Компютърни охладителни системи: пасивни, активни, течни, фреон, воден охладител, отворено изпарение, каскада, охладителна система Пелтие

По време на работата на компютъра някои от неговите компоненти се нагряват много и ако генерираната топлина не се отстрани достатъчно бързо, тогава компютърът просто няма да може да работи поради нарушаване на нормалните характеристики на основните си полупроводникови компоненти.

Отстраняването на топлина от нагряващите части на компютъра е най -важната задача, която компютърната охладителна система решава, която е набор от специализирани инструменти, които функционират непрекъснато, системно и хармонично през цялото време, през което компютърът се използва активно.

По време на работата на компютърната охладителна система се оползотворява топлината, генерирана от преминаването на работните токове през ключовите елементи на компютъра, особено през елементите на системния му блок. Количеството топлина, генерирано в този случай, зависи от изчислителните ресурси на компютъра и от текущото му натоварване по отношение на всички ресурси, с които разполага машината.

Във всеки случай топлината се възстановява в атмосферата. При пасивно охлаждане топлината се отстранява от нагрятите части през радиатор директно в околния въздух чрез конвенционална конвекция и инфрачервено лъчение. При активно охлаждане освен конвекция и инфрачервено излъчване се използва и издухване с вентилатор, което увеличава интензивността на конвекцията (това решение се нарича «охладител»).

Съществуват и системи за течно охлаждане, когато топлината първо се пренася от топлоносител, а след това отново се използва в атмосферата. Има отворени изпарителни системи, при които топлината се отстранява поради фазовия преход на охлаждащата течност.

Така че, съгласно принципа на отнемане на топлина от нагревателните части на компютъра, има системи за охлаждане: въздушно охлаждане, течно охлаждане, фреон, отворено изпаряване и комбинирано (на базата на елементи Пелтие и водни охладители).

Пасивна система за въздушно охлаждане

Оборудването, което не е натоварено с топлина, изобщо не изисква специални охладителни системи. Оборудване, което не е натоварено с топлина, е такова, при което топлинният поток от един квадратен сантиметър от нагрятата повърхност (плътност на топлинния поток) не надвишава 0,5 mW. При тези условия прегряването на нагрятата повърхност спрямо околния въздух няма да бъде по -високо от 0,5 ° C, обичайният максимум за такъв случай е +60 ° C.

Но ако топлинните параметри на компонентите в нормалния режим на тяхната работа надвишават тези стойности (при запазване на генерирането на топлина, обаче, относително ниски), тогава на такива компоненти се монтират само радиатори, тоест устройства за пасивно отвеждане на топлината, т. нар. пасивни охладителни системи.

Когато мощността на чипа е ниска или когато изискванията за изчислителния капацитет на системата са постоянно ограничени, като правило е достатъчен само радиатор, дори без вентилатор. Радиаторът се избира индивидуално във всеки случай.

По принцип пасивната система за охлаждане работи по следния начин.Топлината се пренася директно от нагревателния компонент (чип) към радиатора поради топлопроводимостта на материала или с помощта на топлинни тръби (термосифон или изпарителна камера са различни фундаментални решения с топлинни тръби).

Функцията на радиатора е да излъчва топлина в околното пространство чрез инфрачервено излъчване и да предава топлина просто чрез топлопроводимостта на околния въздух, което допринася за възникването на естествени конвекционни токове. За да се излъчва топлина по цялата площ на радиатора възможно най -интензивно, повърхността на радиатора става черна.

Най -вече днес (в различно оборудване, включително компютри), широко разпространена е пасивната система за охлаждане. Такава система е много гъвкава, тъй като радиаторите могат лесно да се монтират на повечето компоненти с интензивно генериране на топлина. Колкото по -голяма е ефективната площ на разсейване на топлината от радиатора, толкова по -ефективно е охлаждането.

Важни фактори, влияещи върху ефективността на охлаждането, са скоростта на въздушния поток, преминаващ през радиатора, и температурата (особено температурната разлика спрямо околната среда).

Много хора знаят, че преди да монтирате радиатор върху компонент, е необходимо да нанесете топлопроводима паста (например KPT-8) върху чифтосващите повърхности. Това се прави, за да се увеличи топлопроводимостта в пространството между компонентите.

Първоначално проблемът е, че повърхностите на радиатора и компонента, върху който е инсталиран, след фабрично производство и смилане, все още имат грапавости от порядъка на 10 микрона, а дори и след полиране остават около 5 микрона грапавост. Тези неравности пречат на свързващите повърхности да се притискат възможно най -плътно една до друга, без празнина, в резултат на което се образува въздушна междина с ниска топлопроводимост.

