Tietokoneen jäähdytys - Computer cooling

Ripustettu ilmajäähdytteinen jäähdytyselementti, jossa on tuuletin kiinni CPU: ssa , pienempi passiivinen jäähdytyselementti ilman tuuletinta taustalla

Näytönohjaimeen asennettu 3 tuulettimen jäähdytyselementti maksimoi GPU: n ja sitä ympäröivien komponenttien jäähdytystehon

Commodore 128DCR -tietokoneen kytkentätilan virtalähde , käyttäjän asennetulla 40 mm: n tuulettimella. Pystysuoria alumiiniprofiileja käytetään jäähdytyselementteinä.

Tietokoneen jäähdytystä tarvitaan tietokoneen osien tuottaman hukkalämmön poistamiseksi , jotta komponentit pysyvät sallituissa käyttölämpötilarajoissa . Osia, jotka ovat alttiita tilapäisille toimintahäiriöille tai pysyville vikoille ylikuumenemisen aikana, ovat integroidut piirit , kuten keskusyksiköt (CPU), piirisarjat , näytönohjaimet ja kiintolevyasemat .

Komponentit on usein suunniteltu tuottamaan mahdollisimman vähän lämpöä, ja tietokoneet ja käyttöjärjestelmät voidaan suunnitella vähentämään virrankulutusta ja siitä johtuvaa lämmitystä työkuorman mukaan, mutta lämpöä voi silti syntyä enemmän kuin voidaan poistaa ilman jäähdytystä. Ilmavirralla jäähdytettyjen jäähdytyselementtien käyttö vähentää tietyn lämpötilan aiheuttamaa lämpötilan nousua. Huomio ilmavirtamalleihin voi estää kuumat paikat. Tietokoneen tuulettimia käytetään laajalti yhdessä jäähdytyselementtituulettimien kanssa lämpötilan alentamiseksi poistamalla aktiivisesti kuumaa ilmaa. On myös eksoottisempia jäähdytystekniikoita, kuten nestejäähdytys . Kaikki nykyajan prosessorit on suunniteltu katkaisemaan tai vähentämään jännitettä tai kellonopeutta, jos prosessorin sisäinen lämpötila ylittää tietyn rajan. Tätä kutsutaan yleisesti termiseksi kuristukseksi, jos kellonopeus pienenee, tai lämpösulkemiseen, jos laite tai järjestelmä sammutetaan kokonaan.

Jäähdytys voidaan suunnitella tietokoneen ympäristön lämpötilan alentamiseksi, esimerkiksi poistamalla kuumaa ilmaa, tai jäähdyttämään yksittäistä komponenttia tai pientä aluetta (pistejäähdytys). Yleensä erikseen jäähdytettyjä komponentteja ovat suoritin, grafiikkaprosessori (GPU) ja pohjoissilta .

Ei -toivotun lämmön generaattorit

Integroidut piirit (esim. Suoritin ja grafiikkasuoritin) ovat tärkeimpiä lämmöntuottajia nykyaikaisissa tietokoneissa. Lämmöntuotantoa voidaan vähentää tehokkaalla suunnittelulla ja toimintaparametrien, kuten jännitteen ja taajuuden valinnalla, mutta lopulta hyväksyttävä suorituskyky voidaan usein saavuttaa vain hallitsemalla merkittävää lämmöntuotantoa.

Pöly kerääntynyt tämän kannettavan CPU siili kolmen vuoden käytön jälkeen on tehnyt kannettavan käyttökelvottomaksi johtuu usein lämpö seisokkien.

Käytössä tietokoneen osien lämpötila nousee, kunnes ympäristöön siirrettävä lämpö on yhtä suuri kuin komponentin tuottama lämpö, ​​eli kun saavutetaan lämpötasapaino . Luotettavan toiminnan takaamiseksi lämpötila ei saa koskaan ylittää kullekin komponentille yksilöityä suurinta sallittua arvoa. Puolijohteiden, hetkellinen risteyksessä lämpötila , pikemminkin kuin komponentti tapauksessa, siili, tai ympäristön lämpötila on kriittinen.

