Kako deluje tekočinski hladilnik procesorja? Vodnik za začetnike
Da bi razumeli, kako deluje tekoče hlajenje v procesorju, si oglejmo, kako se hladi motor v avtomobilu. Tekočine imajo višjo specifično toploto, kar pomeni, da lahko toploto odvajajo bolje kot zrak. Avtomobil uporablja vodo za odvzem toplote motorju in njeno sproščanje v zrak s pomočjo radiatorja. Tekočinski hladilniki procesorja delujejo na enak način.
Vsak procesor, ker je elektronska komponenta, proizvaja toploto, ki jo absorbira vodni blok, kjer kroži hladilna tekočina. Ta tekočina se črpa iz vodnega bloka v radiator, podobno kot v avtomobilih. Funkcija radiatorja je, da odvzema toploto tekočini, ki teče v notranjosti, in jo prenese na rebra radiatorja. Ventilator nato premika hladen zrak čez rebra. Ta postavitev, kot je prikazano na sliki, je še posebej omembe vredna, ker je tekočinsko hlajenje omogočilo učinkovitejše odvajanje toplote iz sodobnih procesorjev z visokim TDP-jem, ki so pretaktirani in ustvarjajo znatno toploto.
Razumevanje toplote procesorja: Zakaj je hlajenje pomembno
Elektrika je tok elektronov skozi prevodnik. Ko elektrika prehaja skozi kateri koli prevodnik, zaradi upora toku elektronov ustvarja toploto. Podobno se toplota ustvarja tudi pri prehodu elektrike skozi procesor.
Mikroprocesor ali CPU je sestavljen iz milijard tranzistorjev. Kadar koli uporabljamo CPU, ta uporablja te tranzistorje v računski logiki. Ti tranzistorji se polnijo in praznijo, kar ustvarja električni upor, ki vpliva na pretok elektronov in ustvarja toploto. Intenzivnejše operacije na CPU-ju, kot so igranje iger ali upodabljanje videoposnetkov, bodo ustvarile več toplote in zahtevale hladilni sistem za tako zahtevne delovne obremenitve.
V takih primerih je za ohranjanje temperature v mejah primernejši sistem s tekočinskim hlajenjem procesorja z zaprto zanko. V nasprotnem primeru bo procesor začel s termičnim dušenjem, kar bo vplivalo na njegovo zmogljivost. V nekaterih primerih lahko zelo slabo hlajenje celo poškoduje procesor ali druge notranje komponente, kot sta RAM in grafični procesor.
Ključne komponente sistema za tekočinsko hlajenje
Osnovne sestavine tekočih komponent vključujejo
- Vodni blok
- Črpalka
- Radiator
- Cevi, rezervoar in hladilna tekočina
Vodni blok
Je srce sistema tekočega hlajenja, ki odvaja toploto iz procesorja. Najbolj premium vrsta vodnih blokov je izdelana iz bakra brez kisika, ki ima visoko toplotno prevodnost. Če se vodni blok uporablja z aluminijastimi deli, so ti vodni bloki izdelani z nikljanjem (večinoma je osnova vodnega bloka ponikljana, da se prepreči oksidacija).
Ti bloki imajo v svojem podstavku mikrokanale velikosti od 0,5 do 1 mm, ki omogočajo pretok tekočine in absorbiranje toplote, ki jo ustvarja procesor. Za zmanjšanje zračne reže med blokom in procesorjem se uporablja termalna pasta s toplotno prevodnostjo več kot 8–12 W/mK. Za povečanje prevodnosti je reža med vodnim blokom in procesorjem zmanjšana na 0,1 mm, kar omogoča robusten mehanizem za pritrditev vodnega bloka. Toplotna učinkovitost hladilnega sistema je v veliki meri odvisna od pretoka in zasnove reber. Ko tekočina vstopi v blok, se začne konvektivno hlajenje s koeficientom prenosa toplote 500–5000 W/m2.
Črpalka
Črpalka v hladilnem sistemu omogoča pretok hladilne tekočine skozi vodni blok in radiator, s čimer zagotavlja tlak, ki premaga upor cevi. Brez ustreznega pretoka niti najučinkovitejši sistem ne bi deloval pravilno. V večini hladilnih sistemov te črpalke delujejo na 12 voltih pri 2000–4000 vrt/min, kar zagotavlja zadosten pretok 0,5–1 l/min in tlak za hlajenje . V sodobnih hladilnih sistemih za procesorje so te črpalke izdelane natančno, da imajo nizek hrup in vibracije, skupaj s keramičnimi ležaji za delovanje brez trenja. Te črpalke lahko spreminjajo svojo hitrost glede na toplotno obremenitev.
