Alle typer køling

Hardwarevejledning » Tutorials » Alle typer køling

I computerverdenen er det afgørende at holde en computers temperatur under kontrol for at sikre optimal ydeevne og forlænge levetiden for dens komponenter. En af de mest almindelige bekymringer er PC-køling, da overdreven varme kan føre til problemer såsom kredsløbsforringelse, nedsat ydeevne og endda risiko for katastrofale fejl. I denne artikel vil vi undersøge de forskellige typer køling, der er tilgængelige til personlige computere, fra traditionelle luftsystemer til avancerede væskekøleløsninger. Vi vil afdække deres funktioner, fordele og vigtige overvejelser for at hjælpe dig med at vælge den bedste løsning til dine behov og holde din pc kølig, selv i de mest krævende situationer.

Typer af temperaturudveksling

Der er flere typer af temperaturudveksling der forekommer i forskellige sammenhænge. Nedenfor præsenterer jeg nogle af de vigtigste:

1. KørselVarmeoverføring er processen med varmeoverføring gennem kollision af partikler i et fast stof eller mellem faste stoffer i direkte kontakt. Termisk energi udbreder sig fra et område med højere temperatur til et område med lavere temperatur.
2. konvektionVarmeoverførsel: refererer til den varmeoverførsel, der sker på grund af bevægelsen af ​​en væske, uanset om det er væske eller gas. Den varme væske bevæger sig og bærer termisk energi med sig, mens den koldere væske tager dens plads. Dette muliggør effektiv varmeoverførsel.
3. strålingDet kræver ikke et materielt medium for at udbrede sig. Termisk energi transmitteres gennem elektromagnetiske bølger, såsom infrarød stråling. Et almindeligt eksempel er Solens opvarmning, som transmitterer varme til Jorden gennem stråling.
4. FordampningOpstår, når en væske absorberer varme fra sine omgivelser og omdannes til damp. Når den fordamper, trækker væsken varmeenergi fra sine omgivelser, hvilket får dens temperatur til at falde.

Dette er blot et par eksempler på de mest almindelige typer varmeveksling. Det er vigtigt at bemærke, at der i mange tilfælde forekommer en kombination af disse mekanismer i mere komplekse varmeoverføringssituationer. Dette er vigtigt for en grundig forståelse af følgende typer køling.

Typer af køling

For at lære om alle de typer køling til computere og elektroniske elementer, der findes i øjeblikket, vil vi lave denne oversigt. klassificeret efter grupper:

Køleskab por aire

Når vi beskæftiger os med luftkøling Vi henviser til dem, der ikke bruger væske til at udføre temperaturudveksling. Inden for denne type har vi:

Uden nogen køleanordning

I dette tilfælde har de elektroniske enheder eller chips ikke ingen form for kølesystem. De bruger simpelthen enhedens egen overflade til at udstråle den genererede varme og køle den ned gennem konvektion af den omgivende luft. Denne type køling vælges til mange enheder, der ikke bliver for varme eller ikke påvirkes så meget af varme som andre.

Det er også muligt, at de samme bruges terminaler eller forbindelser til printkortet at varmen kan passere igennem dem og afgive sig. Derudover implementerer noget af den 2.5D- eller 3D-emballage, der i øjeblikket fremstilles, også andre kølesystemer, der kunne inkluderes i dette afsnit, selvom de er mere avancerede, såsom mikrobumping eller glasfyldte organiske mellemlæg for at forbedre afledningen i emballagen.

Passiv

For at forbedre ovenstående, selvom baseret på de samme principper for varmeoverførsel, tilføjes passive elementer her, såsom en køleplade, også kendt som blæserløs køling. Disse er almindelige i visse controllerchips, chipsæt, MOSFET-transistorer, VRM'er osv.

De er normalt lavet af aluminium (lettere og billigere, men har dårligere varmeledningsevne), coppermade (tættere, dyrere og med bedre varmeledningsevne) eller legeringer (ret populært blandt kommercielle løsninger), selvom der er nogle løsninger, der bruger andre ædelmetaller såsom guld (normalt kun brugt i bade, med aluminium- eller kobberkerner), grafit, Carbal (20% aluminium + 80% kulstof) osv.

