В процессе работы компьютера некоторые из его компонентов сильно нагреваются, и если образующееся тепло достаточно быстро не отводить, то компьютер просто не сможет работать в силу нарушения нормальных характеристик его главных полупроводниковых составляющих.
Отвод тепла от нагревающихся частей компьютера является важнейшей задачей, которую решает система охлаждения компьютера, представляющая собой набор специализированных средств, функционирующих непрерывно, системно и слаженно на протяжении всего времени, пока компьютер активно используется.
В ходе работы системы охлаждения компьютера утилизируется тепло, образующееся при прохождении рабочих токов через ключевые элементы компьютера, особенно через элементы его системного блока.
Количество выделяемого при этом тепла зависит от вычислительных ресурсов компьютера и от его текущей загруженности по отношению ко всем имеющимся в распоряжении машины ресурсам.
В любом случае теплота утилизируется в атмосферу. При пассивном охлаждении тепло отводится от нагревающихся частей через радиатор напрямую в окружающий воздух путем обычной конвекции и инфракрасного излучения. При активном охлаждении, кроме конвекции и ИК-излучения, используется еще и обдув вентилятором, усиливающий интенсивность конвекции (такое решение называется «кулер»).
Также существуют системы жидкостного охлаждения, когда тепло сначала перемещается теплоносителем, а затем опять же утилизируется в атмосферу. Существуют системы открытого испарения, в которых отвод тепла происходит благодаря фазовому переходу теплоносителя.
Итак, по принципу отведения тепла от нагревающихся частей компьютера, системы охлаждения бывают: воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, фреоновые, открытого испарения и комбинированные (на базе элементов Пельтье и ватерчиллер).
Пассивная система воздушного охлаждения
Нетеплонагруженная аппаратура вовсе не требует никаких особых систем охлаждения. К нетеплонагруженной относится такая аппаратура, у которой тепловой поток с одного квадратного сантиметра нагреваемой поверхности (плотность теплового потока) не превышает 0,5 мВт.
В данных условиях перегрев разогретой поверхности относительно окружающего воздуха не окажется выше 0,5 °C, обычный максимум для подобного случая +60 °C.
Но если тепловые параметры компонентов в обычном режиме их работы превышают данные значения (при сохранении тепловыделения, однако, относительно низким), то на такие компоненты устанавливают исключительно радиаторы, то есть приспособления для пассивного отвода тепла, системы так называемого пассивного охлаждения.
При невысокой мощности чипа или при постоянной ограниченности требований к вычислительной емкости системы, как правило хватает просто радиатора, даже без вентилятора. Радиатор подбирается в каждом случае индивидуально.
Принципиально пассивная система охлаждения работает следующим образом. Тепло передается непосредственно от нагревающегося компонента (чипа) к радиатору, благодаря теплопроводности материала либо при помощи тепловых трубок (термосифон или испарительная камера представляют собой разновидности принципиальных решений с тепловыми трубками).
Функция радиатора — излучать тепло в окружающее пространство посредством ИК-излучения и передачи тепла просто благодаря теплопроводности окружающего воздуха, способствующей возникновению естественных конвекционных потоков. Чтобы тепло излучалось по всей площади радиатора как можно более интенсивно, поверхность радиатора делают черной.
Более всего на сегодняшний день (в различной технике, включающей и компьютеры) распространена именно пассивная система охлаждения. Такая система весьма универсальна, ведь радиаторы легко монтируются на большинство компонентов, обладающих интенсивным тепловыделением. Чем больше эффективная площадь рассеивания радиатором тепла — тем эффективнее осуществляется охлаждение.
Немаловажными факторами, влияющими на эффективность охлаждения, являются скорость проходящего через радиатор воздушного потока и температура (особенно — разность температур относительно окружающей среды).
Многие знают, что прежде чем монтировать радиатор на компонент, необходимо нанести на сопрягаемые поверхности теплопроводную пасту (например КПТ-8). Это делается для увеличения теплопроводности в пространстве между компонентами.
