Система охлаждения компьютера – набор средств для отвода тепла от нагревающихся в процессе работы компьютерных компонентов.
Проблема охлаждения компьютера становится всё более актуальной с ростом его производительности[1], которая ведет к потреблению большой мощности, что естественно приводит к увеличению температуры его компонентов.
Основные потребители энергии, а значит и источники тепла в компьютере – это центральный процессор, графический процессор и блок питания. Именно они и требуют собственных систем охлаждения.
Тепло в конечном итоге может утилизироваться:
1. В атмосферу (радиаторные системы охлаждения):
- пассивное охлаждение: отвод тепла от радиатора осуществляется излучением тепла и естественной конвекцией (вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками);
- активное охлаждение: отвод тепла от радиатора осуществляется излучением (радиацией) тепла и принудительной конвекцией (обдув вентиляторами);
2. Вместе с теплоносителем (системы жидкостного охлаждения).
3. За счёт фазового перехода теплоносителя (системы открытого испарения).
По способу отвода тепла от нагревающихся элементов системы охлаждения делятся на:
1. Системы воздушного (аэрогенного) охлаждения.
2. Системы жидкостного охлаждения.
3. Фреоновая установка.
4. Системы открытого испарения.
5. Системы каскадного охлаждения.
6. Комбинированные системы охлаждения.
- ватерчиллер;
- системы с использованием элементов Пельтье.
Пассивное охлаждение.
Радиатор (чипсет, видеокарта, оперативная память, блок питания и т.п.)
В качестве материала для изготовления радиатора используется серебро, медь, алюминий либо железо. Наиболее часто применяется алюминий из-за дороговизны первых двух. Иногда в алюминиевом радиаторе (зачастую большом) используются медные трубки, для равномерного распределения нагрева.
Чем больше общая площадь радиатора, тем эффективней он способен отводить тепло. Существует два способа увеличить площадь радиатора:
1. Увеличить количество рёбер при сохранении размера радиатора
2. Увеличить размер радиатора.
Первый способ позволяет улучшить теплообмен и сохранить компактность, но также из-за малого расстояния между рёбрами увеличивается гидравлическое сопротивление, что препятствует эффективному прогону воздуха через такой радиатор.
При использовании второго способа улучшается теплообмен, снижается гидравлическое сопротивление, увеличивается объём воздуха, который участвует в теплообмене, поэтому второй способ более эффективен, и он наиболее часто используется.
Часто для построения большого радиатора используют тепловые трубки (англ.: heat pipe) – герметично запаянные и специальным образом устроенные металлические трубки (обычно медные). Они очень эффективно переносят тепло от одного своего конца к другому: таким образом, даже самые дальние ребра большого радиатора эффективно работают в охлаждении, например, процессора.
В современных компьютерах просто радиаторы практически не применяются, они установлены в связке с вентилятором – кулер. При постоянном интенсивном нагреве, в конечном счете, нагреется также и система охлаждения (радиатор) и когда её температура достигнет температуры охлаждаемого тела (процессора), прекратится перенос тепла, что вызовет перегрев охлаждаемого тела (процессора). Поэтому для охлаждения радиаторов используют кулеры, которые обдувают радиаторы холодным воздухом, и тем самым охлаждают его.
Кулер – совокупность вентилятора с радиатором устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением.
Вентилятор состоят из корпуса, электродвигателя, крыльчатки (лопасти) и подшипников.
Вентиляторы различаются между собой размером, частотой вращения и формой лопастей. И совсем не значит то, что чем быстрее скорость вращения вентилятора, тем эффективнее он отводит тепло. Зачастую, вентиляторы с меньшей частотой вращения, но с другой формой лопасти, переносят большие объёмы воздуха и при этом создают меньше шума.
От типа установленных подшипников зависит надёжность вентилятора. Производители заявляют такое типичное время наработки на отказ (количество лет получено из расчёта круглосуточной работы):
| Тип подшипника | Время наработки на отказ | |
| часов | лет | |
| Подшипник скольжения (sleeve bearing) | 10 000 | |
| Один подшипник скольжения, один подшипник качения (ball bearing) | 20 000 | |
| Два подшипника качения | 30 000 | |
| Гидродинамический подшипник | 60 000 и больше |
С учётом морального старения компьютерной техники (для домашнего и офисного применения это 2-3 года), вентиляторы с шарикоподшипниками можно считать «вечными»: срок их работы не меньше типового срока работы компьютера. Для более серьёзных применений, где компьютер должен работать круглосуточно много лет, стоит подобрать более надёжные вентиляторы.
Многие сталкивались со старыми вентиляторами, в которых подшипники скольжения выработали свой ресурс: вал крыльчатки дребезжит и вибрирует при работе, издавая характерный рычащий звук. В принципе, такой подшипник можно отремонтировать, смазав его твёрдой смазкой.
