ระบบระบายความร้อนด้วยคอมพิวเตอร์: Passive, Active, Liquid, Freon, Water Cooler, Open Evaporation, Cascade, Peltier Cooling

ในระหว่างการทำงานของคอมพิวเตอร์ ส่วนประกอบบางอย่างจะร้อนจัด และหากความร้อนที่เกิดขึ้นไม่ถูกกำจัดออกอย่างรวดเร็วพอ คอมพิวเตอร์ก็จะไม่สามารถทำงานได้เนื่องจากละเมิดลักษณะปกติของส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์หลัก

การขจัดความร้อนออกจากส่วนทำความร้อนของคอมพิวเตอร์เป็นงานที่สำคัญที่สุดที่ระบบระบายความร้อนของคอมพิวเตอร์แก้ปัญหาได้ ซึ่งเป็นชุดเครื่องมือพิเศษที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง เป็นระบบ และสอดคล้องกันตลอดเวลาที่คอมพิวเตอร์ใช้งานอยู่

ในระหว่างการทำงานของระบบระบายความร้อนของคอมพิวเตอร์ จะใช้ความร้อนที่เกิดจากการไหลผ่านของกระแสการทำงานผ่านองค์ประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านองค์ประกอบของยูนิตระบบปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับทรัพยากรการประมวลผลของคอมพิวเตอร์และโหลดปัจจุบันซึ่งสัมพันธ์กับทรัพยากรทั้งหมดที่มีในเครื่อง

ไม่ว่าในกรณีใดความร้อนจะถูกกู้คืนในชั้นบรรยากาศ ในการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ความร้อนจะถูกกำจัดออกจากชิ้นส่วนที่ร้อนผ่านหม้อน้ำสู่อากาศโดยรอบโดยตรงโดยการพาความร้อนแบบเดิมและการแผ่รังสีอินฟราเรด ในการทำความเย็นแบบแอคทีฟ นอกจากการพาความร้อนและการแผ่รังสีอินฟราเรดแล้ว ยังมีการใช้พัดลมเป่าซึ่งจะเพิ่มความเข้มของการพาความร้อน (วิธีนี้เรียกว่า «ตัวทำความเย็น»)

นอกจากนี้ยังมีระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ความร้อนถูกถ่ายเทโดยตัวพาความร้อนก่อนแล้วจึงนำไปใช้ในชั้นบรรยากาศอีกครั้ง มีระบบระเหยแบบเปิดที่ระบายความร้อนออกเนื่องจากการเปลี่ยนเฟสของสารหล่อเย็น

ดังนั้นตามหลักการของการกำจัดความร้อนออกจากส่วนทำความร้อนของคอมพิวเตอร์จึงมีระบบระบายความร้อน: การระบายความร้อนด้วยอากาศ, การระบายความร้อนด้วยของเหลว, ฟรีออน, การระเหยแบบเปิดและการรวมกัน (ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ Peltier และเครื่องทำน้ำเย็น)

ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบพาสซีฟ

อุปกรณ์ที่ไม่โหลดความร้อนไม่จำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนแบบพิเศษเลย อุปกรณ์ที่ไม่โหลดความร้อนคืออุปกรณ์ที่ฟลักซ์ความร้อนต่อตารางเซนติเมตรของพื้นผิวที่อุ่น (ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อน) ไม่เกิน 0.5 มิลลิวัตต์ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ความร้อนสูงเกินไปของพื้นผิวที่ร้อนเมื่อเทียบกับอากาศโดยรอบจะไม่สูงกว่า 0.5 ° C ค่าสูงสุดตามปกติสำหรับกรณีดังกล่าวคือ +60 ° C

แต่ถ้าพารามิเตอร์ความร้อนของส่วนประกอบในโหมดปกติของการทำงานเกินค่าเหล่านี้ (ในขณะที่ยังคงสร้างความร้อนค่อนข้างต่ำ) ส่วนประกอบดังกล่าวจะติดตั้งหม้อน้ำเท่านั้นนั่นคืออุปกรณ์สำหรับการกำจัดความร้อนแบบพาสซีฟ ที่เรียกว่า ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ

เมื่อพลังงานของชิปเหลือน้อยหรือเมื่อความต้องการความสามารถในการประมวลผลของระบบมีจำกัด ตามกฎแล้ว ฮีทซิงค์เท่านั้นก็เพียงพอ แม้ว่าจะไม่มีพัดลมก็ตาม หม้อน้ำถูกเลือกแยกกันในแต่ละกรณี

โดยทั่วไป ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟจะทำงานดังต่อไปนี้ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนโดยตรงจากส่วนประกอบความร้อน (ชิป) ไปยังฮีทซิงค์เนื่องจากการนำความร้อนของวัสดุหรือด้วยความช่วยเหลือของท่อความร้อน (เทอร์โมไซฟอนหรือห้องระเหยเป็นพื้นฐานที่แตกต่างกัน วิธีแก้ปัญหาด้วยท่อความร้อน)

