Tản nhiệt nước CPU hoạt động như thế nào? Hướng dẫn cho người mới bắt đầu

Để hiểu cách hoạt động của tản nhiệt chất lỏng trong CPU, hãy xem xét cách động cơ xe hơi được làm mát. Chất lỏng có nhiệt dung riêng cao hơn, nghĩa là chúng có khả năng tản nhiệt tốt hơn không khí. Xe hơi sử dụng nước để lấy nhiệt từ động cơ và giải phóng vào không khí thông qua bộ tản nhiệt. Bộ tản nhiệt chất lỏng cho CPU cũng hoạt động theo cách tương tự.

Vì là linh kiện điện tử, mỗi CPU đều sinh nhiệt, và nhiệt này được hấp thụ bởi một khối nước, nơi chất lỏng làm mát đang tuần hoàn. Chất lỏng này được bơm từ khối nước đến bộ tản nhiệt, tương tự như cách thức hoạt động trên ô tô. Chức năng của bộ tản nhiệt là trích nhiệt từ chất lỏng chảy bên trong và truyền đến các cánh tản nhiệt. Sau đó, một quạt sẽ thổi luồng khí mát qua các cánh tản nhiệt. Thiết kế này, như minh họa trong hình, đặc biệt đáng chú ý vì tản nhiệt bằng chất lỏng đã giúp tản nhiệt hiệu quả hơn từ các CPU hiện đại có TDP cao, được ép xung và tỏa ra lượng nhiệt đáng kể.

Hiểu về nhiệt độ CPU: Tại sao việc làm mát lại quan trọng

Dòng điện là dòng electron chạy qua một vật dẫn. Khi dòng điện chạy qua bất kỳ vật dẫn nào, nó sẽ sinh ra nhiệt do điện trở cản trở dòng electron. Tương tự, khi dòng điện chạy qua CPU, nó cũng sẽ sinh ra nhiệt.

Một bộ vi xử lý hoặc CPU được tạo thành từ hàng tỷ bóng bán dẫn. Bất cứ khi nào chúng ta sử dụng CPU, nó sẽ sử dụng các bóng bán dẫn này trong logic tính toán. Các bóng bán dẫn này tích điện và xả điện, tạo ra điện trở ảnh hưởng đến dòng electron và sinh ra nhiệt. Các hoạt động mạnh hơn trên CPU, chẳng hạn như chơi game hoặc kết xuất video, sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn và đòi hỏi một hệ thống làm mát cho khối lượng công việc nặng nề như vậy.

Trong những trường hợp như vậy, hệ thống tản nhiệt chất lỏng vòng kín của CPU được ưu tiên để giữ nhiệt độ trong giới hạn cho phép. Nếu không, CPU sẽ bắt đầu giảm xung nhịp do nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất. Trong một số trường hợp, nếu tản nhiệt quá kém, thậm chí có thể làm hỏng CPU hoặc các linh kiện bên trong khác, chẳng hạn như RAM và GPU.

Các thành phần chính của hệ thống làm mát bằng chất lỏng

Các thành phần cơ bản của các thành phần chất lỏng bao gồm

• Khối nước
• Máy bơm
• Bộ tản nhiệt
• Ống, bình chứa và chất làm mát

Khối nước

Đây là trái tim của hệ thống tản nhiệt chất lỏng, giúp tản nhiệt từ CPU. Loại khối tản nhiệt nước cao cấp nhất được làm từ đồng không oxy, có độ dẫn nhiệt cao. Nếu khối tản nhiệt nước được sử dụng với các bộ phận bằng nhôm, những khối tản nhiệt này được mạ niken (phần đế của khối tản nhiệt nước chủ yếu được mạ niken để tránh oxy hóa).