Blandt nogle af materialer med den bedste ledningsevne For køleplader har vi:

1. MetallerDe er gode varmeledere på grund af deres krystalgitterstruktur og elektronernes evne til at bevæge sig frit. Nogle af de bedste varmeledere er kobber, sølv og aluminium.
   • Kobber (Cu)Det er en af ​​de bedste varmeledere blandt almindeligt anvendte metaller. Det bruges i vid udstrækning i applikationer, hvor effektiv varmeoverførsel er påkrævet, såsom elektriske kabler, vandrør og elektroniske komponenter.
   • Sølv (Ag)Det har den højeste varmeledningsevne af alle metaller, hvilket gør det til en fremragende varmeleder. På grund af dets høje pris er dets anvendelse dog begrænset til specifikke anvendelser, der kræver exceptionel termisk effektivitet, såsom videnskabelige og højteknologiske anvendelser.
   • Aluminium (Al)Kobber er et andet meget anvendt metal med en forholdsvis høj varmeledningsevne. Selvom dets varmeledningsevne er lavere end kobber og sølvs, gør dets lave densitet og pris det populært i varmeoverføringsapplikationer, såsom køleplader og radiatorer.
   • Guld (Au)Det er kendt for sin fremragende elektriske ledningsevne, men det har også god termisk ledningsevne. Selvom dets anvendelse i varmeoverføringsapplikationer er mindre almindelig på grund af dets høje pris, bruges det i applikationer, hvor høj pålidelighed og termisk stabilitet er påkrævet.
2. GrafitDenne form for kulstof har en lagdelt struktur, der giver høj varmeledningsevne i lagenes plan. Dette gør den til en fremragende varmeleder, især i den retning, der er vinkelret på lagene.
3. diamant: Det er en anden fremragende varmeleder på grund af den stærke kovalente binding mellem dens kulstofatomer. Denne struktur muliggør hurtig og effektiv varmeoverførsel.
4. Teknisk keramikNogle tekniske keramikmaterialer, såsom aluminiumnitrid og bornitrid, udviser høj varmeledningsevne. Disse materialer anvendes i højtemperaturapplikationer, hvor effektiv varmeafledning er påkrævet.

Det er sandt, at materialer som grafit, diamant eller keramik typisk ikke bruges til at lave køleplader på grund af deres høje omkostninger eller andre tekniske problemer. De bruges dog som base for termisk pasta.

Activa

I tilfælde af aktiv kølingI dette tilfælde anvendes en køleplade svarende til den tidligere metode, men køleeffektiviteten forbedres ved at tilføje en ventilator, der genererer luftstrømme for at udstøde varme hurtigere. Med andre ord vil luften accelerere konvektionsvarmeoverførselsprocessen ved at fjerne den varme luft omkring kølepladens finner og tillade køligere luft at trænge ind mellem dem. Derudover skal det bemærkes, at følgende typer ventilatorer kan findes monteret på kølepladen, når man overvejer denne type køling:

• AksialDisse bruges blandt andet almindeligvis til CPU'er og sender luft ud over kølepladen. De har normalt færre blade, selvom deres diameter er større. Deres lufttryk er dog ikke overdrevent højt.
• Radial (blæser)Du kan se dem på mange GPU'er, for eksempel. I modsætning til open-air-modeller bruger de et hus til at kanalisere luften, der passerer gennem radiatoren. De inkluderer et større antal blade og er afhængige af centrifugaleffekten. Dette gør dem mere komplekse og støjende, men de øger lufttrykket.

