Sustavi hlađenja računala: pasivno, aktivno, tekuće, freonsko, vodeno hlađenje, otvoreno isparavanje, kaskadno, Peltier hlađenje

Tijekom rada računala, neke od njegovih komponenti se jako zagrijavaju, a ako se stvorena toplina ne ukloni dovoljno brzo, računalo jednostavno neće moći raditi zbog kršenja normalnih karakteristika njegovih glavnih poluvodičkih komponenti.

Odvođenje topline s grijaćih dijelova računala najvažnija je zadaća koju rješava sustav hlađenja računala, a to je skup specijaliziranih alata koji kontinuirano, sustavno i usklađeno funkcioniraju tijekom cijelog vremena aktivnog korištenja računala.

Tijekom rada rashladnog sustava računala iskorištava se toplina nastala prolaskom radnih struja kroz ključne elemente računala, posebice kroz elemente njegove sistemske jedinice.Količina proizvedene topline u ovom slučaju ovisi o računalnim resursima računala i njegovom trenutnom opterećenju u odnosu na sve resurse koji su stroju dostupni.

U svakom slučaju, toplina se vraća u atmosferu. Kod pasivnog hlađenja toplina se odvodi iz grijanih dijelova preko radijatora izravno u okolni zrak konvencionalnom konvekcijom i infracrvenim zračenjem. Kod aktivnog hlađenja, osim konvekcije i infracrvenog zračenja, koristi se i puhanje ventilatorom, čime se povećava intenzitet konvekcije (ovo rješenje se naziva «hladnjak»).

Postoje i sustavi tekućeg hlađenja gdje se toplina prvo prenosi pomoću nosača topline, a zatim se ponovno koristi u atmosferi. Postoje otvoreni sustavi isparavanja gdje se toplina uklanja zbog faznog prijelaza rashladnog sredstva.

Dakle, prema principu uklanjanja topline iz grijaćih dijelova računala, postoje sustavi hlađenja: zračno hlađenje, tekuće hlađenje, freon, otvoreno isparavanje i kombinirani (na temelju Peltierovih elemenata i vodenih hladnjaka).

Sustav pasivnog zračnog hlađenja

Oprema koja nije toplinski opterećena uopće ne zahtijeva posebne sustave hlađenja. Toplinski neopterećena oprema je ona kod koje toplinski tok po kvadratnom centimetru grijane površine (gustoća toplinskog toka) ne prelazi 0,5 mW. Pod tim uvjetima, pregrijavanje zagrijane površine u odnosu na okolni zrak neće biti veće od 0,5 ° C, uobičajeni maksimum za takav slučaj je +60 ° C.

Ali ako toplinski parametri komponenti u normalnom načinu rada premašuju te vrijednosti (uz zadržavanje proizvodnje topline, međutim, relativno niske), tada se na takve komponente ugrađuju samo radijatori, odnosno uređaji za pasivno uklanjanje topline , tzv. pasivni sustavi hlađenja.

Kada je snaga čipa mala ili kada su zahtjevi za računalnim kapacitetom sustava stalno ograničeni, u pravilu je dovoljan samo hladnjak, čak i bez ventilatora. Radijator se odabire pojedinačno u svakom slučaju.

U osnovi, sustav pasivnog hlađenja radi na sljedeći način. Toplina se prenosi direktno od grijaće komponente (čipa) do hladnjaka zahvaljujući toplinskoj vodljivosti materijala ili uz pomoć toplinskih cijevi (termosifon ili komora za isparavanje su različite osnovne rješenja s toplinskim cijevima).

Funkcija radijatora je zračenje topline u okolni prostor putem infracrvenog zračenja i prijenos topline jednostavno putem toplinske vodljivosti okolnog zraka, što doprinosi pojavi prirodnih konvekcijskih struja. U cilju što intenzivnijeg zračenja topline preko cijele površine radijatora, površina radijatora postaje crna.

Pogotovo danas (u različitoj opremi, uključujući i računala), pasivni sustav hlađenja je široko rasprostranjen. Takav sustav je vrlo fleksibilan, jer se radijatori mogu jednostavno montirati na većinu toplinski intenzivnih komponenti. Što je veća efektivna površina rasipanja topline iz radijatora, to je hlađenje učinkovitije.

Važni čimbenici koji utječu na učinkovitost hlađenja su brzina protoka zraka koji prolazi kroz rashladno tijelo i temperatura (osobito temperaturna razlika u odnosu na okolinu).

Mnogi ljudi znaju da je prije montaže hladnjaka na komponentu potrebno nanijeti toplinsku pastu (npr. KPT-8) na spojne površine. To se radi kako bi se povećala toplinska vodljivost u prostoru između komponenti.

U početku je problem što površine radijatora i komponente na koju se ugrađuje nakon tvorničke izrade i brušenja još uvijek imaju hrapavost reda veličine 10 mikrona, a nakon poliranja ostaje oko 5 mikrona hrapavosti. Ove nepravilnosti sprječavaju da se spojne površine stisnu što je moguće čvršće bez razmaka, što rezultira zračnim rasporom niske toplinske vodljivosti.

