Всички видове хладилни системи

Ръководство за хардуер » Уроци » Всички видове хладилни системи

В света на компютрите, поддържането на контрол върху температурата на компютъра е от решаващо значение за осигуряване на оптимална производителност и удължаване на живота на неговите компоненти. Едно от най-често срещаните притеснения е... Охлаждане на компютъра, тъй като прекомерната топлина може да доведе до проблеми като влошаване на електрическите вериги, намалена производителност и дори риск от катастрофална повреда. В тази статия ще разгледаме различните видове охлаждане, предлагани за персонални компютри, от традиционните въздушни системи до усъвършенстваните решения за течно охлаждане. Ще разкрием техните характеристики, предимства и ключови съображения, за да ви помогнем да изберете най-добрия вариант за вашите нужди и да поддържате компютъра си хладен, дори в най-взискателните ситуации.

Видове температурен обмен

Има няколко видове температурен обмен които се срещат в различни контексти. По-долу представям някои от основните:

1. ШофиранеТоплопреносът е процес на пренос на топлина чрез сблъсък на частици в твърдо тяло или между твърди тела в директен контакт. Топлинната енергия се разпространява от област с по-висока температура към област с по-ниска температура.
2. КонвекцияТоплопренос: отнася се до топлопреноса, който се получава поради движението на флуид, независимо дали е течност или газ. Горещият флуид се движи и носи топлинна енергия със себе си, докато по-хладният флуид заема неговото място. Това позволява ефективен топлопренос.
3. РадиацияНе е необходима материална среда, за да се разпространява. Топлинната енергия се предава чрез електромагнитни вълни, като например инфрачервено лъчение. Често срещан пример е нагряването от Слънцето, което предава топлина на Земята чрез радиация.
4. Изпаряване: възниква, когато течност абсорбира топлина от околната среда и се превръща в пара. Когато се изпарява, течността отнема топлинна енергия от околната среда, което води до спадане на температурата ѝ.

Това са само няколко примера за най-често срещаните видове топлообмен. Важно е да се отбележи, че в много случаи комбинация от тези механизми се среща в по-сложни ситуации на топлопренос. Това е важно за задълбочено разбиране на следните видове хладилна техника.

Видове охлаждане

За да научим за всички видове охлаждане за компютри и електронни елементи, които съществуват в момента, ще направим това обобщение. класифицирани по групи:

Хладилник за въздуха

Когато става въпрос за въздушно охлаждане Говорим за тези, които не използват течност за извършване на температурен обмен. В рамките на този тип имаме:

Без никакво охлаждащо устройство

В този случай електронните устройства или чипове нямат няма вид охладителна система. Те просто ще използват собствената повърхност на устройството, за да излъчват генерираната топлина и да я охлаждат чрез конвекция на околния въздух. Този тип охлаждане се избира за много устройства, които не се нагряват твърде много или не са толкова засегнати от топлината, колкото други.

Възможно е също така да се използват същите клеми или връзки към печатната платка че топлината може да преминава през тях и да се разсейва. Освен това, някои от 2.5D или 3D опаковките, които се произвеждат в момента, също така внедряват други системи за охлаждане, които биха могли да бъдат включени в този раздел, въпреки че са по-усъвършенствани, като например микро-бутване или органични междинни елементи, запълнени със стъкло, за подобряване на разсейването в опаковката.

Пасивен

За да се подобри гореспоменатото, макар и базирано на същите принципи на топлопреминаване, тук са добавени пасивни елементи, като например радиатор, известно още като безвентилаторно охлаждане. Те са често срещани в някои контролери, чипсети, MOSFET транзистори, VRM и др.

Обикновено са изработени от алуминий (по-лек и по-евтин, но с по-лоша топлопроводимост), медни (по-плътни, по-скъпи и с по-добра топлопроводимост) или сплави (доста популярни сред търговските разтвори), въпреки че има някои разтвори, които използват други благородни метали като злато (обикновено използвано само във вани, с алуминиеви или медни сърцевини), графит, карбал (20% алуминий + 80% въглерод) и др.

Сред някои от материали с най-добра проводимост за радиатори имаме:

1. МеталиТе са добри топлопроводници поради кристалната си решетка и способността на електроните да се движат свободно. Някои от най-добрите топлопроводници са медта, среброто и алуминият.
   • Мед (Cu)Той е един от най-добрите топлопроводници сред често използваните метали. Широко се използва в приложения, където се изисква ефективен топлопренос, като например електрически кабели, водопроводни тръби и електронни компоненти.
   • Сребро (Ag)Той има най-високата топлопроводимост от всички метали, което го прави отличен топлопроводник. Поради високата си цена обаче, употребата му е ограничена до специфични приложения, изискващи изключителна термична ефективност, като например научни и високотехнологични приложения.
   • Алуминий (Al)Медта е друг широко използван метал с доста висока топлопроводимост. Въпреки че топлопроводимостта ѝ е по-ниска от тази на медта и среброто, ниската ѝ плътност и цена я правят популярна в приложения за топлопренос, като например радиатори и радиатори.
   • злато (Au)Известен е с отличната си електрическа проводимост, но също така има и добра топлопроводимост. Въпреки че употребата му в приложения за топлопренос е по-рядка поради високата му цена, той се използва в приложения, където се изисква висока надеждност и термична стабилност.
2. ГрафитТази форма на въглерод има слоеста структура, която позволява висока топлопроводимост в равнината на слоевете. Това го прави отличен топлопроводник, особено в посока, перпендикулярна на слоевете.
3. диамант: Той е друг отличен топлопроводник поради силната ковалентна връзка между въглеродните си атоми. Тази структура позволява бърз и ефикасен топлопренос.
4. Техническа керамикаНякои инженерни керамични материали, като алуминиев нитрид и боров нитрид, проявяват висока топлопроводимост. Тези материали се използват във високотемпературни приложения, където е необходимо ефективно разсейване на топлината.

Вярно е, че материали като графит, диамант или керамика обикновено не се използват за направата на радиатори поради високата им цена или други технически проблеми. Те обаче се използват като основа за термопасти.

Activa

В случай на активно охлажданеВ този случай се използва радиатор, подобен на предишния метод, но ефективността на охлаждане се подобрява чрез добавяне на вентилатор, който генерира въздушни течения за по-бързо отвеждане на топлината. С други думи, въздухът ще ускори процеса на конвекционен топлопренос, като отстрани горещия въздух около ребрата на радиатора и позволи на по-хладен въздух да навлезе между тях. Освен това, когато се обмисля този тип охлаждане, трябва да се отбележи, че следните видове вентилатори могат да бъдат монтирани на радиатора:

• аксиаленТе обикновено се използват за процесори, наред с други неща, и проектират въздух върху радиатора. Обикновено имат по-малко лопатки, въпреки че диаметърът им е по-голям. Въпреки това, налягането на въздуха им не е прекомерно високо.
• Радиален (вентилатор)Можете да ги видите на много графични процесори, например. За разлика от моделите с отворен въздух, те използват корпус, за да насочват въздуха, преминаващ през радиатора. Те включват по-голям брой лопатки и разчитат на центробежния ефект. Това ги прави по-сложни и шумни, но увеличават въздушното налягане.

Течно охлаждане

В допълнение към въздушното охлаждане, ние също така разполагаме с течно охлаждане, в което можем също да разграничим пасивно от активно:

Пасивен

La пасивно охлаждане Базира се на радиатор с вградени топлинни тръби, които са медни или алуминиеви. Тези топлинни тръби съдържат флуид в течна фаза с ниско налягане, който се превръща в пара, когато абсорбира топлина, издигайки се към най-студената зона, за да кондензира отново и да рестартира цикъла. Топлинните тръби обикновено са двойнотръбни, където външната тръба транспортира студената течност, а вътрешната тръба позволява на парите да преминат. Използват се течности като вода, алкохол или фреон, които, бидейки под ниско налягане, се изпаряват при по-ниски температури. Този тип охлаждане е особено полезен в преносими устройства или в ситуации, където е необходимо подобрено въздушно охлаждане без възможност за инсталиране на активна система за течно охлаждане.

Тези топлинни тръби Те са съставени основно от:

• Запечатана тръба: Топлопроводната тръба се състои от херметически затворена тръба, обикновено изработена от мед или алуминий, с цилиндрична или сплескана форма. Тази тръба има силно топлопроводима вътрешна структура.
• Работна течностВътре в запечатаната топлопроводна тръба се намира работен флуид, обикновено вода или друга течност с високи топлопроводими свойства. Работният флуид е внимателно подбран, за да се възползва от неговите характеристики на изпарение и кондензация.
• Фитил или капилярностВътре в запечатаната тръба има фитил или капилярна структура, която заема част от празното пространство. Фитилът помага за пренасянето на работната течност от зоната на кондензация към зоната на изпарение чрез капилярно действие. Освен това, фитилът улеснява връщането на кондензираната течност в зоната на изпарение.

Тези тръби обикновено са изработени от мед. Те също така винаги се предлагат с радиатор.

Activa

La активно течно охлаждане За персонални компютри, течното охлаждане е охладителна система, която използва течност, обикновено вода, за да разсее топлината, генерирана от вътрешните компоненти на компютъра, като процесора и графичната карта. За разлика от въздушното охлаждане, което използва вентилатори за извличане на топлина, активното течно охлаждане използва затворена верига от тръби и блокове, които транспортират охлаждащата течност.