Изначально проблема состоит в том, что поверхности радиатора и компонента, на который он устанавливается, после заводского изготовления и шлифовки все равно имеют шероховатости порядка 10 мкм, и даже после полировки около 5 мкм шероховатостей остается.
Эти микроскопические неровности образуют воздушные карманы с теплопроводностью в 100-1000 раз ниже, чем у металлов, таких как медь или алюминий. В результате только небольшая часть фактической площади поверхности участвует в прямом тепловом контакте, что резко снижает эффективность теплоотвода.
Для компенсации неровностей используются термопасты с теплопроводностью 3-12 Вт/(м·К), которые заполняют воздушные зазоры. Однако даже лучшие составы уступают меди, которая имеет теплопроводность 401 Вт/(м·К), поэтому ключевой задачей остаётся минимизация шероховатости.
Шлифовка поверхности снижает шероховатость до 10 мкм, а дополнительная полировка уменьшает этот показатель до 5 мкм. Современные методы обработки, такие как ультразвуковая вибрационная резка и высокоскоростное фрезерование, позволяют достигать ещё более низких значений шероховатости.
Радиаторы для бесшумных систем проектируются с учётом двух факторов: увеличенной площади поверхности за счёт сложной ребристой структуры и оптимизации воздушного потока. Естественная конвекция требует вертикального расположения пластин с зазором 4-8 мм между ними.
Даже при использовании массивных радиаторов их реальная производительность на 20-30% ниже теоретической из-за неизбежных микродефектов поверхности. Это подтверждается экспериментами, где полировка основания кулера снижает температуру процессора на 3-5°C при прочих равных условиях.
Активная система воздушного охлаждения
Чтобы улучшить охлаждение и сделать прохождение воздушного потока через радиатор более интенсивным, дополнительно применяют вентиляторы.
Радиатор, оснащенный вентилятором, называется кулером. Именно кулеры ставят на графический и центральный процессоры компьютера, поскольку эти компоненты выделяют значительное количество тепла и требуют эффективного охлаждения.
Если на какой-то из компонентов, вроде жесткого диска, установить радиатор не удается или это не целесообразно, то применяют просто обдув вентилятором без радиатора.
Этого бывает вполне достаточно, поскольку жесткие диски обычно не нагреваются так сильно, как процессоры, и дополнительного теплоотвода через радиатор не требуют. В таких случаях вентилятор обеспечивает циркуляцию воздуха вокруг компонента, что помогает предотвратить локальное перегревание и поддерживать стабильную работу системы.
Кроме того, в современных компьютерных корпусах часто используются системы воздушного охлаждения, которые включают в себя несколько вентиляторов, расположенных в разных частях корпуса.
Эти вентиляторы создают циркуляцию воздуха внутри корпуса, что помогает равномерно распределять тепло и предотвращать перегрев отдельных компонентов. Это особенно важно для высокопроизводительных систем, где эффективное охлаждение является ключевым фактором стабильности и долговечности оборудования.
Жидкостная система охлаждения
Система жидкостного охлаждения работает по принципу переноса тепла от охлаждаемого компонента на радиатор при помощи циркулирующей в системе рабочей жидкости. Такой жидкостью обычно выступает дистиллированная вода с бактерицидными и антигальваническими добавками, либо антифриз, масло, прочие специальные жидкости, а в некоторых случаях и жидкий металл.
Жидкий металл, например, галлиновая смесь, используется в высокопроизводительных системах из-за своей исключительно высокой теплопроводности, которая может достигать 70 Вт/(м·К), что значительно превышает показатели воды.
Такая система обязательно включает в себя: насос для обеспечения циркуляции жидкости и теплосъемник (водоблок, головка охлаждения) для отбора тепла у нагревающегося элемента и передачи его к рабочей жидкости. Далее тепло рассеивается радиатором, который может быть как активным (с вентилятором), так и пассивным (без вентилятора, полагаясь на естественную конвекцию).