Flydende køling

Udover luftkøling har vi også køleskab líquida, hvor vi også kan skelne mellem passiv og aktiv:

Passiv

La passiv køling Den er baseret på en køleplade med indbyggede varmerør, som er kobber- eller aluminiumsrør. Disse varmerør indeholder en væske i en lavtryksvæskefase, der omdannes til damp, når den absorberer varme, og stiger mod det koldeste område for at kondensere igen og genstarte cyklussen. Varmerør er typisk dobbeltrør, hvor det ydre rør transporterer den kolde væske, og det indre rør tillader dampen at passere igennem. Der anvendes væsker som vand, alkohol eller freon, som, da de har lavt tryk, fordamper ved lavere temperaturer. Denne type køling er især nyttig i bærbare enheder eller i situationer, hvor forbedret luftkøling er påkrævet uden mulighed for at installere et aktivt væskekølesystem.

Disse varmerør De er grundlæggende sammensat af:

• Forseglet rør: En heatpipe består af et hermetisk forseglet rør, normalt lavet af kobber eller aluminium, med en cylindrisk eller flad form. Dette rør har en meget varmeledende indre struktur.
• ArbejdsvæskeInde i det forseglede varmerør er der en arbejdsfluid, typisk vand eller en anden væske med høj varmeledningsevne. Arbejdsfluidet er omhyggeligt udvalgt for at udnytte dets fordampnings- og kondenseringsegenskaber.
• Væge eller kapillaritetInde i det forseglede rør er der en væge eller kapillærstruktur, der optager en del af det tomme rum. Vægen hjælper med at transportere arbejdsvæsken fra kondensationszonen til fordampningszonen gennem kapillærvirkning. Derudover letter vægen tilbageføringen af ​​den kondenserede væske til fordampningszonen.

Disse rør er generelt lavet af kobber. De leveres også altid med en køleplade.

Activa

La aktiv væskekøling For pc'er er væskekøling et kølesystem, der bruger væske, normalt vand, til at aflede varmen, der genereres af computerens interne komponenter, såsom processoren og grafikkortet. I modsætning til luftkøling, der bruger ventilatorer til at udvinde varme, bruger aktiv væskekøling et lukket kredsløb af rør og blokke, der transporterer kølevæsken.

den hoveddele af et aktivt væskekølesystem til pc er følgende:

1. BlokerDette er et stykke, der sidder direkte oven på processoren for at overføre den genererede varme. Det har normalt en kobber- eller aluminiumsbase, der er i direkte kontakt med processorens overflade.
2. bombeDette er hjertet i væskekølesystemet og er ansvarlig for at flytte kølevæsken gennem rørene og blokkene. Pumpen kan integreres i vandblokken eller være adskilt som en selvstændig enhed.
3. radiatorDette er en komponent, der er ansvarlig for at aflede varme fra kølevæsken. Den består af en række metalfinner (normalt aluminium), der er i kontakt med den omgivende luft. Radiatoren er strategisk placeret inde i pc-kabinettet for at muliggøre varmeafledning.
4. Fan(er)Radiatoren er udstyret med en eller flere ventilatorer, der udtrækker varme fra radiatoren ved at tvinge luftstrømmen gennem lamellerne. Disse ventilatorer kan styres automatisk af temperaturen eller justeres manuelt af brugeren.
5. RørDisse er fleksible rør, der fører kølevæske fra vandblokken til køleren og omvendt. De er normalt lavet af holdbare, fleksible materialer, såsom gummi eller nylon, for nem installation.
6. Aflejring eller reservoirNogle aktive væskekølesystemer inkluderer et ekstra reservoir til opbevaring af kølevæske og sikring af en konstant forsyning. Dette reservoir kan have et synligt niveau for at kontrollere kølevæskestanden.

Dette er de grundlæggende dele af et aktivt væskekølesystem til pc'er, selvom de kan variere afhængigt af kølesystemets design og specifikke behov.