การทำงานของหม้อน้ำคือการแผ่ความร้อนไปยังพื้นที่โดยรอบผ่านรังสีอินฟราเรด และถ่ายโอนความร้อนเพียงแค่ผ่านการนำความร้อนของอากาศโดยรอบ ซึ่งก่อให้เกิดกระแสการพาความร้อนตามธรรมชาติ เพื่อให้ความร้อนกระจายไปทั่วบริเวณหม้อน้ำอย่างเข้มข้นที่สุด พื้นผิวของหม้อน้ำจะกลายเป็นสีดำ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบัน (ในอุปกรณ์ต่าง ๆ รวมถึงคอมพิวเตอร์) ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟนั้นแพร่หลาย ระบบดังกล่าวมีความยืดหยุ่นสูง เนื่องจากหม้อน้ำสามารถติดตั้งได้ง่ายบนส่วนประกอบที่ต้องใช้ความร้อนสูง ยิ่งพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจากหม้อน้ำมากเท่าใดการระบายความร้อนก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น

ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนคือความเร็วของการไหลของอากาศที่ผ่านฮีทซิงค์และอุณหภูมิ (โดยเฉพาะความแตกต่างของอุณหภูมิต่อสิ่งแวดล้อม)

หลายคนทราบดีว่าก่อนที่จะติดตั้งฮีทซิงค์บนชิ้นส่วน จำเป็นต้องทาแผ่นกันความร้อน (เช่น KPT-8) กับพื้นผิวที่ประกบกัน สิ่งนี้ทำเพื่อเพิ่มการนำความร้อนในช่องว่างระหว่างส่วนประกอบ

ในขั้นต้น ปัญหาคือพื้นผิวของหม้อน้ำและชิ้นส่วนที่ติดตั้งหลังจากการผลิตและการเจียระไนของโรงงานยังคงมีความหยาบอยู่ที่ 10 ไมครอน และแม้หลังจากการขัดเงาแล้ว ความหยาบประมาณ 5 ไมครอนยังคงอยู่ ความไม่สม่ำเสมอเหล่านี้ป้องกันไม่ให้พื้นผิวเชื่อมต่อถูกกดเข้าหากันให้แน่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยไม่มีช่องว่าง ส่งผลให้มีช่องว่างอากาศที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ

ฮีทซิงค์ที่มีขนาดและพื้นที่ใช้งานใหญ่ที่สุดมักจะติดตั้งบน CPU และ GPU หากจำเป็นต้องประกอบคอมพิวเตอร์เงียบ เนื่องจากความเร็วของอากาศต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้หม้อน้ำขนาดใหญ่พิเศษ ซึ่งโดดเด่นด้วยประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่เพิ่มขึ้น

ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบแอคทีฟ

เพื่อปรับปรุงการระบายความร้อนเพื่อให้อากาศไหลผ่านหม้อน้ำมากขึ้น มีการใช้พัดลมเพิ่มเติม หม้อน้ำที่ติดตั้งพัดลมเรียกว่าคูลเลอร์ มีการติดตั้งคูลเลอร์บนกราฟิกและโปรเซสเซอร์กลางของคอมพิวเตอร์ หากไม่สามารถติดตั้งฮีทซิงค์บนส่วนประกอบบางอย่าง เช่น ฮาร์ดไดรฟ์ หรือไม่แนะนำ ให้ใช้พัดลมเป่าธรรมดาที่ไม่มีฮีทซิงค์นั่นก็เพียงพอแล้ว

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวทำงานบนหลักการถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบที่ระบายความร้อนไปยังหม้อน้ำโดยใช้ของเหลวที่หมุนเวียนอยู่ในระบบ ของเหลวดังกล่าวมักจะเป็นน้ำกลั่นที่มีสารฆ่าเชื้อแบคทีเรียและสารป้องกันกัลวานิกหรือสารป้องกันการแข็งตัว น้ำมัน ของเหลวพิเศษอื่นๆ และในบางกรณี โลหะเหลว

ระบบดังกล่าวจำเป็นต้องมี: ปั๊มสำหรับหมุนเวียนของไหลและหม้อน้ำ (บล็อกน้ำ หัวระบายความร้อน) เพื่อระบายความร้อนออกจากองค์ประกอบความร้อนและถ่ายโอนไปยังของเหลวทำงาน จากนั้นความร้อนจะถูกกระจายโดยฮีทซิงค์ (ระบบแอคทีฟหรือพาสซีฟ)

นอกจากนี้ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวยังมีอ่างเก็บน้ำของสารทำงาน ซึ่งชดเชยการขยายตัวทางความร้อนและเพิ่มความเฉื่อยทางความร้อนของระบบ สะดวกในการเติมถังและสะดวกในการระบายของไหลที่ใช้งานผ่านถัง ในระบบดังกล่าวจำเป็นต้องมีท่อและท่อที่จำเป็น สามารถเลือกเซ็นเซอร์วัดการไหลของของเหลวได้