Радиаторите с най -голям размер и активна площ обикновено се монтират на централните и графичните процесори. Ако е необходимо да се сглоби безшумен компютър, тогава предвид ниската скорост на преминаване на въздуха са необходими специални много големи радиатори, характеризиращи се с повишена ефективност на разсейване на топлината.

Активна система за въздушно охлаждане

За да се подобри охлаждането, за да се направи въздушният поток през радиатора по -интензивен, допълнително се използват вентилатори. Радиатор, оборудван с вентилатор, се нарича охладител. Охладителите са инсталирани на графичните и централните процесори на компютъра. Ако не е възможно да се инсталира радиатор на някои от компонентите, като например твърд диск, или не е препоръчително, тогава се използва просто издухване с вентилатор без радиатор. Това е напълно достатъчно.

Течна охладителна система

Системата за течно охлаждане работи на принципа на прехвърляне на топлина от охладения компонент към радиатора с помощта на работна течност, циркулираща в системата. Такава течност обикновено е дестилирана вода с бактерицидни и анти-галванични добавки или антифриз, масло, други специални течности, а в някои случаи и течен метал.

Подобна система задължително включва: помпа за циркулация на течността и радиатор (воден блок, охлаждаща глава), за да отнеме топлината от нагревателния елемент и да я прехвърли към работната течност. След това топлината се разсейва от радиатор (активна или пасивна система).

Освен това системата за охлаждане с течност има резервоар с работен флуид, който компенсира термичното му разширение и увеличава топлинната инерция на системата. Резервоарът е удобен за пълнене и също така е удобно да се източва работната течност през него. В такава система са необходими необходимите маркучи и тръби. По избор може да бъде наличен сензор за поток на течност.

Работният флуид има достатъчно висок топлинен капацитет, за да осигури висока ефективност на охлаждане при ниска скорост на циркулация и висока топлопроводимост, което свежда до минимум температурната разлика между изпарителната повърхност и стената на тръбата.

Охлаждаща система с фреон

При екстремно овърклокване на процесора се изисква отрицателна температура на охладения елемент по време на неговата непрекъсната работа. За това са необходими фреонови инсталации. Тези системи са хладилни агрегати, в които изпарителят е монтиран директно върху компонента, от който топлината трябва да се отстранява с много висока скорост.

Недостатъците на фреоновата система, освен сложността й, са: необходимостта от топлоизолация, задължителната борба с кондензата, трудността при охлаждане на няколко компонента едновременно, високата консумация на енергия и високата цена.

Waterchiller

Waterchiller е охладителна система, която съчетава фреонов агрегат и течно охлаждане. Тук антифризът, циркулиращ в системата, се охлажда допълнително в топлообменник с помощта на фреонов блок.

В такава система се получава отрицателна температура с помощта на фреонова единица и течността може едновременно да охлажда няколко компонента. Обичайната охладителна система с фреон не позволява това. Недостатъците на воден охладител са необходимостта от топлоизолация на цялата система, както и сложността и високата цена.

Охлаждаща система с отворено изпарение

В охладителните системи с отворени пари се използва работна течност — хладилен агент като хелий, течен азот или сух лед. Работната течност се изпарява в отворено стъкло, което се монтира директно върху нагревателния елемент, който трябва да се охлади много бързо.

Този метод принадлежи на любителите и се използва главно от любители-ентусиасти, които се нуждаят от екстремен овърклок («овърклок») на наличното оборудване. Използвайки този метод, можете да получите най -ниската температура, но стъклото с хладилния агент ще трябва да се допълва редовно, тоест системата има ограничение във времето и изисква постоянно внимание.

Каскадна охладителна система

Каскадна охладителна система означава едновременно последователно включване на два или повече фреона. За постигане на по -ниски температури се използва фреон с намалена точка на кипене. Ако машината с фреон е едностепенна, тогава е необходимо да се увеличи работното налягане с мощни компресори.

Но има и алтернатива — охлаждане на радиатора на фреонов блок с друг подобен блок. Така работното налягане в системата може да бъде намалено и вече не се изисква висока мощност от компресорите, могат да се използват конвенционални компресори. Каскадната система, въпреки сложността си, позволява да се постигне по -ниска температура, отколкото при конвенционална фреонова инсталация, а в сравнение с отворена изпарителна система, такава инсталация може да работи непрекъснато.

Охлаждаща система Peltier

В охладителната система с елемент Пелтие той е монтиран със студената си страна на повърхността, която трябва да се охлажда, докато горещата страна на елемента изисква интензивно охлаждане от друга система по време на работата му. Системата е сравнително компактна.