Συστήματα Ψύξης Υπολογιστών: Παθητικό, Ενεργό, Υγρό, Φρέον, Ψύκτη νερού, Ανοιχτή Εξάτμιση, Καταρράκτη, Ψύξη Peltier

Κατά τη λειτουργία του υπολογιστή, ορισμένα από τα εξαρτήματά του θερμαίνονται πολύ και εάν η παραγόμενη θερμότητα δεν αφαιρεθεί αρκετά γρήγορα, τότε ο υπολογιστής απλά δεν θα μπορεί να λειτουργήσει λόγω παραβίασης των κανονικών χαρακτηριστικών των κύριων εξαρτημάτων ημιαγωγών του.

Η αφαίρεση θερμότητας από τα θερμαντικά μέρη του υπολογιστή είναι η πιο σημαντική εργασία που επιλύει το σύστημα ψύξης του υπολογιστή, το οποίο είναι ένα σύνολο εξειδικευμένων εργαλείων που λειτουργούν συνεχώς, συστηματικά και αρμονικά καθ' όλη τη διάρκεια της ενεργής χρήσης του υπολογιστή.

Κατά τη λειτουργία του συστήματος ψύξης του υπολογιστή, αξιοποιείται η θερμότητα που παράγεται από τη διέλευση των ρευμάτων λειτουργίας μέσω των βασικών στοιχείων του υπολογιστή, ιδιαίτερα μέσω των στοιχείων της μονάδας του συστήματος.Η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται σε αυτήν την περίπτωση εξαρτάται από τους υπολογιστικούς πόρους του υπολογιστή και το τρέχον φορτίο του σε σχέση με όλους τους πόρους που διαθέτει το μηχάνημα.

Σε κάθε περίπτωση, η θερμότητα ανακτάται στην ατμόσφαιρα. Στην παθητική ψύξη, η θερμότητα απομακρύνεται από τα θερμαινόμενα μέρη μέσω ενός καλοριφέρ απευθείας στον περιβάλλοντα αέρα με συμβατική μεταφορά και υπέρυθρη ακτινοβολία. Στην ενεργή ψύξη, εκτός από τη συναγωγή και την υπέρυθρη ακτινοβολία, χρησιμοποιείται φυσώντας με ανεμιστήρα, που αυξάνει την ένταση της μεταφοράς (αυτή η λύση ονομάζεται «ψύκτης»).

Υπάρχουν επίσης συστήματα υγρής ψύξης όπου η θερμότητα μεταφέρεται πρώτα από έναν φορέα θερμότητας και μετά χρησιμοποιείται ξανά στην ατμόσφαιρα. Υπάρχουν ανοιχτά συστήματα εξάτμισης όπου η θερμότητα απομακρύνεται λόγω της μετάβασης φάσης του ψυκτικού.

Έτσι, σύμφωνα με την αρχή της αφαίρεσης της θερμότητας από τα μέρη θέρμανσης του υπολογιστή, υπάρχουν συστήματα ψύξης: ψύξη αέρα, υγρή ψύξη, φρέον, ανοιχτή εξάτμιση και συνδυασμένα (με βάση στοιχεία Peltier και ψύκτες νερού).

Σύστημα παθητικής ψύξης αέρα

Ο εξοπλισμός που δεν είναι θερμοφορτισμένος δεν απαιτεί καθόλου ειδικά συστήματα ψύξης. Ο εξοπλισμός χωρίς θερμικό φορτίο είναι αυτός όπου η ροή θερμότητας ανά τετραγωνικό εκατοστό της θερμαινόμενης επιφάνειας (πυκνότητα ροής θερμότητας) δεν υπερβαίνει τα 0,5 mW. Υπό αυτές τις συνθήκες, η υπερθέρμανση της θερμαινόμενης επιφάνειας σε σχέση με τον περιβάλλοντα αέρα δεν θα είναι μεγαλύτερη από 0,5 ° C, το συνηθισμένο μέγιστο για μια τέτοια περίπτωση είναι +60 ° C.

