Počítačové chladicí systémy: pasivní, aktivní, kapalina, freon, vodní chladič, otevřené odpařování, kaskáda, Peltierovo chlazení

Během provozu počítače se některé jeho součásti velmi zahřejí, a pokud se generované teplo neodstraní dostatečně rychle, počítač jednoduše nebude schopen pracovat kvůli porušení normálních charakteristik jeho hlavních polovodičových součástí.

Odvod tepla z topných částí počítače je nejdůležitějším úkolem, který řeší systém chlazení počítače, což je soubor specializovaných nástrojů, které fungují nepřetržitě, systematicky a harmonicky po celou dobu aktivního používání počítače.

Při provozu chladicího systému počítače se využívá teplo vznikající průchodem provozních proudů klíčovými prvky počítače, zejména prvky jeho systémové jednotky.Množství generovaného tepla v tomto případě závisí na výpočetních prostředcích počítače a jeho aktuálním zatížení ve vztahu ke všem zdrojům, které má stroj k dispozici.

V každém případě se teplo rekuperuje v atmosféře. Při pasivním chlazení je teplo odváděno z ohřívaných částí přes radiátor přímo do okolního vzduchu klasickou konvekcí a infračerveným zářením. Při aktivním chlazení se kromě konvekce a infračerveného záření využívá foukání ventilátorem, který zvyšuje intenzitu proudění (toto řešení se nazývá «cooler»).

Existují také kapalinové chladicí systémy, kde je teplo nejprve přenášeno tepelným nosičem a poté znovu využito v atmosféře. Existují otevřené odpařovací systémy, kde dochází k odvádění tepla v důsledku fázového přechodu chladicí kapaliny.

Takže podle principu odstraňování tepla z topných částí počítače existují chladicí systémy: vzduchové chlazení, kapalinové chlazení, freon, otevřené odpařování a kombinované (založené na Peltierových prvcích a vodních chladičích).

Systém pasivního chlazení vzduchu

Zařízení, které není tepelně zatíženo, vůbec nevyžaduje speciální chladicí systémy. Tepelně nezatížené zařízení je takové, kde tepelný tok na čtvereční centimetr vyhřívaného povrchu (hustota tepelného toku) nepřesahuje 0,5 mW. Za těchto podmínek nebude přehřátí ohřáté plochy vůči okolnímu vzduchu vyšší než 0,5 °C, obvyklé maximum pro takový případ je +60 °C.

Pokud však tepelné parametry komponent v normálním režimu jejich provozu tyto hodnoty překračují (při zachování tvorby tepla však relativně nízké), pak se na takové komponenty instalují pouze radiátory, tedy zařízení pro pasivní odvod tepla. , tzv. pasivní chladicí systémy.

Při nízkém výkonu čipu nebo při neustálém omezování výpočetní kapacity systému zpravidla stačí pouze chladič i bez ventilátoru. Radiátor se vybírá v každém případě individuálně.

Pasivní chladicí systém funguje v zásadě následujícím způsobem: Teplo je přenášeno přímo z topné součásti (čipu) do chladiče díky tepelné vodivosti materiálu nebo pomocí tepelných trubic (termosyfon nebo odpařovací komora jsou různé principy řešení s tepelnými trubicemi).

Funkcí radiátoru je vyzařovat teplo do okolního prostoru infračerveným zářením a předávat teplo jednoduše tepelnou vodivostí okolního vzduchu, což přispívá ke vzniku přirozených konvekčních proudů. Aby se teplo vyzařovalo po celé ploše radiátoru co nejintenzivněji, povrch radiátoru zčerná.

Zejména dnes (v různých zařízeních včetně počítačů) je rozšířený systém pasivního chlazení. Takový systém je velmi flexibilní, protože radiátory lze snadno namontovat na většinu tepelně náročných komponentů. Čím větší je efektivní plocha odvodu tepla z radiátoru, tím účinnější je chlazení.

Důležitými faktory ovlivňujícími účinnost chlazení jsou rychlost proudění vzduchu procházejícího chladičem a teplota (zejména teplotní rozdíl vůči okolí).

Mnoho lidí ví, že před montáží chladiče na součástku je nutné nanést na dosedací plochy teplovodivou pastu (např. KPT-8). To se provádí za účelem zvýšení tepelné vodivosti v prostoru mezi součástmi.

Zpočátku je problém, že povrchy chladiče a součástky, na kterou je instalován, mají po tovární výrobě a broušení stále drsnost řádově 10 mikronů a i po vyleštění zůstává drsnost asi 5 mikronů. Tyto nerovnosti zabraňují tomu, aby byly spojovací plochy přitlačeny k sobě co nejtěsněji bez mezery, což má za následek vzduchovou mezeru s nízkou tepelnou vodivostí.