Вентиляторы различаются по своему размеру и толщине: обычно в компьютерах встречаются типоразмеры 40×40×10 мм, для охлаждения видеокарт и карманов для жёстких дисков, а также 80×80×25, 92×92×25, 120×120×25 мм для охлаждения корпуса.
Также вентиляторы различаются типом и конструкцией устанавливаемых электродвигателей: они потребляют различный ток и обеспечивают разную скорость вращения крыльчатки. От размеров вентилятора и скорости вращения лопастей крыльчатки зависит производительность: создаваемое статическое давление и максимальный объём переносимого воздуха.
Объём переносимого вентилятором воздуха (расход) измеряется в кубометрах в минуту или кубических футах в минуту (CFM, cubic feet per minute). Производительность вентилятора, указанная в характеристиках, измеряется при нулевом давлении: вентилятор работает в открытом пространстве. Внутри корпуса компьютера вентилятор дует в системный блок определенного размера, потому он создаёт в обслуживаемом объёме избыточное давление. Естественно, что объёмная производительность будет приблизительно обратно пропорциональна создаваемому давлению. Конкретный вид расходной характеристики зависит от формы использованной крыльчатки и других параметров конкретной модели.
Для охлаждения видеокарт стали применять системы охлаждения, которые выносят горячий воздух за пределы корпуса.
Подобные системы охлаждения устанавливаются на самые мощные современные видеокарты (nVidia GeForce 8800, ATI x1800XT и старше). Такая конструкция зачастую более оправдана, с точки зрения правильной организации воздушных потоков внутри корпуса компьютера, чем традиционные схемы.
https://www.ixbt.com/cpu/pc-cooling-construction.shtml
Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров среди прочего регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку):
Рассмотрим системы охлаждения ПК по способу отвода тепла от нагревающихся элементов системы охлаждения:
1. Системы воздушного (аэрогенного) охлаждения
На сегодняшний день это наиболее распространенный тип систем охлаждения. Элементы данного вида охлаждения более подробно уже рассмотрены выше.
Тепло от нагревающего компонента передается на радиатор с помощью теплопроводящих материалов (может быть прослойка воздуха или специальная теплопроводящая паста). Радиатор получает тепло и отдает его в окружающее пространство, которое при этом либо просто рассеивается (пассивный радиатор), либо сдувается вентилятором (активный радиатор или кулер).
Такие системы охлаждения устанавливаются непосредственно в системный блок и практически на все греющиеся компьютерные компоненты. Эффективность охлаждения зависит от размеров эффективной площади радиатора, металла из которого он сделан (медь, алюминий), скорости проходящего потока воздуха (от мощности и размеров вентилятора) и его температуры. Пассивные радиаторы устанавливаются на те компоненты компьютерной системы, которые не очень сильно греются в процессе работы, и возле которых постоянно циркулируют естественные воздушные потоки.
Активные системы охлаждения или кулеры разработаны в основном для процессора, видеоадаптера и прочих постоянно и напряженно работающих внутренних компонентов. Для них иногда могут устанавливаться и пассивные радиаторы, но обязательно с более эффективным чем обычно отводом тепла при низкой скорости воздушных потоков. Это дороже стоит и применяется в специальных бесшумных компьютерах.
2. Системы жидкостного охлаждения
Изобретение последнего десятилетия, используется в основном для серверов, но в связи с бурным развитием техники, со временем имеет все шансы перебраться и в домашние системы.
Достаточно эффективная, но дорогая система, поскольку вода проводит тепло примерно в 30 раз быстрее воздуха. Такой системой можно практически без шума одновременно охлаждать несколько внутренних компонентов.
Над процессором помещается специальная металлическая пластинка (теплосъемник), которая собирает тепло с процессора. Поверх теплосъемника периодически прокачивается дистиллированная вода. Собирая с него тепло, вода попадает в радиатор, охлажденный воздухом, остывает и начинает свой второй круг с металлической пластины над процессором. Радиатор при этом рассеивает собранное тепло в окружающую среду, охлаждается и ждет новую порцию нагретой жидкости.
Вода в таких системах как правило специальная - дистиллированная, или, например, с бактерицидным либо антигальваническим эффектом.
Вместо воды может использоваться антифриз, масла, жидкие металлы или жидкость, обладающая высокой теплопроводностью и высокой удельной теплоемкостью, дабы обеспечить максимальную эффективность охлаждения при наименьшей скорости циркуляции жидкости.
Подобные системы состоят из помпы, теплосъемника (ватерблок или головка охлаждения), прикрепленного к процессору, радиатора (может быть как активным, так и пассивным), обычно прикрепленного к задней части корпуса компьютера, резервуара для рабочей жидкости, шлангов и датчиков потока, разнообразных измерителей, фильтров, сливных кранов и пр. (перечисленные компоненты, начиная от датчиков, опциональны).
