Ako funguje kvapalinový chladič CPU? Sprievodca pre začiatočníkov
Aby ste pochopili, ako funguje kvapalinové chladenie v CPU, zvážte, ako sa chladí motor v aute. Kvapaliny majú vyššiu mernú tepelnú kapacitu, čo znamená, že dokážu odvádzať teplo lepšie ako vzduch. Auto používa vodu na odoberanie tepla z motora a jeho uvoľňovanie do vzduchu pomocou chladiča. Kvapalinové chladiče CPU fungujú rovnakým spôsobom.
Každý procesor, keďže je elektronickou súčasťou, generuje teplo a toto teplo absorbuje vodný blok, v ktorom cirkuluje chladiaca kvapalina. Táto kvapalina sa čerpá z vodného bloku do chladiča, podobne ako to funguje v autách. Funkciou chladiča je odvádzať teplo z kvapaliny prúdiacej vo vnútri a prenášať ho na rebrá chladiča. Ventilátor potom presúva studený vzduch cez rebrá. Toto usporiadanie, ako je znázornené na obrázku, je obzvlášť pozoruhodné, pretože kvapalinové chladenie zefektívnilo odvádzanie tepla z moderných procesorov s vysokým TDP, ktoré sú pretaktované a generujú značné množstvo tepla.
Pochopenie tepla CPU: Prečo je chladenie dôležité
Elektrina je tok elektrónov cez vodič. Keď elektrina prechádza akýmkoľvek vodičom, vytvára teplo v dôsledku odporu voči toku elektrónov. Podobne, keď elektrina prechádza cez procesor, tiež vytvára teplo.
Mikroprocesor alebo CPU je vyrobený z miliárd tranzistorov. Vždy, keď používame CPU, používa tieto tranzistory vo výpočtovej logike. Tieto tranzistory sa nabíjajú a vybíjajú, čím vytvárajú elektrický odpor, ktorý ovplyvňuje tok elektrónov a generuje teplo. Intenzívnejšie operácie na CPU, ako sú hry alebo vykresľovanie videa, vytvárajú viac tepla a vyžadujú si chladiaci systém pre takéto náročné pracovné zaťaženie.
V takýchto prípadoch sa uprednostňuje uzavretý kvapalinový systém CPU, aby sa teplota udržala v rámci limitov. V opačnom prípade CPU začne tepelne škrtiť, čo ovplyvní jeho výkon. V niektorých prípadoch, ak je chladenie veľmi slabé, môže dokonca poškodiť CPU alebo iné vnútorné komponenty, ako napríklad RAM a GPU.
Kľúčové komponenty kvapalinového chladiaceho systému
Medzi základné zložky kvapalných komponentov patria
- Vodný blok
- Čerpadlo
- Radiátor
- Hadičky, nádrže a chladiace kvapaliny
Vodný blok
Je to srdce kvapalinového chladiaceho systému, ktoré odvádza teplo z procesora. Najprémiovejší typ vodných blokov je vyrobený z bezkyslíkatej medi, ktorá má vysokú tepelnú vodivosť. Ak sa vodný blok používa s hliníkovými časťami, tieto vodné bloky sú vyrobené s poniklovaním (väčšinou je poniklovaná základňa vodného bloku, aby sa zabránilo oxidácii).
Tieto bloky majú vo svojej základni mikrokanáliky s priemerom 0,5 až 1 mm, ktoré umožňujú prúdenie kvapaliny a absorbovanie tepla generovaného procesorom. Na minimalizáciu vzduchovej medzery medzi blokom a procesorom sa používa teplovodivá pasta s tepelnou vodivosťou viac ako 8 – 12 W/mK. Na zvýšenie vodivosti je medzera medzi vodným blokom a procesorom minimalizovaná na 0,1 mm, čo je umožnené robustným montážnym mechanizmom vodného bloku. Tepelná účinnosť chladiaceho systému do značnej miery závisí od prietoku a konštrukcie poľa rebier. Keď kvapalina vstúpi do bloku, spustí sa konvekčné chladenie s koeficientom prestupu tepla 500 – 5 000 W/m2.
Čerpadlo
Čerpadlo v chladiacom systéme zabezpečuje prietok chladiacej kvapaliny cez vodný blok a chladič, čím vytvára tlak na prekonanie odporu v hadičke. Bez vhodného prietoku by ani ten najúčinnejší systém nefungoval správne. Vo väčšine chladiacich systémov tieto čerpadlá pracujú na 12 voltoch pri 2000 – 4000 ot./min., čo poskytuje dostatočný prietok 0,5 – 1 l/min a tlak na chladenie . V moderných chladiacich systémoch pre procesory sú tieto čerpadlá vyrobené s presnosťou, aby mali nízku hlučnosť a vibrácie, a sú spojené s keramickými ložiskami, ktoré zabezpečujú prevádzku bez trenia. Tieto čerpadlá dokážu meniť svoju rýchlosť podľa potreby tepelného zaťaženia.