På den anden side skal det også bemærkes, at de evt. har forskellige kølevæsker, som:

1. Destilleret vand + farvestofferDestilleret vand: et basisk og udbredt kølemiddel i væskekølesystemer. Det er billigt og har en god varmeoverføringskapacitet. Det er dog vigtigt at bemærke, at destilleret vand kan være elektrisk ledende og kan forårsage korrosion, hvis det ikke bruges korrekt med de rigtige komponenter.
2. GlykolerGlykoler, såsom ethylenglycol og propylenglycol, bruges ofte som tilsætningsstoffer i destilleret vand for at forbedre kølevæskens egenskaber. Disse tilsætningsstoffer hjælper med at forhindre algevækst, beskytte mod korrosion og sænke væskens frysepunkt. Glykoler er især nyttige i systemer, hvor beskyttelse mod ekstreme temperaturer er påkrævet.
3. Partikelbaserede kølemidlerNogle kølemidler bruger faste partikler, såsom keramik eller nanofluider, til at forbedre varmeoverførslen. Disse partikler, der er suspenderet i kølevæsken, kan øge varmeafledningskapaciteten og forbedre systemets effektivitet. Partikelbaserede kølemidler anvendes i højtydende applikationer, hvor mere effektiv køling er påkrævet.
4. Biologisk nedbrydelige kølemidlerDe er designet til at være mere miljøvenlige. Disse væsker er formuleret med organiske komponenter, der nedbrydes naturligt uden at forårsage betydelig miljøskade. De er et foretrukket valg i systemer, hvor bæredygtighed og reduceret miljøpåvirkning er vigtige overvejelser.

Det er vigtigt at huske på, at valget af kølevæske afhænger af flere faktorer, herunder den specifikke anvendelse, kølesystemets komponenter, ønsket ydeevne og miljøhensyn. Det anbefales at konsultere producentens anbefalinger og følge de relevante retningslinjer for brug af kølevæske i dit væskekølesystem.

Hybride løsninger

Der kan selvfølgelig også være hybride løsninger der blander noget af ovenstående. For eksempel:

• Aktiv luftkøling + passiv væskekølingDisse er meget almindelige systemer, især til CPU'en. De er dybest set køleplader med heatpipes og en blæser. De findes i forskellige typer, afhængigt af heatpipes-formen, såsom C-formet, U-formet eller lavprofileret.
• Passiv luftkøling + passiv væskekølingDe er dybest set køleplader, der er blevet optimeret for at forbedre deres ydeevne ved at tilføje nogle heatpipes.

Andre typer køling

Vi kan også finde andre former for køling Lidt mindre populær, mere eksotisk, men også interessant. For eksempel:

Criogenización

La kryogenik Det bruges ikke almindeligvis som en kølemetode til computere af flere praktiske og tekniske årsager. Kryogenik involverer afkøling af elektroniske komponenter til ekstremt lave temperaturer, normalt under kogepunktet for flydende nitrogen (-196 °C) eller endda koldere.

Selvom kryogenik kan opnå betydelig afkøling og muliggøre potentiel ekstrem overclocking, til kvanteberegning osv., men det præsenterer betydelige udfordringer og risici:

1. Håndtering og sikkerhed: Brugen af ​​kryogener såsom flydende nitrogen eller flydende helium kræver specialiseret håndtering og opbevaring på grund af de lave temperaturer og de tilhørende risici. Passende udstyr og teknikker er nødvendige for at undgå personskade og beskadigelse af komponenter.
2. OmkostningerKontinuerlig brug af kryogener til at køle en computer ville være uoverkommeligt dyrt, da en betydelig mængde kryogen ville være nødvendig for at holde komponenterne ved kryogene temperaturer i længere perioder.
3. Kondens og fugtighed: Ved afkøling af komponenter til så lave temperaturer er der risiko for kondensdannelse på kredsløb og komponenter, hvilket kan føre til uoprettelig skade eller systemfejl.
4. Komponenternes skrøbelighedVed kryogene temperaturer bliver mange materialer sprøde og skrøbelige, hvilket øger risikoen for at beskadige komponenter under afkøling eller håndtering.

Kort sagt, selvom kryogenik kan bruges eksperimentelt i visse tilfælde af ekstrem overclocking eller specialiseret forskning, er det hverken en praktisk eller sikker løsning til daglig køling.