3. Фреоновая установка
Маленький холодильник, устанавливаемый прямо на нагревающийся компонент. Они эффективны, но в компьютерах применяются в основном, исключительно для разгона.
В данной системе больше недостатков, чем достоинств. Во-первых, конденсат, который появляется на деталях, более холодных, чем окружающая среда. Второе – повышенное энергопотребление. Третье – сложность и высокая стоимость.
Ряд иностранных фирм уже выпускает серийные изделия. Как правило, это системы, смонтированные в корпусе, в котором для них предусмотрен отдельный отсек.
На данный момент известной фирмой, выпускающей серийные системы phase-change, является датская компания Asetek, продающая свои системы под торговой маркой VapoChill. Asetek выпускает на данный момент 4 модели (SE, PE, XE и LS):
Asetek VapoChill Standard Edition (SE) – позиционируется как система начального уровня, она значительно превосходит любые другие системы охлаждения, обеспечивая отвод 130Вт тепла при температуре -5 С и -26 градусов в простое.
Premium Edition – позволяет рассеивать 160Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. Температура простоя -32 С. Основное отличие от VapoChill Standard Edition в использовании более мощного компрессора Danfoss BD50, который превосходит используемый в VapoChill SE компрессор Danfoss BD35 по производительности.
Xtreme Edition позволяет рассеивать 180Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. В простое температура достигает -35'С. В отличие от других систем серии VapoChill, Xtreme Edition использует другой теплоноситель (R404a), с более низкой температурой кипения (-46.4 при атм. давлении).
Light Speed – новая система, представленная фирмой в начале 2004 года. Компрессор питается от 115/230В (в отличие от предыдущих систем, питавшихся от БП компьютера). Позволяет рассеивать 240 Вт тепла при температуре процессора -25 С. В простое температура достигает -48'С. Система отличается от остальных VapoChill как возросшей производительностью, так и очень высоким уровнем шума и нагрева компрессора
nVENTIV, второй датский производитель, выпускавший серийные системы c 2002 года, прекратил своё существование этим летом. Выпускаемые им модели Mach II, Mach II ST и Mach II GT были конструктивно схожи с VapoChill LS (устройство под АТХ корпусом) и отличались высокой производительностью. Так, топовая модель Mach II GT обеспечивала температуру процессора -20 С при рассеиваемой мощности 200 Вт.
Все три системы конструктивно схожи между собой, различаясь только мощностью компрессора и используемым хладагентом.
4. Системы открытого испарения
В подобных системах используется сухой лед, жидкий азот либо гелий в специальном резервуаре (стакане), установленном прямо на охлаждаемом компоненте.
Используется для самого экстремального разгона (оверклокинга). Недостатки те же – дороговизна, сложность и «стакан» надо постоянно наполнять.
5. Системы каскадного охлаждения
Две и более последовательно включенных фреоновых установок. Для получения более низких температур требуется использовать фреон с более низкой температурой кипения. В однокаскадной холодильной машине в этом случае требуется повышать рабочее давление за счет применения более мощных компрессоров.
Альтернативный путь – охлаждение радиатора установки другой фреонкой (т. е. их последовательное включение), за счет чего снижается рабочее давление в системе и становится возможным применение обычных компрессоров. Каскадные системы позволяют получать гораздо более низкие температуры, чем однокаскадные и, в отличие от систем открытого испарения, могут работать непрерывно. Однако, они являются и наиболее сложными в изготовлении и наладке.
6. Комбинированные системы охлаждения
Такие сочетают в себе элементы охлаждения систем различных типов. В пример комбинированных можно привести Ватерчпперы: системы, совмещающие системы жидкостного охлаждения и фреоновые установки. В таких системах антифриз, циркулирующий в системе жидкостного охлаждения, охлаждается с помощью фреоновой установки в теплообменнике. Данные системы позволяют использовать отрицательные температуры, достижимые с помощью фреоновых установок для охлаждения нескольких компонентов (в обычных фреонках охлаждение нескольких компонентов затруднено). К недостаткам таких систем относится большая их сложность и стоимость, а также необходимость теплоизоляции всей системы жидкостного охлаждения.
Элемент Пельтье для охлаждения компьютерных компонентов никогда не применяется самостоятельно из-за необходимости охлаждения его горячей поверхности. Как правило, элемент Пельтье устанавливается на охлаждаемый компонент, а другую его поверхность охлаждают с помощью другой системы охлаждения (обычно воздушной или жидкостной). Так как компонент может охлаждаться до температур ниже температуры окружающего воздуха, необходимо применять меры по борьбе с конденсатом. По сравнению с фреоновыми установками элементы Пельтье компактнее и не создают шум и вибрацию, но заметно менее эффективны.
· [1] рост тактовых частот процессора, чипсета, шины памяти и прочих шин;
· рост числа транзисторов и ячеек памяти в чипах ПК;
· увеличение мощности, потребляемой узлами ПК.