Jäähdytys voi heikentyä seuraavista syistä:

• Pöly toimii lämpöeristeenä ja estää ilmavirtaa, mikä vähentää jäähdytyselementtiä ja tuulettimen suorituskykyä.
• Huono ilmavirtaus, mukaan lukien turbulenssi, joka johtuu kitkasta esteitä, kuten nauhakaapeleita , vastaan ​​tai puhaltimien väärä suuntaus, voi vähentää kotelon läpi virtaavan ilman määrää ja jopa luoda paikallisia kuuman ilman pyörteitä . Joissakin laitteissa, joissa on huono lämpörakenne, jäähdytysilma voi helposti virrata "jäähdytysreikien" läpi ennen kuin se kulkee kuumien komponenttien yli; jäähdytystä voidaan usein parantaa tukkimalla valitut reiät.
• Huono lämmönsiirto huonon lämpökontaktin vuoksi jäähdytettävien komponenttien ja jäähdytyslaitteiden välillä. Tätä voidaan parantaa käyttämällä lämpöyhdisteitä pinnan epätäydellisyyksien tasoittamiseen tai jopa liimaamalla .

Vahinkojen ehkäisy

Koska korkeat lämpötilat voivat lyhentää merkittävästi käyttöikää tai aiheuttaa pysyviä vaurioita osille ja komponenttien lämmöntuotto voi joskus ylittää tietokoneen jäähdytystehon, valmistajat toteuttavat usein lisätoimenpiteitä varmistaakseen, että lämpötilat pysyvät turvallisissa rajoissa. Tietokone, jonka lämpöanturit on integroitu suorittimeen, emolevyyn, piirisarjaan tai grafiikkasuorittimeen, voi sammua, kun havaitaan korkeita lämpötiloja pysyvien vaurioiden estämiseksi, vaikka tämä ei välttämättä takaa täysin turvallista toimintaa pitkällä aikavälillä. Ennen kuin ylikuumenemiskomponentti saavuttaa tämän pisteen, sitä voidaan "kuristaa", kunnes lämpötila laskee turvallisen pisteen alapuolelle käyttämällä dynaamista taajuuden skaalaustekniikkaa . Kaasu vähentää integroidun piirin toimintataajuutta ja jännitettä tai poistaa käytöstä sirun ei-olennaiset ominaisuudet lämmöntuotannon vähentämiseksi, usein suorituskyvyn heikentyessä hieman tai merkittävästi. Pöytä- ja kannettavissa tietokoneissa kuristusta ohjataan usein BIOS -tasolla. Kaasua käytetään yleisesti myös älypuhelimien ja tablettien lämpötilojen hallintaan, kun komponentit on pakattu tiiviisti yhteen, jäähdytys on vähäistä tai ei lainkaan ja käyttäjän käsistä siirretään ylimääräistä lämpöä.

Keskuskoneet ja supertietokoneet

Kun elektronisista tietokoneista tuli suurempia ja monimutkaisempia, aktiivisten komponenttien jäähdytyksestä tuli kriittinen tekijä luotettavan toiminnan kannalta. Varhaiset tyhjiöputketietokoneet, joissa on suhteellisen suuret kaapit, voivat luottaa luonnollisen tai pakotetun ilmankiertoon jäähdytyksessä. Solid-state-laitteet pakattiin kuitenkin paljon tiheämmin ja niillä oli alhaisemmat sallitut käyttölämpötilat.

Vuodesta 1965 lähtien IBM ja muut keskuskoneiden valmistajat sponsoroivat intensiivistä tutkimusta tiheästi pakattujen integroitujen piirien jäähdytyksen fysiikasta. Monet ilma- ja nestejäähdytysjärjestelmät kehitettiin ja tutkittiin käyttäen menetelmiä, kuten luonnollista ja pakotettua konvektiota, suoraa ilmanpuhallusta, suoraa nesteen upottamista ja pakotettua konvektiota, altaan kiehumista, putoavia kalvoja, virtauksen kiehumista ja nestesuihkun törmäystä. Matemaattista analyysiä käytettiin ennustamaan komponenttien lämpötilan nousuja jokaiselle mahdolliselle jäähdytysjärjestelmän geometrialle.