TEC eller RTE (Peltier-effekt)

La Termoelektrisk køling (TEC) eller Peltier-effekt, er en kølemetode baseret på princippet om Peltier-effekten. Denne effekt opstår, når en elektrisk strøm passerer gennem en forbindelse mellem to forskellige ledende materialer, normalt halvledere, hvilket skaber en varmeoverførsel.

Det er baseret på termoelektriske egenskaber ved visse materialer, så ved at påføre en elektrisk strøm på de to materialer i Peltier-pladen, afkøles den ene side, mens den anden opvarmes. Med andre ord sker der varmeoverførsel fra en kold side (hvor afkøling ønskes) til en varm side (hvor varmen afgives). Dette gør det muligt at afkøle et objekt eller at opretholde en konstant temperatur for et system.

Den termoelektriske køleproces har nogle fordele, såsom fraværet af bevægelige dele, hvilket gør den lydløs og vibrationsfri. Det er også en kompakt og alsidig metode, der kan anvendes i små rum. Termoelektrisk køling har dog begrænset energieffektivitet sammenlignet med andre kølemetoder, hvilket gør den mindre effektiv til at aflede store mængder varme.

Termoelektrisk køling anvendes i applikationer, hvor præcis temperaturkontrol er påkrævet i elektroniske apparater, små kølesystemer, bærbare drikkevarekølere og andre små køleenheder.

Faseændring

Kølesystemer fra faseændring De er et usædvanligt valg til køling. Disse systemer bruger en kompressor svarende til den, der findes i vinduesklimaanlæg, til at omdanne en gasblanding til en væske. Væsken ledes til en fordamper, som normalt er placeret direkte på den varmegenererende komponent. I fordamperen omdannes væsken igen til en gasform og absorberer varme i processen.

Faseskiftkølere er i stand til at nå ekstremt lave temperaturer, nogle gange endda ned til -150°C, og bruges primært af overclocking-entusiaster. Disse systemer har dog nogle begrænsninger, der gør dem mindre egnede til almindelige brugere. De kræver kompliceret installation og kræver yderligere enheder og korrekt isolering for at forhindre kondensdannelse i rørene. Derudover er der risiko for, at komponenter fryser på grund af for høj køling, hvis systemet ikke er korrekt designet, som vist på billedet. De genererer også støj, da de i bund og grund er små kølere, der opererer inde i computeren.

Ultralyd

(se mere i denne artikel, hvor vi taler om det)

Ved nedsænkning

La nedsænkningskøling Immersionskøling til computere er en innovativ teknik, der involverer fuldstændig nedsænkning af pc-komponenter, såsom bundkort, grafikkort og processor, i en specialiseret dielektrisk væske. I modsætning til konventionelle kølesystemer, der bruger køleplader og ventilatorer, muliggør immersionskøling mere effektiv varmeoverførsel ved at eliminere behovet for luft som kølemedium.

I denne metode er komponenterne De er nedsænket i en ikke-ledende væske, normalt mineralolie eller dielektrisk væske, som har en høj kapacitet til at absorbere og aflede varme genereret af elektroniske komponenter. Væsken fungerer som et beskyttende lag omkring komponenterne og trækker varme direkte væk fra dem, hvilket eliminerer behovet for støjende ventilatorer og klodsede køleplader.

Selvfølgelig har denne væske en høj termisk kapacitet for at sikre effektiv varmeafledning. Nogle almindelige muligheder inkluderer modificerede mineralolier, fluorerede væsker eller fluorerede kulbrinter. Disse væsker er designet til at være sikre og stabile i miljøer med høj temperatur, hvilket sikrer pålidelig drift og effektiv varmeafledning for at holde pc-komponenter inden for optimale temperaturområder.

Immersionskøling tilbyder fordele såsom mere effektiv køling, lavere systemstøj og muligheden for mere aggressiv overclocking. Det giver dog også udfordringer med hensyn til vedligeholdelse, omkostninger og pladskrav.