Chladiče s největší velikostí a aktivní plochou se obvykle montují na CPU a GPU. Pokud je nutné sestavit tichý počítač, pak jsou s ohledem na nízkou rychlost průchodu vzduchu zapotřebí speciální velmi velké radiátory, které se vyznačují zvýšenou účinností odvodu tepla.

Aktivní systém chlazení vzduchem

Pro zlepšení chlazení, pro intenzivnější proudění vzduchu chladičem se navíc používají ventilátory. Radiátor vybavený ventilátorem se nazývá chladič. Chladiče jsou instalovány na grafice a centrálních procesorech počítače. Pokud na některé komponenty, např. pevný disk, není možné instalovat chladič nebo to není doporučeno, pak se používá jednoduché odfouknutí ventilátoru bez chladiče.To je docela dost.

Kapalinový chladicí systém

Kapalinový chladicí systém funguje na principu předávání tepla z chlazené součásti do chladiče pomocí pracovní tekutiny cirkulující v systému. Takovou kapalinou je obvykle destilovaná voda s baktericidními a antigalvanickými přísadami nebo nemrznoucí směs, olej, jiné speciální kapaliny a v některých případech tekutý kov.

Takový systém nutně obsahuje: čerpadlo pro cirkulaci kapaliny a radiátor (vodní blok, chladicí hlava) pro odebírání tepla z topného tělesa a jeho přenos do pracovní kapaliny. Teplo je pak odváděno chladičem (aktivní nebo pasivní systém).

Kapalinový chladicí systém má navíc zásobník pracovní kapaliny, který kompenzuje její tepelnou roztažnost a zvyšuje tepelnou setrvačnost systému. Nádrž se pohodlně plní a je také vhodné přes ni vypouštět pracovní kapalinu. V takovém systému jsou nutné potřebné hadice a potrubí. Volitelně může být k dispozici snímač průtoku kapaliny.

Pracovní tekutina má dostatečně vysokou tepelnou kapacitu pro zajištění vysoké účinnosti chlazení při nízké rychlosti cirkulace a vysoké tepelné vodivosti, což minimalizuje teplotní rozdíl mezi odpařovacím povrchem a stěnou potrubí.

Freonový chladicí systém

Extrémní přetaktování procesoru vyžaduje negativní teplotu chlazeného prvku při jeho nepřetržitém provozu. K tomu jsou nutné instalace freonů. Tyto systémy jsou chladicí jednotky, ve kterých je výparník namontován přímo na komponentu, ze které musí být teplo odváděno velmi vysokou rychlostí.

Nevýhody freonového systému, kromě jeho složitosti, jsou: potřeba tepelné izolace, povinný boj s kondenzátem, obtížnost chlazení několika komponent současně, vysoká spotřeba energie a vysoká cena.

Waterchiller

Waterchiller je chladicí systém, který kombinuje freonovou jednotku a kapalinové chlazení. Zde je nemrznoucí směs cirkulující v systému dále ochlazována ve výměníku tepla pomocí freonového bloku.

V takovém systému se pomocí freonové jednotky získá záporná teplota a kapalina může současně chladit několik komponent. Běžný freonový chladicí systém to neumožňuje. Nevýhodami vodního chladiče je nutnost tepelné izolace celého systému a také složitost a vysoká cena.

Otevřený systém chlazení odpařováním

Otevřené systémy chlazení par používají pracovní tekutinu – chladivo, jako je helium, kapalný dusík nebo suchý led. Pracovní tekutina se odpařuje v otevřené sklenici, která je nasazena přímo na topném tělese, které je nutné velmi rychle ochladit.

Tato metoda patří k amatérům a využívají ji především kutilové, kteří potřebují extrémní přetaktování („přetaktování“) dostupného vybavení. Pomocí této metody můžete získat nejnižší teplotu, ale sklenice s chladivem bude muset být pravidelně doplňována, to znamená, že systém má časový limit a vyžaduje neustálou pozornost.

Kaskádový chladicí systém

Kaskádový chladicí systém znamená současné sekvenční zařazení dvou nebo více freonů. Pro dosažení nižších teplot se používá freon se sníženým bodem varu.Pokud je freonový stroj jednostupňový, pak je nutné zvýšit pracovní tlak výkonnými kompresory.

Existuje však alternativa - chlazení chladiče freonového bloku jiným podobným blokem. Lze tak snížit provozní tlak v systému a od kompresorů již není vyžadován vysoký výkon, lze použít klasické kompresory. Kaskádový systém i přes svou složitost umožňuje dosáhnout nižší teploty než u běžné freonové instalace a ve srovnání s otevřeným odpařovacím systémem může taková instalace fungovat nepřetržitě.

Peltierův chladicí systém

V chladicím systému s Peltierovým prvkem je namontován svou studenou stranou na chlazený povrch, zatímco horká strana prvku vyžaduje během svého provozu intenzivní chlazení z jiného systému. Systém je poměrně kompaktní.