Αλλά εάν οι θερμικές παράμετροι των εξαρτημάτων στον κανονικό τρόπο λειτουργίας τους υπερβαίνουν αυτές τις τιμές (διατηρώντας ωστόσο την παραγωγή θερμότητας σχετικά χαμηλή), τότε μόνο θερμαντικά σώματα εγκαθίστανται σε τέτοια εξαρτήματα, δηλαδή συσκευές για παθητική αφαίρεση θερμότητας , τα λεγόμενα παθητικά συστήματα ψύξης.

Όταν η ισχύς του τσιπ είναι χαμηλή ή όταν οι απαιτήσεις υπολογιστικής ικανότητας του συστήματος είναι συνεχώς περιορισμένες, κατά κανόνα αρκεί μόνο μια ψύκτρα, ακόμη και χωρίς ανεμιστήρα. Το ψυγείο επιλέγεται ξεχωριστά σε κάθε περίπτωση.

Βασικά, το σύστημα παθητικής ψύξης λειτουργεί με τον εξής τρόπο: Η θερμότητα μεταφέρεται απευθείας από το στοιχείο θέρμανσης (τσιπ) στην ψύκτρα λόγω της θερμικής αγωγιμότητας του υλικού ή με τη βοήθεια σωλήνων θερμότητας (θερμοσύφωνα ή θάλαμος εξάτμισης είναι διαφορετικά θεμελιώδη λύσεις με σωλήνες θερμότητας).

Η λειτουργία του καλοριφέρ είναι να εκπέμπει θερμότητα στον περιβάλλοντα χώρο μέσω υπέρυθρης ακτινοβολίας και να μεταφέρει θερμότητα απλά μέσω της θερμικής αγωγιμότητας του περιβάλλοντος αέρα, η οποία συμβάλλει στην εμφάνιση φυσικών ρευμάτων μεταφοράς. Για να εκπέμπεται θερμότητα σε ολόκληρη την περιοχή του ψυγείου όσο το δυνατόν πιο εντατικά, η επιφάνεια του ψυγείου γίνεται μαύρη.

Ειδικά σήμερα (σε διάφορους εξοπλισμούς, συμπεριλαμβανομένων των υπολογιστών), το σύστημα παθητικής ψύξης είναι ευρέως διαδεδομένο. Ένα τέτοιο σύστημα είναι πολύ ευέλικτο, καθώς τα θερμαντικά σώματα μπορούν εύκολα να τοποθετηθούν στα περισσότερα εξαρτήματα έντασης θερμότητας. Όσο μεγαλύτερη είναι η αποτελεσματική περιοχή απαγωγής θερμότητας από το ψυγείο, τόσο πιο αποτελεσματική είναι η ψύξη.

Σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ψύξης είναι η ταχύτητα της ροής του αέρα που διέρχεται από την ψύκτρα και η θερμοκρασία (ειδικά η διαφορά θερμοκρασίας με το περιβάλλον).

Πολλοί γνωρίζουν ότι πριν τοποθετήσετε μια ψύκτρα σε ένα εξάρτημα, είναι απαραίτητο να εφαρμόσετε θερμική πάστα (π.χ. KPT-8) στις ζευγαρωμένες επιφάνειες. Αυτό γίνεται για να αυξηθεί η θερμική αγωγιμότητα στο χώρο μεταξύ των εξαρτημάτων.

Αρχικά, το πρόβλημα είναι ότι οι επιφάνειες του καλοριφέρ και του εξαρτήματος στο οποίο είναι εγκατεστημένο, μετά την εργοστασιακή παραγωγή και λείανση, εξακολουθούν να έχουν τραχύτητα της τάξεως των 10 μικρών και ακόμη και μετά το γυάλισμα, παραμένουν περίπου 5 μικρά τραχύτητα. Αυτές οι ανωμαλίες εμποδίζουν τις επιφάνειες σύνδεσης να πιέζονται μεταξύ τους όσο πιο σφιχτά γίνεται χωρίς διάκενο, με αποτέλεσμα ένα διάκενο αέρα με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα.