Radiátor
Teplo odoberané kvapalinou z procesora sa odvádza do atmosféry pomocou zariadenia nazývaného radiátor a ventilátora, ktorý je k nemu pripevnený. Radiátory sú vyrobené z hliníkového jadra s medenými rebrami a chladiacimi kanálmi. Rebrá sú určené pre lepší prenos tepla vedením s účinnosťou 0,8 – 0,9. Rozstup rebier je veľmi dôležitým faktorom. Ak je hustota rebier FPI (rebrá na palec) vysoká, efektívna plocha sa zvýši. V dôsledku zvýšeného odporu prúdeniu vzduchu je však potrebný vyšší prietok vzduchu.
Nižší FPI znižuje odpor prúdenia vzduchu, ale tiež znižuje efektívnu povrchovú plochu. Kvapalina z CPU má zvyčajne o 10 – 20 °C vyššiu teplotu ako okolitý vzduch. Vstupuje do chladiča, kde prenáša teplo na rebrá. Ventilátor (1 000 – 2 000 ot./min.) potom zabezpečuje prúdenie vzduchu na odvádzanie tepla z rebier.
Hadičky, nádrže a chladiace kvapaliny
Hadičky v kvapalinovom systéme poskytujú cestu pre prenos kvapaliny z jednej zložky do druhej a sú vyrobené z PVC s vnútorným priemerom 10 mm a vonkajším priemerom 13 mm. Sú tiež vybavené opletenou výstuhou, aby sa zabránilo deformácii a prasknutiu v extrémnych prevádzkových podmienkach. Hadičky nesmú mať ostré ohyby, pretože by zvýšili odpor prúdenia a znížili celkový výkon.
Nádržka riadi objem vzduchu a kvapaliny. Je vyrobená z PVC a poskytuje mechanizmus na plnenie kvapalinou a odvádzanie vzduchových bublín do atmosféry. V niektorých prípadoch je nádržka neoddeliteľnou súčasťou čerpadla, najmä v systémoch AIO (All-in-One). Vo väčšine prípadov je kvapalina vo vnútri destilovaná voda a 30 % glykolu. Pridávajú sa aj niektoré biocídy, aby sa zabránilo rastu baktérií, a glykol sa pridáva na zníženie bodu tuhnutia až na -10 °C. Účelom chladiacej kvapaliny je odoberať teplo z procesora a uvoľňovať ho v chladiči.
Chladiaci cyklus
Generovanie tepla
Počas prevádzky, najmä pri vykonávaní náročných úloh, ako je hranie hier alebo vykresľovanie videa, alebo akákoľvek grafická alebo výpočtová práca, CPU generuje teplo s výkonom viac ako 300 wattov. Toto teplo začína pri tranzistore zabudovanom vo vnútri CPU a nakoniec sa presúva do integrovaného rozdeľovača tepla, kde je nainštalovaný vodný blok, ktorý odvádza teplo z CPU pomocou kvapaliny prúdiacej vo vnútri. Proces vedenia tepla odvádza toto teplo, pretože vodný blok má vyššiu teplotu ako kvapalina.
Absorpcia
Kvapalina vo vnútri vodného bloku absorbuje teplo generované procesorom, ktoré prúdi cez kanály vytvorené vo vnútri vodného bloku. Kvapalina pri prúdení blokom zabezpečuje, že turbulencia a vedenie tepla sú navrhnuté tak, aby mali maximálnu účinnosť z hľadiska tepelnej vodivosti. Keď kvapalina vyteká z vodného bloku, jej teplota stúpa.
Obeh
V systéme kvapalinového chladenia procesora je nainštalované čerpadlo, ktoré prečerpáva ohriatu kvapalinu a zabezpečuje, aby teplota neprekročila určitý limit. Čerpadlo zabezpečuje konštantný tok kvapaliny z vodného bloku do chladiča, čím udržiava procesor chladný a efektívne plní svoje úlohy. V moderných systémoch sa čerpadlá vyberajú pre svoju veľmi nízku hlučnosť a minimálne opotrebovanie komponentov vďaka ich vysokému prietoku.
Rozptyl
Ohriata kvapalina nakoniec vstupuje do chladiča, kde sa ochladí vzduchom z ventilátora nainštalovaného v chladiči. Chladiče sú vyrobené z hliníka s medenými rebrami. Tieto rebrá zväčšujú povrch, keď ventilátor vháňa vzduch, a tým ich ochladzujú. Keď sa tieto rebrá ochladia, ochladí sa aj chladiaca kvapalina, ktorá prechádza cez trubice.
Návrat
Kvapalina sa potom po ochladení chladičom vracia do vodného bloku. V systéme kvapalinového chladenia je nainštalované ďalšie zariadenie, známe ako zásobník. Umožňuje návrat vody, ak je jej nadmerné množstvo, a pomáha doplniť systém, keď hladina kvapaliny klesne.