Các khối tản nhiệt này có các kênh siêu nhỏ từ 0,5 đến 1 mm ở đáy, cho phép chất lỏng lưu thông và hấp thụ nhiệt do CPU tạo ra. Để giảm thiểu khe hở không khí giữa khối tản nhiệt và CPU, keo tản nhiệt có độ dẫn nhiệt trên 8-12W/mK được sử dụng. Để tăng độ dẫn nhiệt, khoảng cách giữa khối tản nhiệt nước và CPU được giảm thiểu xuống còn 0,1 mm, nhờ cơ cấu lắp đặt chắc chắn cho khối tản nhiệt nước. Hiệu suất nhiệt của hệ thống tản nhiệt phụ thuộc phần lớn vào lưu lượng và thiết kế của mảng cánh tản nhiệt. Khi chất lỏng đi vào khối tản nhiệt, nó bắt đầu quá trình làm mát đối lưu với hệ số truyền nhiệt từ 500-5000W/m².

Máy bơm

Bơm trong hệ thống làm mát giúp chất làm mát chảy qua khối nước và bộ tản nhiệt, tạo áp suất cho chất lỏng để vượt qua lực cản của ống. Nếu không có lưu lượng phù hợp, ngay cả hệ thống hiệu quả nhất cũng sẽ không hoạt động chính xác. Trong hầu hết các hệ thống làm mát, các bơm này hoạt động ở mức 12 volt với tốc độ 2000-4000 vòng/phút, cung cấp đủ lưu lượng 0,5-1 lít/phút và cột áp để thực hiện việc làm mát. Trong các hệ thống làm mát hiện đại cho CPU, các bơm này được chế tạo chính xác để có độ ồn và độ rung thấp, kết hợp với vòng bi gốm để vận hành không ma sát. Các bơm này có thể thay đổi tốc độ tùy theo tải nhiệt.

Bộ tản nhiệt

Nhiệt lượng lấy từ CPU bằng chất lỏng được thải ra môi trường thông qua một thiết bị gọi là bộ tản nhiệt (radiator) và một quạt gắn trên đó. Bộ tản nhiệt được làm bằng lõi nhôm với các cánh tản nhiệt bằng đồng và các kênh dẫn chất lỏng. Các cánh tản nhiệt được thiết kế để truyền nhiệt tốt hơn với hiệu suất 0,8-0,9. Khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt là một yếu tố rất quan trọng. Nếu mật độ cánh tản nhiệt (FPI - Fins per Inch) cao, diện tích hiệu dụng sẽ tăng. Tuy nhiên, lưu lượng khí cần thiết sẽ lớn hơn do lực cản dòng khí tăng.

Chỉ số FPI thấp hơn làm giảm lực cản dòng khí, nhưng cũng làm giảm diện tích bề mặt hiệu dụng. Thông thường, chất lỏng từ CPU có nhiệt độ cao hơn không khí xung quanh từ 10-20 °C. Nó đi vào bộ tản nhiệt, nơi nhiệt được truyền đến các lá tản nhiệt. Sau đó, một quạt (1000-2000 vòng/phút) sẽ cung cấp luồng khí để tản nhiệt từ các lá tản nhiệt.

Ống, bình chứa và chất làm mát

Ống trong hệ thống chất lỏng cung cấp đường dẫn cho chất lỏng chuyển từ bộ phận này sang bộ phận khác, được làm từ PVC có đường kính trong (ID) 10mm và đường kính ngoài (OD) 13mm. Ống cũng được trang bị lớp hỗ trợ bện để tránh biến dạng và vỡ trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. Ống không được uốn cong đột ngột, vì điều này sẽ làm tăng lực cản dòng chảy và làm giảm hiệu suất tổng thể.

Bình chứa quản lý thể tích không khí và chất lỏng. Bình chứa được làm từ PVC và có chức năng bơm chất lỏng và xả bọt khí ra ngoài. Trong một số trường hợp, bình chứa là một phần không thể thiếu của máy bơm, đặc biệt là trong hệ thống AIO (Tất cả trong một). Trong hầu hết các trường hợp, chất lỏng bên trong là nước cất và 30% glycol. Một số chất diệt khuẩn cũng được thêm vào để ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn, và glycol được thêm vào để hạ nhiệt độ đóng băng xuống thấp đến -10 °C. Mục đích của chất làm mát là lấy nhiệt từ CPU và giải phóng vào bộ tản nhiệt.