Οι ψύκτρες με το μεγαλύτερο μέγεθος και την ενεργή περιοχή συνήθως τοποθετούνται σε CPU και GPU. Εάν είναι απαραίτητο να συναρμολογηθεί ένας αθόρυβος υπολογιστής, τότε, δεδομένης της χαμηλής ταχύτητας διέλευσης αέρα, χρειάζονται ειδικά πολύ μεγάλα θερμαντικά σώματα, που χαρακτηρίζονται από αυξημένη απόδοση της απαγωγής θερμότητας.

Ενεργό σύστημα ψύξης αέρα

Για να βελτιωθεί η ψύξη, για να γίνει πιο έντονη η ροή του αέρα μέσα από το ψυγείο, χρησιμοποιούνται επιπλέον ανεμιστήρες. Ένα ψυγείο εξοπλισμένο με ανεμιστήρα ονομάζεται ψυγείο. Ψύκτες εγκαθίστανται στα γραφικά και τους κεντρικούς επεξεργαστές του υπολογιστή. Εάν δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση ψύκτρας σε ορισμένα εξαρτήματα, όπως ένας σκληρός δίσκος, ή δεν συνιστάται, τότε χρησιμοποιείται ένα απλό σβήσιμο ανεμιστήρα χωρίς ψύκτρα.Αυτό είναι αρκετά.

Σύστημα ψύξης υγρού

Το σύστημα ψύξης υγρού λειτουργεί με βάση την αρχή της μεταφοράς θερμότητας από το ψυγμένο εξάρτημα στο ψυγείο με τη βοήθεια ενός λειτουργικού ρευστού που κυκλοφορεί στο σύστημα. Ένα τέτοιο υγρό είναι συνήθως απεσταγμένο νερό με βακτηριοκτόνα και αντιγαλβανικά πρόσθετα ή αντιψυκτικό, λάδι, άλλα ειδικά υγρά και σε ορισμένες περιπτώσεις υγρό μέταλλο.

Ένα τέτοιο σύστημα περιλαμβάνει απαραιτήτως: μια αντλία για την κυκλοφορία του ρευστού και ένα ψυγείο (μπλοκ νερού, κεφαλή ψύξης) για να αφαιρεί τη θερμότητα από το θερμαντικό στοιχείο και να τη μεταφέρει στο ρευστό εργασίας. Στη συνέχεια, η θερμότητα διαχέεται από μια ψύκτρα (ενεργό ή παθητικό σύστημα).

Επιπλέον, το σύστημα υγρής ψύξης έχει μια δεξαμενή ρευστού εργασίας, η οποία αντισταθμίζει τη θερμική διαστολή του και αυξάνει τη θερμική αδράνεια του συστήματος. Η δεξαμενή είναι βολική για πλήρωση και είναι επίσης βολική η αποστράγγιση του υγρού εργασίας μέσω αυτής. Σε ένα τέτοιο σύστημα απαιτούνται οι απαραίτητοι εύκαμπτοι σωλήνες και σωλήνες. Ένας αισθητήρας ροής υγρού μπορεί να είναι προαιρετικά διαθέσιμος.

Το ρευστό εργασίας έχει αρκετά υψηλή θερμική ικανότητα για να παρέχει υψηλή απόδοση ψύξης σε χαμηλή ταχύτητα κυκλοφορίας και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία ελαχιστοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας εξάτμισης και του τοιχώματος του σωλήνα.

Σύστημα ψύξης φρέον

Το ακραίο overclocking του επεξεργαστή απαιτεί αρνητική θερμοκρασία του ψυχόμενου στοιχείου κατά τη συνεχή λειτουργία του. Για αυτό απαιτούνται εγκαταστάσεις φρέον. Αυτά τα συστήματα είναι μονάδες ψύξης στις οποίες ο εξατμιστής είναι τοποθετημένος απευθείας στο εξάρτημα από το οποίο πρέπει να αφαιρείται η θερμότητα με πολύ υψηλό ρυθμό.