Radiator
Toplota, ki jo tekočina odvzame procesorju, se s pomočjo naprave, imenovane radiator, in nanj nameščenega ventilatorja odvaja v ozračje. Radiatorji so izdelani iz aluminijastega jedra z bakrenimi rebri in kanali za hladilno tekočino. Rebra so namenjena boljšemu prevodnemu prenosu toplote z učinkovitostjo 0,8–0,9. Razmik med rebri je zelo pomemben dejavnik. Če je gostota reber FPI (rebra na palec) visoka, se efektivna površina poveča. Vendar pa je zaradi povečanega upora zračnemu toku potreben večji pretok zraka.
Nižji FPI zmanjša upor pretoka zraka, hkrati pa zmanjša tudi efektivno površino. Običajno ima tekočina iz procesorja temperaturo 10–20 °C višjo od temperature okoliškega zraka. Vstopi v radiator, kjer prenese toploto na rebra. Ventilator (1000–2000 vrt/min) nato zagotavlja pretok zraka za odvajanje toplote z reber.
Cevi, rezervoar in hladilna tekočina
Cevi v tekočinskem sistemu zagotavljajo pot za prenos tekočine iz ene komponente v drugo, izdelane pa so iz PVC-ja z notranjim premerom 10 mm in zunanjim premerom 13 mm. Opremljene so tudi s pleteno oporo, da se prepreči deformacija in pokanje v ekstremnih delovnih pogojih. Cevi ne smejo imeti ostrih ovinkov, saj bodo to povečalo upor pretoka in zmanjšalo splošno zmogljivost.
Rezervoar uravnava količino zraka in tekočine. Izdelan je iz PVC-ja in zagotavlja mehanizem za polnjenje s tekočino in odzračevanje zračnih mehurčkov v ozračje. V nekaterih primerih je rezervoar sestavni del črpalke, zlasti v sistemu AIO (vse v enem). V večini primerov je tekočina v notranjosti destilirana voda in 30 % glikola. Dodanih je tudi nekaj biocidov za preprečevanje rasti bakterij, glikol pa se doda za znižanje ledišča na -10 °C. Namen hladilne tekočine je odvzemati toploto procesorju in jo sproščati v radiatorju.
Hladilni cikel
Proizvodnja toplote
Med delovanjem, zlasti pri opravljanju zahtevnih nalog, kot so igranje iger ali upodabljanje videoposnetkov, ali pri katerem koli grafičnem ali računalniškem delu, procesor ustvari toploto z močjo več kot 300 vatov. Ta toplota se začne pri tranzistorju, vgrajenem v procesor, in se na koncu premakne do integriranega razpršilnika toplote, kjer je nameščen vodni blok, ki s pomočjo tekočine, ki teče v njem, odvaja toploto iz procesorja. Postopek prevajanja odvaja to toploto, ker ima vodni blok višjo temperaturo kot tekočina.
Absorpcija
Tekočina v vodnem bloku absorbira toploto, ki jo ustvarja procesor, ko teče skozi kanale v vodnem bloku. Tekočina med pretakanjem skozi blok zagotavlja, da sta turbulenca in prevajanje toplote zasnovani tako, da sta zasnovani tako, da dosežeta največjo učinkovitost v smislu toplotne prevodnosti. Ko tekočina izteče iz vodnega bloka, se je njena temperatura dvignila.
Kroženje
V sistemu za tekočinsko hlajenje procesorja je nameščena črpalka, ki prenaša segreto tekočino in zagotavlja, da temperatura ne preseže določene meje. Črpalka zagotavlja stalen pretok tekočine iz vodnega bloka v radiator, s čimer ohranja procesor hladen in učinkovito opravlja svoje naloge. V sodobnem sistemu so črpalke izbrane zaradi zelo nizkega hrupa in minimalne obrabe komponent zaradi visokega pretoka.
Disipacija
Ogreta tekočina končno vstopi v radiator, kjer jo ohladi zrak iz ventilatorja, nameščenega v radiatorju. Radiatorji so izdelani iz aluminija z bakrenimi rebri. Ta rebra povečajo površino, ko ventilator piha zrak in jih pri tem hladi. Ko se ta rebra ohladijo, se ohladi hladilna tekočina, ki prehaja skozi cevi.
Vrnitev
Tekočina se nato po hlajenju z radiatorjem vrne v vodni blok. V sistemu za tekočinsko hlajenje je nameščen še en del opreme, znan kot rezervoar. Omogoča vračanje vode, če je je preveč, in pomaga pri polnjenju sistema, ko se nivo tekočine zmanjša.