IBM kehitti kolme sukupolvea lämpöjohtomoduulia (TCM), joissa käytettiin vesijäähdytteistä kylmälevyä suorassa lämpökontaktissa integroitujen piiripakettien kanssa. Jokaisessa pakkauksessa oli lämpöä johtava tappi, joka oli painettu siihen, ja heliumkaasua ympäröivät sirut ja lämpöä johtavat tapit. Suunnittelu voisi poistaa jopa 27 wattia sirusta ja jopa 2000 wattia moduulia kohti säilyttäen samalla sirupaketin lämpötilan noin 50 ° C (122 ° F). TCM -järjestelmiä käyttävät järjestelmät olivat 3081 -perhe (1980), ES/3090 (1984) ja jotkut ES/9000 -mallit (1990). IBM 3081 -prosessorissa TCM -laitteet sallivat jopa 2700 wattia yhdellä painetulla piirilevyllä pitäen samalla sirun lämpötilan 69 ° C: ssa (156 ° F). Vesijäähdytystä käyttäviä lämmönjohtomoduuleja käytettiin myös muiden yritysten, kuten Mitsubishin ja Fujitsun, valmistamissa keskusyksiköissä.

Cray-1 supertietokoneen suunniteltu 1976 oli erottuva jäähdytysjärjestelmä. Kone oli vain 77 tuumaa (2000 mm) korkea ja 56 senttimetriä korkea+1 / 2 tuumaa (1440 mm) halkaisijaltaan, ja kuluttaa jopa 115 kilowattia; tämä on verrattavissa muutaman kymmenen länsimaisen kodin tai keskikokoisen auton keskimääräiseen virrankulutukseen. Koneessa käytetyt integroidut piirit olivat tuolloin nopeimpia saatavilla käyttäen emitterikytkettyä logiikkaa ; nopeuteen liittyi kuitenkin suuri virrankulutus verrattuna myöhempiin CMOS -laitteisiin.

Lämmön poisto oli kriittinen. Kylmäainetta kierrätettiin putkien kautta, jotka oli upotettu pystysuoraan jäähdytystankoon koneen kahdentoista pylväsosassa. Jokaisessa koneen 1662 painetussa piirimoduulissa oli kuparisydän ja se kiinnitettiin jäähdytystankoon. Järjestelmä on suunniteltu pitämään integroitujen piirien kotelot enintään 54 ° C: ssa (129 ° F) ja kylmäaineen kiertäessä 21 ° C: n (70 ° F) lämpötilassa. Lopullinen lämmön hylkääminen tapahtui vesijäähdytteisen lauhduttimen kautta. Putket, lämmönvaihtimet ja pumput jäähdytysjärjestelmää varten on järjestetty pehmustetulle penkki -istuimelle tietokoneen pohjan ympärille. Noin 20 prosenttia koneen painosta oli kylmäainetta.

Myöhemmässä Cray-2: ssa, jossa oli tiheämmin pakattuja moduuleja, Seymour Crayllä oli vaikeuksia jäähdyttää kone tehokkaasti käyttämällä metallijohtamistekniikkaa mekaanisella jäähdytyksellä, joten hän siirtyi neste-upotusjäähdytykseen. Tämä menetelmä sisälsi Cray-2: n rungon täyttämisen Fluorinert- nimisellä nesteellä . Fluorinertti on nimensä mukaisesti inertti neste, joka ei häiritse elektronisten komponenttien toimintaa. Kun komponentit saavuttivat käyttölämpötilan, lämpö haihtui fluorinerttiin, joka pumpattiin ulos koneesta jäähdytetyn veden lämmönvaihtimeen.