Τα μειονεκτήματα του συστήματος φρέον, εκτός από την πολυπλοκότητά του, είναι: η ανάγκη για θερμομόνωση, η υποχρεωτική μάχη με το συμπύκνωμα, η δυσκολία ψύξης πολλών εξαρτημάτων ταυτόχρονα, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και η υψηλή τιμή.

Ψύκτης νερού

Το Waterchiller είναι ένα σύστημα ψύξης που συνδυάζει μονάδα Freon και υγρόψυξη. Εδώ, το αντιψυκτικό που κυκλοφορεί στο σύστημα ψύχεται περαιτέρω σε έναν εναλλάκτη θερμότητας χρησιμοποιώντας ένα μπλοκ φρέον.

Σε ένα τέτοιο σύστημα, μια αρνητική θερμοκρασία λαμβάνεται με τη βοήθεια μιας μονάδας φρέον και το υγρό μπορεί ταυτόχρονα να ψύξει πολλά εξαρτήματα. Ένα συμβατικό σύστημα ψύξης Freon δεν το επιτρέπει αυτό. Τα μειονεκτήματα ενός ψύκτη νερού είναι η ανάγκη για θερμομόνωση ολόκληρου του συστήματος, καθώς και η πολυπλοκότητα και το υψηλό κόστος.

Ανοιχτό σύστημα ψύξης με εξάτμιση

Τα ανοιχτά συστήματα ψύξης ατμών χρησιμοποιούν ένα λειτουργικό ρευστό — ένα ψυκτικό μέσο όπως ήλιο, υγρό άζωτο ή ξηρό πάγο. Το υγρό εργασίας εξατμίζεται σε ένα ανοιχτό γυαλί, το οποίο είναι τοποθετημένο απευθείας στο θερμαντικό στοιχείο, το οποίο πρέπει να ψυχθεί πολύ γρήγορα.

Αυτή η μέθοδος ανήκει σε ερασιτέχνες και χρησιμοποιείται κυρίως από χομπίστες που χρειάζονται ακραίο overclocking («overclocking») του διαθέσιμου εξοπλισμού. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο, μπορείτε να έχετε τη χαμηλότερη θερμοκρασία, αλλά το γυαλί με το ψυκτικό θα πρέπει να ανανεώνεται τακτικά, δηλαδή, το σύστημα έχει χρονικό όριο και απαιτεί συνεχή προσοχή.

Σύστημα ψύξης Cascade

Ένα σύστημα ψύξης καταρράκτη σημαίνει την ταυτόχρονη διαδοχική συμπερίληψη δύο ή περισσότερων φρέον. Για την επίτευξη χαμηλότερων θερμοκρασιών, χρησιμοποιείται φρέον με μειωμένο σημείο βρασμού.Εάν η μηχανή φρέον είναι μονοβάθμιας, τότε είναι απαραίτητο να αυξήσετε την πίεση εργασίας με ισχυρούς συμπιεστές.

Αλλά υπάρχει μια εναλλακτική λύση - ψύξη του ψυγείου ενός μπλοκ φρέον με ένα άλλο παρόμοιο μπλοκ. Έτσι, η πίεση λειτουργίας στο σύστημα μπορεί να μειωθεί και να μην απαιτείται πλέον υψηλή ισχύς από τους συμπιεστές, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συμβατικοί συμπιεστές. Το σύστημα καταρράκτη, παρά την πολυπλοκότητά του, επιτρέπει την επίτευξη χαμηλότερης θερμοκρασίας από ό,τι με μια συμβατική εγκατάσταση φρέον και σε σύγκριση με ένα ανοιχτό σύστημα εξάτμισης, μια τέτοια εγκατάσταση μπορεί να λειτουργεί συνεχώς.

Σύστημα ψύξης Peltier

Στο σύστημα ψύξης με στοιχείο Peltier Τοποθετείται με την κρύα πλευρά του στην προς ψύξη επιφάνεια, ενώ η ζεστή πλευρά του στοιχείου απαιτεί εντατική ψύξη από άλλο σύστημα κατά τη λειτουργία του. Το σύστημα είναι σχετικά συμπαγές.