Inžinierske inovácie, vďaka ktorým je kvapalinové chladenie fascinujúce
S pokrokom v technológii máme vysokorýchlostné procesory vyrobené 7nm, ktoré produkujú viac tepla. Aby sme to riešili, používame systém kvapalinového chladenia, pretože chladenie vzduchom nie je dostatočné pre procesory, ktoré generujú vysoké teplo. Inžinieri v súčasnosti vyvíjajú systém kvapalinového chladenia a jeho výrobný proces.
Teraz sa vodné bloky vyrábajú s úzkym priechodom 0,2 mm pre tok kvapaliny, čo vytvára turbulencie na zvýšenie prenosu tepla až o 50 %. Moderné kvapalinové bloky sú tiež vybavené PID regulátorom, ktorý monitoruje a reguluje teplotu v rozmedzí 2 °C od nastavenej hodnoty s meniacou sa rýchlosťou ventilátora a čerpadla a poskytuje monitorovanie teploty v reálnom čase. Okrem toho sa kvapaliny vstrekované s oxidom medi testujú na zvýšenie tepelnej vodivosti, čo vykazuje o 20 % lepší výkon.
Počkajte, to je ešte viac! Kvapalinové chladenie sa neustále vyvíja s pomocou inžinierstva využívajúceho CFD simulácie na optimalizáciu konštrukcie rebier, rýchlosti prúdenia a turbulencie, chladenia a tepelného dizajnu. Ak bude táto technologická aktualizácia pokračovať, mohli by sme mať chladiaci systém, ktorý využíva fázovú zmenu kvapaliny na horúcom rozhraní na chladenie CPU, ktorá by potom kondenzovala na chladiči.
Tipy na inštaláciu a údržbu
Inštalácia kvapaliny vyžaduje odborné zručnosti, pretože zahŕňa veľmi citlivé komponenty vrátane vody, ktorá môže v prípade úniku poškodiť procesor. Pred začatím inštalácie vyčistite všetky prvky a naneste na procesor teplovodivú pastu. Namontujte vodný blok a utiahnite skrutky rovnomerným krútiacim momentom, ktorý sa môže pohybovať od 0,6 do 1 Nm, pričom pamätajte, že skrutky sa majú uťahovať krížovo. Dôležitou súčasťou je aj trubica, ktorou bude pretekať kvapalina. Pri inštalácii sa uistite, že trubica je vedená podľa návodu a že každá hadica je zaistená svorkou. Pred začatím sa uistite, že systém je dostatočne naplnený a že v ňom nie je zachytený vzduch.
V prípade údržby zvážte buď vyhľadanie rady od odborníka, alebo nechanie práce vykonať odborníkom. Medzi tipy, o ktoré sa môžeme podeliť, patrí použitie UV reaktívnej matrice, ktorá svieti pod UV svetlom na detekciu úniku, vykonávanie cyklov čistenia raz ročne alebo podľa potreby, čím sa odstráni 95 % vzduchu a zlepší sa účinnosť. Taktiež nezabudnite systém každoročne prepláchnuť roztokom octu. Nechajte roztok cirkulovať 30 minút, aby sa rozpustil vodný kameň vo vnútri trubíc a komponentov, a potom ho opláchnite.
Výhody oproti tradičnému vzduchovému chladeniu
Merná tepelná kapacita vody je oveľa lepšia ako tepelná kapacita vzduchu, čo prirodzene dáva výhodu chladiacemu systému, ktorý používa kvapalinu. Ak je procesor dlhodobo zaťažený, kvapalinové chladenie udrží teplotu o 40 % nižšiu, ako keby bol ten istý procesor chladený vzduchom. Kvapalinové systémy poskytujú lepšie chladenie a sú tichšie, pretože čerpadlá produkujú menej hluku, voda pôsobí ako prirodzený tlmič hluku a ventilátory v radiátoroch sú tichšie. Kvapalinové chladiace systémy sú menšie a v kompaktnom počítači s rozlíšením ITX sa dajú ľahko nastaviť, vďaka čomu je počítač atraktívnejší a má lepší estetický vzhľad.
Záver
Termodynamika a inžinierstvo transformovali kvapalinové chladenie a poskytujú lepší výkon CPU s presne opracovanými dráhami prúdenia. Stabilné vzorce prúdenia využívajúce čerpadlá a účinné radiátory, ktoré obchodníci používajú na vykurovanie okolia, z neho robia spoľahlivé chladiace riešenie pre moderné počítače s vysokým výpočtovým výkonom. Ponúkajú lepšiu tepelnú vodivosť, elegantnejší dizajn, vylepšenú estetiku a tichšiu prevádzku, vďaka čomu sú lepšou voľbou oproti vzduchovým chladeniam a z regulácie tepla robia umenie.
Pre praktickú implementáciu kvapalinových chladičov CPU zvážte návštevu stránky ESGAMING o kvapalinových chladičoch . Nájdete tam rôzne prevedenia a kapacity týchto chladičov vyrobených z najkvalitnejších materiálov.