Кроме того, в системе жидкого охлаждения имеется резервуар с рабочей жидкостью, обеспечивающий компенсацию ее теплового расширения и увеличивающий тепловую инерцию системы.
Резервуар удобно заправлять, также через него удобно сливать рабочую жидкость.
Необходимые шланги и трубы обязательно присутствуют в такой системе. Опционально может иметься и датчик потока жидкости, который помогает контролировать работоспособность системы и предотвращать ее отказы.
Рабочая жидкость обладает достаточно высокой теплоемкостью, чтобы при низкой скорости ее циркуляции обеспечить высокую эффективность охлаждения, и большой теплопроводностью, что сводит к минимуму перепад температур между поверхностью испарения и стенкой трубки. Это позволяет поддерживать стабильную температуру компонентов даже при интенсивной нагрузке, что особенно важно для высокопроизводительных компьютеров и серверов.
Системы жидкостного охлаждения также могут быть модульными, что упрощает их установку и обслуживание. Модульные системы часто включают в себя готовые блоки, такие как радиаторы с вентиляторами, водоблоки и насосы, которые легко соединяются между собой. Это делает их популярными среди энтузиастов и в профессиональных приложениях, где требуется высокая эффективность охлаждения и гибкость настройки.
Фреоновая система охлаждения
При экстремальном разгоне процессора необходима отрицательная температура на охлаждаемом элементе при его непрерывной работе. Для этого и нужны фреоновые установки.
Данные системы представляют собой холодильные установки, у которых испаритель устанавливается прямо на компонент, от которого необходимо отводить тепло с очень высокой скоростью. Это позволяет достичь температур, значительно ниже температуры окружающей среды, что крайне важно для стабильной работы процессора при высоких частотах.
Фреоновые системы охлаждения работают на принципе парокомпрессионного охлаждения, где фреон проходит через замкнутый цикл, изменяя своё агрегатное состояние от жидкого к газообразному и обратно. Этот процесс позволяет эффективно отводить тепло от компонента и передавать его в окружающую среду через конденсатор.
Недостатками фреоновой системы, помимо ее сложности, являются: необходимость теплоизоляции, обязательная борьба с конденсатом, трудность охлаждения одновременно нескольких компонентов, высокое энергопотребление и дороговизна.
Эти недостатки делают фреоновые системы менее распространенными и более подходящими для экстремального оверклокинга или специальных приложений, где достижение очень низких температур является критически важным.
Кроме того, фреоновые системы требуют тщательного проектирования и обслуживания, чтобы избежать проблем с конденсатом и обеспечить стабильную работу.
Несмотря на эти сложности, они остаются одним из наиболее эффективных методов охлаждения для экстремальных случаев, когда другие системы не могут обеспечить необходимую производительность.
Ватерчиллер
Ватерчиллером называется система охлаждения, сочетающая в себе фреоновую установку и жидкостное охлаждение. Здесь циркулирующий в системе антифриз дополнительно охлаждается в теплообменнике при помощи фреоновой установки. Это позволяет достичь отрицательной температуры на охлаждаемых компонентах, что особенно важно для экстремального оверклокинга или при работе с высокопроизводительными системами.
В системе такого рода отрицательная температура получается при помощи фреоновой установки, а жидкость может охлаждать одновременно несколько компонентов.
Обычная фреоновая система охлаждения такого не позволяет, поскольку она обычно предназначена для охлаждения одного компонента и требует сложной настройки для охлаждения нескольких элементов одновременно.
Недостатки ватерчиллера включают необходимость теплоизоляции всей системы, что требует дополнительных затрат и усилий для предотвращения теплопотерь и конденсации влаги.
Кроме того, ватерчиллеры отличаются своей сложностью и высокой стоимостью, что делает их менее доступными для широкого круга пользователей.
