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. Данные неровности мешают сопрягаемым поверхностям прижаться друг к другу максимально плотно, без зазора, в итоге образуется воздушная щель с низкой теплопроводностью.
Радиаторы наибольшей величины и активной площади устанавливаются обычно на центральный и графический процессоры. Если необходимо собрать бесшумный компьютер, то учитывая низкую скорость прохождения воздуха, необходимы специальные очень большие радиаторы, отличающиеся повышенной эффективностью отвода тепла.
Активная система воздушного охлаждения
Чтобы улучшить охлаждение, 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. 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.
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.
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 (активной или пассивной системы).
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.
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.
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.
Недостатками фреоновой системы, помимо ее сложности, являются: необходимость теплоизоляции, обязательная борьба с конденсатом, трудность охлаждения одновременно нескольких компонентов, высокое энергопотребление и дороговизна.
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.
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. Недостатки ватерчиллера — необходимость теплоизоляции всей системы, а также сложность и высокая стоимость.
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.
Данный способ относится к любительскому, и применяется главным образом любителями-энтузиастами, которым необходим экстремальный разгон («оверклокинг») доступной аппаратуры. 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.
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.
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.