สารทำงานมีความจุความร้อนสูงเพียงพอเพื่อให้ประสิทธิภาพการทำความเย็นสูงที่ความเร็วการไหลเวียนต่ำและค่าการนำความร้อนสูง ซึ่งช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวที่ระเหยและผนังท่อ

ระบบระบายความร้อนฟรีออน

การโอเวอร์คล็อกโปรเซสเซอร์อย่างมากต้องใช้อุณหภูมิที่เป็นลบขององค์ประกอบที่ระบายความร้อนระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องมีการติดตั้ง Freon สำหรับสิ่งนี้ ระบบเหล่านี้เป็นหน่วยทำความเย็นที่ติดตั้งเครื่องระเหยโดยตรงบนส่วนประกอบซึ่งต้องระบายความร้อนออกในอัตราที่สูงมาก

ข้อเสียของระบบฟรีออนนอกเหนือจากความซับซ้อน ได้แก่ ความต้องการฉนวนกันความร้อน, การต่อสู้กับคอนเดนเสท, ความยากลำบากในการทำความเย็นส่วนประกอบหลาย ๆ อย่างในเวลาเดียวกัน, การใช้พลังงานสูงและราคาสูง

เครื่องทำน้ำเย็น

Waterchiller เป็นระบบระบายความร้อนที่รวมหน่วย Freon และการระบายความร้อนด้วยของเหลว ที่นี่ สารป้องกันการแข็งตัวที่ไหลเวียนอยู่ในระบบจะถูกทำให้เย็นลงอีกในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้บล็อกฟรีออน

ในระบบดังกล่าวจะได้รับอุณหภูมิติดลบด้วยความช่วยเหลือของหน่วยฟรีออนและของเหลวสามารถทำให้ส่วนประกอบหลาย ๆ ชิ้นเย็นลงได้พร้อมกัน ระบบทำความเย็น Freon แบบเดิมไม่อนุญาต ข้อเสียของเครื่องทำน้ำเย็นคือต้องใช้ฉนวนกันความร้อนทั้งระบบ ซับซ้อน และมีค่าใช้จ่ายสูง

เปิดระบบทำความเย็นแบบระเหย

ระบบทำความเย็นแบบไอระเหยแบบเปิดใช้ของเหลวทำงาน—สารทำความเย็น เช่น ฮีเลียม ไนโตรเจนเหลว หรือน้ำแข็งแห้ง สารทำงานระเหยในกระจกเปิดซึ่งติดตั้งโดยตรงบนองค์ประกอบความร้อนซึ่งต้องทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว

วิธีนี้เป็นของมือสมัครเล่นและส่วนใหญ่จะใช้โดยมือสมัครเล่นที่ต้องการการโอเวอร์คล็อกขั้นรุนแรง ("การโอเวอร์คล็อก") ของอุปกรณ์ที่มีอยู่ เมื่อใช้วิธีนี้ คุณจะได้อุณหภูมิต่ำสุด แต่แก้วที่มีสารทำความเย็นจะต้องเติมเป็นประจำ นั่นคือระบบมีเวลาจำกัดและต้องให้ความสนใจอย่างต่อเนื่อง

ระบบระบายความร้อนแบบคาสเคด

ระบบระบายความร้อนแบบเรียงซ้อนหมายถึงการรวมฟรีออนสองตัวหรือมากกว่าตามลำดับพร้อมกัน เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำลง จะใช้ฟรีออนที่มีจุดเดือดลดลงหากเครื่องฟรีออนเป็นแบบขั้นตอนเดียว จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันในการทำงานด้วยคอมเพรสเซอร์ที่ทรงพลัง

แต่มีทางเลือกอื่น - ทำให้หม้อน้ำของบล็อกฟรีออนเย็นลงด้วยบล็อกอื่นที่คล้ายกัน ดังนั้น ความดันในการทำงานในระบบจึงลดลงได้ และไม่ต้องใช้กำลังสูงจากคอมเพรสเซอร์อีกต่อไป สามารถใช้คอมเพรสเซอร์แบบธรรมดาได้ ระบบน้ำตกแม้จะมีความซับซ้อน แต่ก็ช่วยให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าการติดตั้งแบบฟรีออนทั่วไป และเมื่อเทียบกับระบบการระเหยแบบเปิด การติดตั้งดังกล่าวสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง

ระบบทำความเย็น Peltier

ในระบบหล่อเย็น ด้วยองค์ประกอบ Peltier ติดตั้งโดยให้ด้านเย็นอยู่บนพื้นผิวที่ต้องการระบายความร้อน ในขณะที่ด้านร้อนขององค์ประกอบต้องการการระบายความร้อนอย่างเข้มข้นจากระบบอื่นระหว่างการทำงาน ระบบค่อนข้างกะทัดรัด