Chu trình làm mát

Sinh nhiệt

Trong quá trình hoạt động, đặc biệt là khi thực hiện các tác vụ nặng như chơi game, render video, hoặc bất kỳ công việc đồ họa hay tính toán nào, CPU sẽ tỏa ra nhiệt lượng hơn 300 watt. Nhiệt lượng này bắt đầu từ bóng bán dẫn tích hợp bên trong CPU và cuối cùng truyền đến bộ tản nhiệt tích hợp, nơi một khối nước được lắp đặt để lấy nhiệt từ CPU với sự trợ giúp của chất lỏng chảy bên trong. Quá trình dẫn nhiệt sẽ loại bỏ nhiệt lượng này vì khối nước có nhiệt độ cao hơn chất lỏng.

Sự hấp thụ

Chất lỏng bên trong khối nước hấp thụ nhiệt do CPU sinh ra khi chảy qua các kênh được tạo ra bên trong khối nước. Khi chảy qua khối nước, chất lỏng đảm bảo sự nhiễu loạn và dẫn nhiệt được thiết kế để đạt hiệu suất dẫn nhiệt tối đa. Khi chất lỏng chảy ra khỏi khối nước, nhiệt độ của nó tăng lên.

Lưu thông

Một máy bơm được lắp đặt trong hệ thống tản nhiệt chất lỏng cho CPU để truyền chất lỏng nóng, đảm bảo nhiệt độ không vượt quá một giới hạn nhất định. Máy bơm cung cấp dòng chảy liên tục từ khối nước đến bộ tản nhiệt, giúp CPU luôn mát mẻ và thực hiện nhiệm vụ một cách hiệu quả. Trong một hệ thống hiện đại, máy bơm được lựa chọn vì độ ồn rất thấp và ít hao mòn linh kiện nhờ lưu lượng cao.

Sự tiêu tán

Chất lỏng được làm nóng cuối cùng đi vào bộ tản nhiệt, tại đây nó sẽ được làm mát bằng không khí từ một quạt lắp đặt trong bộ tản nhiệt. Bộ tản nhiệt được làm bằng nhôm với các cánh tản nhiệt bằng đồng. Các cánh tản nhiệt này làm tăng diện tích bề mặt khi quạt thổi không khí, đồng thời làm mát chúng. Khi các cánh tản nhiệt này được làm mát, chất làm mát đi qua các ống cũng được làm mát.

Trở lại

Chất lỏng sau khi được làm mát bởi bộ tản nhiệt sẽ quay trở lại khối nước. Một thiết bị khác, được gọi là bình chứa, được lắp đặt trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Bình chứa này cho phép nước quay trở lại nếu lượng nước dư thừa và giúp hệ thống nạp lại khi mức chất lỏng giảm.

Những đổi mới kỹ thuật khiến công nghệ làm mát bằng chất lỏng trở nên hấp dẫn

Với sự tiến bộ của công nghệ, chúng ta có CPU 7nm tốc độ cao, tỏa nhiệt nhiều hơn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi sử dụng hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng, vì tản nhiệt bằng không khí không đủ cho các CPU tỏa nhiệt cao. Hiện nay, bộ phận kỹ thuật đang cải tiến hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng và quy trình sản xuất.

Hiện nay, các khối nước được thiết kế với đường dẫn hẹp 0,2mm cho dòng chảy chất lỏng, tạo ra sự nhiễu loạn để tăng khả năng truyền nhiệt lên đến 50%. Modern Liquid cũng được trang bị bộ điều khiển PID giúp giám sát và kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi 2°C so với nhiệt độ cài đặt với tốc độ quạt và bơm thay đổi, đồng thời cung cấp khả năng giám sát nhiệt độ theo thời gian thực. Ngoài ra, chất lỏng được phun oxit đồng đã được thử nghiệm để tăng độ dẫn nhiệt, cho thấy hiệu suất tốt hơn 20%.

Khoan đã, còn nữa! Làm mát bằng chất lỏng đang liên tục phát triển với sự trợ giúp của kỹ thuật sử dụng mô phỏng CFD để tối ưu hóa cấu trúc cánh tản nhiệt, tốc độ dòng chảy, độ nhiễu loạn, khả năng làm mát và thiết kế nhiệt. Nếu công nghệ này tiếp tục được nâng cấp, chúng ta có thể có một hệ thống làm mát sử dụng sự thay đổi pha của chất lỏng tại giao diện nóng để làm mát CPU, sau đó ngưng tụ tại bộ tản nhiệt.