на Главни части на активна система за течно охлаждане за компютър са следните:

1. блокТова е част, която се намира директно върху процесора, за да пренася генерираната топлина. Обикновено има медна или алуминиева основа, която е в директен контакт с повърхността на процесора.
2. бомбаТова е сърцето на системата за течно охлаждане и е отговорно за преместването на охлаждащата течност през тръбите и блоковете. Помпата може да бъде интегрирана във водния блок или отделена като самостоятелен модул.
3. радиатор: Това е компонент, отговорен за разсейването на топлината от охлаждащата течност. Състои се от серия метални ребра (обикновено алуминиеви), които са в контакт с околния въздух. Радиаторът е стратегически разположен вътре в корпуса на компютъра, за да позволи разсейване на топлината.
4. Вентилатор(и)Радиаторът е оборудван с един или повече вентилатори, които извличат топлина от радиатора, като принуждават въздушния поток да преминава през ребрата. Тези вентилатори могат да се управляват автоматично по температура или ръчно от потребителя.
5. TubesТова са гъвкави тръбопроводи, които пренасят охлаждащата течност от водния блок към радиатора и обратно. Те обикновено са изработени от издръжливи, гъвкави материали, като гума или найлон, за лесен монтаж.
6. Депозит или резервоарНякои системи за активно течно охлаждане включват допълнителен резервоар за съхранение на охлаждаща течност и осигуряване на постоянно подаване. Този резервоар може да има видимо ниво, за да се провери нивото на охлаждащата течност.

Това са основните части на активна система за течно охлаждане за персонални компютри, въпреки че те могат да варират в зависимост от дизайна и специфичните нужди на охладителната система.

От друга страна, трябва да се отбележи също, че те може да имат различни охлаждащи течности, като:

1. Дестилирана вода + багрилаДестилирана вода: основен и широко използван охлаждащ агент в течни охладителни системи. Той е евтин и има добър топлопренос. Важно е обаче да се отбележи, че дестилираната вода може да бъде електропроводима и да причини корозия, ако не се използва правилно с правилните компоненти.
2. ГликолиГликоли, като етиленгликол и пропиленгликол, често се използват като добавки в дестилирана вода за подобряване на свойствата на охлаждащата течност. Тези добавки помагат за предотвратяване на растежа на водорасли, предпазват от корозия и понижават точката на замръзване на течността. Гликолите са особено полезни в системи, където е необходима защита от екстремни температури.
3. Охлаждащи течности на базата на частициНякои охлаждащи течности използват твърди частици, като керамика или нанофлуиди, за да подобрят топлопреноса. Тези частици, суспендирани в охлаждащата течност, могат да увеличат капацитета за разсейване на топлината и да подобрят ефективността на системата. Охлаждащите течности на базата на частици се използват във високопроизводителни приложения, където се изисква по-ефективно охлаждане.
4. Биоразградими охлаждащи течностиТе са проектирани да бъдат по-екологични. Тези течности са формулирани с органични компоненти, които се разлагат естествено, без да причиняват значителни щети на околната среда. Те са предпочитан избор в системи, където устойчивостта и намаленото въздействие върху околната среда са важни съображения.

Важно е да се има предвид, че изборът на охлаждаща течност ще зависи от няколко фактора, включително специфичното приложение, компонентите на охладителната система, желаната производителност и екологичните съображения. Препоръчително е да се консултирате с препоръките на производителя и да следвате съответните указания за използване на охлаждаща течност във вашата охладителна система с течност.

Хибридни решения

Разбира се, може да има и хибридни решения които смесват някои от горните. Например:

• Активно въздушно охлаждане + пасивно течно охлажданеТова са много често срещани системи, особено за процесора. Те представляват основно радиатори с топлинни тръби и вентилатор. Предлагат се в различни видове, в зависимост от формата на топлинните тръби, като например C-образни, U-образни или нископрофилни.
• Пасивно въздушно охлаждане + пасивно течно охлажданеТе са основно радиатори, които са оптимизирани за подобряване на производителността им чрез добавяне на топлинни тръби.

Други видове хладилни системи

Ние също можем да намерим други форми на охлаждане Малко по-малко популярно, по-екзотично, но също интересно. Например:

Криогенизация

La криогеника Не се използва често като метод за охлаждане на компютри поради няколко практически и технически причини. Криогениката включва охлаждане на електронни компоненти до изключително ниски температури, обикновено под точката на кипене на течен азот (-196 °C) или дори по-ниски.