Hladnjaci s najvećom veličinom i aktivnom površinom obično se montiraju na CPU i GPU. Ako je potrebno sastaviti tiho računalo, tada su, s obzirom na malu brzinu prolaza zraka, potrebni posebni vrlo veliki radijatori, karakterizirani povećanom učinkovitošću rasipanja topline.

Aktivni sustav zračnog hlađenja

Da bi se poboljšalo hlađenje, da bi protok zraka kroz radijator bio intenzivniji, dodatno se koriste ventilatori. Radijator opremljen ventilatorom naziva se hladnjak. Hladnjaci su instalirani na grafičkim i centralnim procesorima računala. Ako na neku od komponenti, poput tvrdog diska, nije moguće ugraditi hladnjak ili se ne preporučuje, tada se koristi jednostavno raspuhavanje ventilatora bez hladnjaka.To je sasvim dovoljno.

Sustav hlađenja tekućinom

Sustav tekućeg hlađenja radi na principu prijenosa topline od hlađene komponente do hladnjaka uz pomoć radne tekućine koja cirkulira u sustavu. Takva tekućina je obično destilirana voda s baktericidnim i antigalvanskim dodacima ili antifriz, ulje, druge posebne tekućine, au nekim slučajevima i tekući metal.

Takav sustav nužno uključuje: pumpu za cirkulaciju tekućine i radijator (vodeni blok, rashladna glava) za oduzimanje topline grijaćem elementu i prijenos na radni fluid. Toplina se zatim odvodi hladnjakom (aktivni ili pasivni sustav).

Osim toga, sustav za hlađenje tekućinom ima spremnik radne tekućine, koji kompenzira njegovo toplinsko širenje i povećava toplinsku inerciju sustava. Spremnik je pogodan za punjenje i također je pogodan za ispuštanje radne tekućine kroz njega. U takvom sustavu potrebna su potrebna crijeva i cijevi. Senzor protoka tekućine može biti dostupan opcijski.

Radna tekućina ima dovoljno visok toplinski kapacitet da osigura visoku učinkovitost hlađenja pri maloj brzini cirkulacije i visoku toplinsku vodljivost, što minimizira temperaturnu razliku između površine isparavanja i stijenke cijevi.

Freonski sustav hlađenja

Ekstremni overclocking procesora zahtijeva negativnu temperaturu hlađenog elementa tijekom njegovog neprekidnog rada. Za to su potrebne freonske instalacije. Ovi sustavi su rashladne jedinice u kojima je isparivač montiran izravno na komponentu s koje se toplina mora odvoditi vrlo velikom brzinom.

Nedostaci freonskog sustava, osim njegove složenosti, su: potreba za toplinskom izolacijom, obavezna borba s kondenzatom, poteškoće u hlađenju nekoliko komponenti u isto vrijeme, velika potrošnja energije i visoka cijena.

Hladnjak vode

Waterchiller je sustav hlađenja koji kombinira freonsku jedinicu i hlađenje tekućinom. Ovdje se antifriz koji cirkulira u sustavu dodatno hladi u izmjenjivaču topline pomoću freonskog bloka.

U takvom sustavu negativna temperatura se dobiva uz pomoć freonske jedinice, a tekućina može istovremeno hladiti nekoliko komponenti. Konvencionalni freonski sustav hlađenja to ne dopušta. Nedostaci hladnjaka za vodu su potreba za toplinskom izolacijom cijelog sustava, kao i složenost i visoka cijena.

Otvoreni sustav hlađenja isparavanjem

Otvoreni sustavi za hlađenje parom koriste radnu tekućinu — rashladno sredstvo poput helija, tekućeg dušika ili suhog leda. Radna tekućina se isparava u otvorenom staklu, koje je montirano direktno na grijač, koji se mora vrlo brzo ohladiti.

Ova metoda pripada amaterima i uglavnom je koriste hobisti kojima je potreban ekstremni overclocking ("overclocking") dostupne opreme. Pomoću ove metode možete postići najnižu temperaturu, ali čašu s rashladnim sredstvom morat ćete redovito dopunjavati, odnosno sustav ima vremensko ograničenje i zahtijeva stalnu pozornost.

Kaskadni sustav hlađenja

Kaskadni sustav hlađenja znači istovremeno sekvencijalno uključivanje dva ili više freona. Za postizanje nižih temperatura koristi se freon sniženog vrelišta.Ako je freonski stroj jednostupanjski, tada je potrebno povećati radni tlak snažnim kompresorima.

Ali postoji alternativa - hlađenje radijatora freonskog bloka drugim sličnim blokom. Tako se radni tlak u sustavu može smanjiti i više nije potrebna velika snaga od kompresora, mogu se koristiti konvencionalni kompresori. Kaskadni sustav, unatoč svojoj složenosti, omogućuje postizanje niže temperature nego kod konvencionalne freonske instalacije, au usporedbi s otvorenim sustavom isparavanja, takva instalacija može raditi kontinuirano.

Peltier sustav hlađenja

U rashladnom sustavu s Peltierovim elementom postavlja se hladnom stranom na površinu koju treba hladiti, dok vruća strana elementa zahtijeva intenzivno hlađenje od drugog sustava tijekom rada. Sustav je relativno kompaktan.