Inženirske inovacije, zaradi katerih je tekoče hlajenje fascinantno
Z napredkom tehnologije imamo visokohitrostne 7nm procesorje, ki proizvajajo več toplote. Da bi to rešili, uporabljamo sistem tekočega hlajenja, saj zračno hlajenje ni zadostno za procesorje, ki proizvajajo veliko toplote. Inženirji zdaj razvijajo sistem tekočega hlajenja in njegov proizvodni proces.
Zdaj so vodni bloki izdelani z ozkim prehodom 0,2 mm za pretok tekočine, kar ustvarja turbulenco za povečanje prenosa toplote do 50 %. Sodobni tekočinski bloki so opremljeni tudi s PID krmilnikom, ki spremlja in uravnava temperaturo znotraj 2 °C od nastavljene vrednosti s spreminjanjem hitrosti ventilatorja in črpalke ter zagotavlja spremljanje temperature v realnem času. Poleg tega so tekočine, vbrizgane z bakrovim oksidom, preizkušene za povečanje toplotne prevodnosti, kar kaže na 20 % boljšo učinkovitost.
Počakajte, to je še več! Tekočinsko hlajenje se nenehno razvija s pomočjo inženiringa, ki uporablja CFD simulacije za optimizacijo konstrukcije reber, hitrosti pretoka in turbulence, hlajenja in toplotne zasnove. Če se bo ta tehnološka nadgradnja nadaljevala, bi lahko imeli hladilni sistem, ki za hlajenje procesorja uporablja fazno spremembo tekočine na vročem vmesniku, ki bi nato kondenzirala na radiatorju.
Nasveti za namestitev in vzdrževanje
Namestitev tekočine zahteva strokovne veščine, saj vključuje zelo občutljive komponente, vključno z vodo, ki lahko v primeru puščanja poškoduje procesor. Pred začetkom namestitve očistite vse elemente in na procesor nanesite termalno pasto. Namestite vodni blok in privijte vijake z enakomernim navorom, ki se lahko giblje od 0,6 do 1 Nm, pri čemer upoštevajte, da je treba vijake priviti križno. Pomemben sestavni del je tudi cev, skozi katero bo tekla tekočina. Pri namestitvi se prepričajte, da je cev speljana v skladu z navodili in da je vsaka cev pritrjena s sponko. Pred začetkom se prepričajte, da je sistem ustrezno napolnjen in da v njem ni ujetega zraka.
Za vzdrževanje razmislite o tem, da poiščete nasvet strokovnjaka ali pa delo pustite opraviti strokovnjaku. Nekateri nasveti, ki jih lahko delimo, vključujejo uporabo UV-reaktivne matrice, ki sveti pod UV-svetlobo za zaznavanje puščanja, letno ali po potrebi izvajanje ciklov čiščenja, ki bodo odstranili 95 % zraka za izboljšanje učinkovitosti. Prav tako vsako leto sperite sistem z raztopino kisa. Raztopino pustite krožiti 30 minut, da se raztopi vodni kamen v ceveh in komponentah, nato pa jo sperite.
Prednosti pred tradicionalnim zračnim hlajenjem
Specifična toplota vode je veliko boljša od toplote zraka, kar seveda daje prednost hladilnemu sistemu, ki uporablja tekočino. Če je procesor trajno obremenjen, bo tekočinsko hlajenje ohranilo temperaturo 40 % nižjo kot pri hlajenju istega procesorja z zračnim hlajenjem. Tekočinski sistemi zagotavljajo boljše hlajenje in so tišji, ker črpalke proizvajajo manj hrupa, voda deluje kot naravni dušilec hrupa, ventilatorji v radiatorjih pa so tišji. Tekočinski hladilni sistemi so manjši in jih je mogoče enostavno prilagoditi v kompaktnem računalniku ITX, zaradi česar je računalnik privlačen z boljšo estetiko.
Zaključek
Termodinamika in inženiring sta preoblikovala tekoče hlajenje in zagotovila boljšo zmogljivost procesorja z natančno obdelanimi potmi pretoka. Enakomerni vzorci pretoka z uporabo črpalk in učinkovitih radiatorjev, ki jih trgovci uporabljajo za ogrevanje okolice, ga naredijo zanesljivo hladilno rešitev za sodobne visokozmogljive računalnike. Ponujajo boljšo toplotno prevodnost, elegantnejšo obliko, izboljšano estetiko in tišje delovanje, zaradi česar so boljša izbira v primerjavi z rešitvami zračnega hlajenja in spreminjajo upravljanje toplote v umetnost.
Za praktično uporabo hladilnih tekočin za procesorje obiščite stran ESGAMING o hladilnih tekočinah . Našli boste različne modele in zmogljivosti teh hladilnikov, izdelanih iz najkakovostnejših materialov.