости, что позволит удалить 95% воздуха и повысить эффективность. Кроме того, обязательно ежегодно промывайте систему раствором уксуса. Дайте раствору циркулировать в течение 30 минут, чтобы растворить накипь внутри трубок и компонентов, а затем промойте систему.

Преимущества перед традиционным воздушным охлаждением

Удельная теплоёмкость воды значительно выше, чем у воздуха, что, естественно, даёт преимущество системе жидкостного охлаждения. При длительной нагрузке на процессор жидкостное охлаждение будет поддерживать температуру на 40% ниже, чем при воздушном охлаждении того же процессора. Жидкостные системы обеспечивают лучшее охлаждение и работают тише, поскольку насосы производят меньше шума, вода действует как естественный глушитель шума, а вентиляторы в радиаторах работают тише. Системы жидкостного охлаждения компактнее и легко адаптируются к компактному компьютеру ITX, что делает его привлекательным и эстетичным.

Заключение

Термодинамика и инженерия преобразили жидкостное охлаждение, обеспечив более высокую производительность процессора благодаря точно проработанным каналам потока. Стабильный поток, создаваемый насосами и эффективными радиаторами, которые используются трейдерами для обогрева окружающей среды, делает жидкостное охлаждение надежным решением для охлаждения современных высокопроизводительных компьютеров. Они обладают лучшей теплопроводностью, более элегантным дизайном, улучшенным внешним видом и работают тише, что делает их превосходным выбором по сравнению с системами воздушного охлаждения и превращает управление теплом в настоящее искусство.

Для практического использования систем жидкостного охлаждения процессора посетите страницу ESGAMING, посвящённую системам жидкостного охлаждения . Вы найдёте различные варианты конструкции и мощности этих систем охлаждения, изготовленных из материалов высочайшего качества.