Mẹo lắp đặt và bảo trì

Việc lắp đặt chất lỏng đòi hỏi kỹ năng chuyên môn cao vì nó liên quan đến các bộ phận rất nhạy cảm, bao gồm cả nước, có thể làm hỏng CPU nếu bị rò rỉ. Trước khi bắt đầu lắp đặt, hãy vệ sinh tất cả các bộ phận và bôi keo tản nhiệt lên CPU. Lắp khối tản nhiệt nước và siết chặt các vít với mô-men xoắn đều từ 0,6-1Nm, và lưu ý rằng các vít phải được siết theo hình chữ thập. Ống dẫn chất lỏng chảy qua cũng là một bộ phận quan trọng. Khi lắp đặt, hãy đảm bảo ống được định tuyến theo hướng dẫn sử dụng và mỗi ống đều được cố định bằng kẹp. Trước khi bắt đầu, hãy đảm bảo hệ thống được mồi nước đầy đủ và không có khí bị kẹt.

Về việc bảo trì, hãy cân nhắc tìm kiếm sự hướng dẫn từ chuyên gia hoặc nhờ chuyên gia thực hiện. Một số mẹo chúng tôi có thể chia sẻ bao gồm sử dụng khuôn phản ứng với tia UV phát sáng dưới ánh sáng UV để phát hiện rò rỉ, thực hiện chu kỳ xả hàng năm hoặc khi cần thiết, giúp loại bỏ 95% không khí để cải thiện hiệu suất. Ngoài ra, hãy đảm bảo xả hệ thống hàng năm bằng dung dịch giấm. Cho dung dịch tuần hoàn trong 30 phút để hòa tan cặn bám bên trong ống và các bộ phận, sau đó rửa sạch.

Ưu điểm so với làm mát bằng không khí truyền thống

Nhiệt dung riêng của nước tốt hơn nhiều so với không khí, và điều này tự nhiên mang lại lợi thế cho hệ thống tản nhiệt sử dụng chất lỏng. Nếu CPU chịu tải liên tục, tản nhiệt chất lỏng sẽ giữ nhiệt độ thấp hơn 40% so với khi CPU đó được làm mát bằng hệ thống tản nhiệt khí. Hệ thống tản nhiệt chất lỏng mang lại khả năng làm mát tốt hơn và êm hơn vì bơm ít gây tiếng ồn hơn, nước đóng vai trò như một bộ giảm âm tự nhiên, và quạt tản nhiệt cũng êm hơn. Hệ thống tản nhiệt chất lỏng có kích thước nhỏ hơn và có thể dễ dàng điều chỉnh trong máy tính ITX nhỏ gọn, giúp máy tính trở nên bắt mắt và thẩm mỹ hơn.

Phần kết luận

Nhiệt động lực học và kỹ thuật đã biến đổi hệ thống làm mát bằng chất lỏng, mang lại hiệu suất CPU tốt hơn với đường dẫn dòng chảy được gia công chính xác. Các mô hình dòng chảy ổn định sử dụng bơm và bộ tản nhiệt hiệu quả mà các nhà giao dịch sử dụng để làm nóng môi trường xung quanh, biến nó thành một giải pháp làm mát đáng tin cậy cho các máy tính điện toán cao hiện đại. Chúng có độ dẫn nhiệt tốt hơn, thiết kế thanh lịch hơn, tính thẩm mỹ được cải thiện và hoạt động êm ái hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn vượt trội so với các giải pháp làm mát bằng không khí và biến việc quản lý nhiệt trở thành một nghệ thuật.

Để biết cách sử dụng tản nhiệt nước CPU hiệu quả, hãy truy cập trang tản nhiệt nước ESGAMING . Bạn sẽ tìm thấy nhiều kiểu dáng và dung tích tản nhiệt khác nhau, được làm từ vật liệu chất lượng cao nhất.