Въпреки че криогенните технологии могат да постигнат значително охлаждане и да позволят потенциално екстремен овърклок, за квантови изчисления и др., но това представлява значителни предизвикателства и рискове:

1. Работа и безопасност: Използването на криогени като течен азот или течен хелий изисква специализирано боравене и съхранение поради ниските температури и свързаните с тях рискове. Необходими са подходящо оборудване и техники, за да се избегнат наранявания и повреда на компонентите.
2. ЦенаНепрекъснатото използване на криогенни агенти за охлаждане на компютър би било непосилно скъпо, тъй като би било необходимо значително количество криоген, за да се поддържат компонентите при криогенни температури за продължителни периоди.
3. Кондензация и влажност: При охлаждане на компоненти до толкова ниски температури съществува риск от кондензация на влага върху веригите и компонентите, което може да доведе до непоправими повреди или системна повреда.
4. Чупливост на компонентитеПри криогенни температури много материали стават крехки и чупливи, което увеличава риска от повреждане на компонентите по време на процеса на охлаждане или обработка.

Накратко, макар криогенните технологии да могат да се използват експериментално в определени случаи на екстремен овърклок или специализирани изследвания, те не са нито практични, нито безопасни за ежедневно охлаждане.

TEC или RTE (ефект на Пелтие)

La Термоелектрично охлаждане (TEC) или ефект на Пелтие, е метод за охлаждане, базиран на принципа на ефекта на Пелтие. Този ефект възниква, когато електрически ток преминава през съединение на два различни проводими материала, обикновено полупроводници, създавайки топлопренос.

Базира се на термоелектрическите свойства на някои материали, така че чрез прилагане на електрически ток към двата материала на плочата на Пелтие, едната страна се охлажда, докато другата се нагрява. С други думи, преносът на топлина се осъществява от студена страна (където е желателно охлаждане) към гореща страна (където топлината се разсейва). Това позволява на обекта да се охлажда или на системата да се поддържа постоянна температура.

Термоелектричният процес на охлаждане има някои предимства, като например липсата на движещи се части, което го прави безшумен и без вибрации. Това е и компактен и универсален метод, който може да се прилага в малки пространства. Термоелектрическото охлаждане обаче има ограничена енергийна ефективност в сравнение с други методи за охлаждане, което го прави по-неефективно при разсейване на големи количества топлина.

Термоелектрическото охлаждане се използва в приложения, където се изисква прецизен контрол на температурата в електронни устройства, малки хладилни системи, преносими охладители за напитки и други малки охладителни устройства.

Промяна на фазата

Охлаждащи системи от промяна на фазата Те са необичаен избор за охлаждане. Тези системи използват компресор, подобен на този в прозоречните климатици, за да преобразуват газова смес в течност. Течността се насочва към изпарител, който обикновено е разположен директно върху топлогенериращия компонент. В изпарителя течността се превръща обратно в газ, абсорбирайки топлина в процеса.

Фазово-променливите охладители са способни да достигнат изключително ниски температури, понякога дори до -150°C, и се използват предимно от ентусиасти по овърклок. Тези системи обаче имат някои ограничения, които ги правят по-малко подходящи за масовите потребители. Те изискват сложна инсталация и изискват допълнителни устройства и подходяща изолация, за да се предотврати образуването на конденз в тръбите. Освен това, ако системата не е проектирана правилно, съществува риск от замръзване на компонентите поради прекомерно охлаждане, както е показано на изображението. Те също така генерират шум, тъй като по същество са малки охладители, работещи вътре в компютъра.

Ултразвук

(вижте повече в тази статия, където говорим за това)

Чрез потапяне

La потапящо охлаждане Имерсионното охлаждане за компютри е иновативна техника, която включва пълно потапяне на компоненти на компютъра, като дънна платка, графична карта и процесор, в специализирана диелектрична течност. За разлика от конвенционалните охладителни системи, които използват радиатори и вентилатори, имерсионното охлаждане позволява по-ефективен пренос на топлина, като елиминира необходимостта от въздух като охлаждаща среда.

При този метод, компонентите Те са потопени в непроводяща течност, обикновено минерално масло или диелектрична течност, която има висок капацитет да абсорбира и разсейва топлината, генерирана от електронните компоненти. Течността действа като защитен слой около компонентите и отвежда топлината директно от тях, като по този начин елиминира нуждата от шумни вентилатори и обемисти радиатори.

Разбира се, тази течност има висок топлинен капацитет за да се осигури ефективно разсейване на топлината. Някои често срещани опции включват модифицирани минерални масла, флуорирани течности или флуорирани въглеводороди. Тези течности са проектирани да бъдат безопасни и стабилни във високотемпературни среди, осигурявайки надеждна работа и ефективно разсейване на топлината, за да се поддържат компонентите на компютъра в оптимални температурни диапазони.

Потапящо охлаждане предлага предимства като например по-ефективно охлаждане, по-нисък системен шум и възможност за по-агресивен овърклок. Това обаче представлява и предизвикателства по отношение на поддръжката, разходите и изискванията за пространство.