Однако для профессиональных приложений или в случаях, когда требуется максимально эффективное охлаждение нескольких компонентов одновременно, ватерчиллеры могут быть оптимальным решением.
Система охлаждения открытого испарения
В системах охлаждения открытого испарения используется рабочее тело - хладагент, такой как гелий, жидкий азот или сухой лед. Рабочее тело испаряется в открытом стакане, устанавливаемом прямо на нагревающемся элементе, который необходимо очень быстро охлаждать.
Этот метод особенно популярен среди энтузиастов, занимающихся экстремальным разгоном («оверклокингом») доступной аппаратуры, поскольку позволяет достичь чрезвычайно низких температур.
При помощи данного метода можно получить наиболее низкую температуру, но стакан с хладагентом придется регулярно пополнять, то есть система имеет ограничение по времени и требует постоянного внимания. Это делает систему открытого испарения нецелесообразной для длительной эксплуатации, но она идеально подходит для коротких сессий экстремального разгона, где достижение максимально низких температур имеет решающее значение.
Несмотря на ограничения, системы открытого испарения остаются популярными среди энтузиастов благодаря своей способности обеспечивать рекордно низкие температуры, что позволяет им достигать беспрецедентных результатов в оверклокинге.
Однако для непрерывной работы и более стабильных условий эксплуатации часто используются другие системы охлаждения, такие как каскадные или ватерчиллеры, которые обеспечивают более долгосрочную и стабильную работу.
Каскадная система охлаждения
Под каскадной системой охлаждения подразумевается одновременное последовательное включение двух и более фреоновых установок.
Чтобы достичь более низких температур, применяют фреон с пониженной температурой кипения. Если фреоновая машина однокаскадная, то приходится повышать рабочее давление мощными компрессорами.
Но существует и альтернатива — охлаждение радиатора фреоновой установки еще одной подобной установкой. Таким образом рабочее давление в системе может быть понижено, и высокая мощность от компрессоров уже не потребуется, можно применять обычные компрессоры.
Каскадная система, несмотря на ее сложность, позволяет достичь более низкой температуры чем с обычной фреоновой установкой, и в сравнении с системой открытого испарения такая установка может работать непрерывно.
Каскадные системы охлаждения особенно ценятся за свою способность обеспечивать стабильные и низкие температуры в течение длительного времени, что делает их идеальными для приложений, где требуется постоянное экстремальное охлаждение, например, в высокопроизводительных вычислительных системах или при проведении соревнований по оверклокингу.
Однако их сложность и высокая стоимость ограничивают их применение в основном для специализированных задач, где достижение рекордно низких температур является критически важным.
Система охлаждения на элементах Пельтье
В системе охлаждения с элементом Пельтье он устанавливается своей холодной стороной на охлаждаемую поверхность, в то время как горячая сторона элемента требует во время его работы интенсивного охлаждения какой-нибудь другой системой.
Система получается относительно компактной, что делает ее привлекательной для применения в ограниченном пространстве, например, в портативных устройствах или в компактных вычислительных системах.
Элементы Пельтье работают на принципе термоэлектрического охлаждения, где при подаче электрического тока одна сторона элемента охлаждается, а другая нагревается. Это позволяет эффективно отводить тепло от охлаждаемого компонента, но требует мощной системы охлаждения для горячей стороны, чтобы поддерживать эффективность охлаждения.
Часто для охлаждения горячей стороны используются радиаторы с вентиляторами или даже жидкостные системы охлаждения.
Несмотря на компактность и эффективность, системы с элементами Пельтье имеют ограничения по максимальной температуре охлаждения и требуют значительного количества электроэнергии для работы. Однако они широко используются в различных приложениях, где необходима компактная и эффективная система охлаждения, например, в медицинских устройствах, оптических приборах и специализированных электронных системах.
Андрей Повный