Nykyaikaisten järjestelmien suorituskyky wattia kohti on parantunut huomattavasti; tietylle virrankulutukselle voidaan tehdä paljon enemmän laskelmia kuin 1980- ja 1990 -luvun integroiduilla piireillä. Viimeaikaiset supertietokonehankkeet, kuten Blue Gene, luottavat ilmajäähdytykseen, mikä vähentää järjestelmien kustannuksia, monimutkaisuutta ja kokoa verrattuna nestejäähdytykseen.

Ilmajäähdytys

Fanit

Tuulettimia käytetään, kun luonnollinen konvektio ei riitä lämmön poistamiseen. Tuulettimet voidaan asentaa tietokoneen koteloon tai liittää suorittimiin, grafiikkasuorittimiin, piirisarjoihin, virtalähteisiin (PSU), kiintolevyihin tai kortteihin, jotka on kytketty laajennuspaikkaan. Yleisiä tuuletinkokoja ovat 40, 60, 80, 92, 120 ja 140 mm. Tehokkaissa tietokoneissa käytetään joskus 200, 230, 250 ja 300 mm tuulettimia.

Puhaltimien suorituskyky alustassa

Tyypilliset tuuletinkäyrät ja alustan impedanssikäyrät

Tietokone kestää jonkin verran rungon ja komponenttien läpi virtaavaa ilmaa. Tämä on summa kaikista pienemmistä ilmavirran esteistä, kuten tulo- ja poistoaukot, ilmansuodattimet, sisäinen runko ja elektroniset komponentit. Puhaltimet ovat yksinkertaisia ​​ilmapumppuja, jotka tuottavat painetta tulopuolen ilmaan suhteessa lähtöpuoleen. Tämä paine -ero siirtää ilmaa rungon läpi, ja ilma virtaa alemman paineen alueille.

Puhaltimilla on yleensä kaksi julkaistua eritelmää: vapaa ilmavirta ja suurin paine -ero. Vapaa ilmavirtaus on ilman määrä, jota puhallin liikuttaa ilman vastapainetta. Suurin paine -ero on paine, jonka puhallin voi muodostaa, kun se on täysin tukossa. Näiden kahden ääripään välissä on sarja vastaavia virtauksen ja paineen mittauksia, jotka esitetään yleensä kaaviona. Jokaisella tuuletinmallilla on ainutlaatuinen käyrä, kuten viereisen kuvan katkoviivat.

Rinnakkainen sarja-asennuksen kanssa

Puhaltimet voidaan asentaa rinnakkain, sarjassa tai molempien yhdistelmänä. Rinnakkainen asennus olisi rinnakkain asennettuja tuulettimia. Sarja -asennus olisi toinen tuuletin toisen tuulettimen, kuten tulo- ja poistoilmapuhaltimen, kanssa. Keskustelun yksinkertaistamiseksi oletetaan, että tuulettimet ovat samaa mallia.

Rinnakkaispuhaltimet tuottavat kaksinkertaisen vapaan ilmavirran, mutta eivät lisää käyttöpainetta. Sarja -asennus puolestaan ​​kaksinkertaistaa käytettävissä olevan staattisen paineen, mutta ei lisää vapaata ilmavirtaa. Oheinen kuva esittää yhden tuulettimen ja kaksi tuuletinta rinnakkain, joiden enimmäispaine on 3,8 mm (0,15 tuumaa) vettä ja kaksinkertainen virtausnopeus on noin 72 kuutiometriä minuutissa (2,0 m ³ /min).

Huomaa, että ilmavirta muuttuu paineen neliöjuurena. Näin ollen paineen kaksinkertaistaminen lisää vain virtausta 1,41 ( √ 2 ) kertaa, ei kaksinkertaisesti kuin voisi olettaa. Toinen tapa tarkastella tätä on, että paineen täytyy nousta nelinkertaiseksi kaksinkertaistaa virtausnopeus.

Alustan läpi kulkevan virtausnopeuden määrittämiseksi alustan impedanssikäyrä voidaan mitata asettamalla mielivaltainen paine rungon tuloaukkoon ja mittaamalla rungon läpi kulkeva virtaus. Tämä vaatii melko kehittyneitä laitteita. Kun rungon impedanssikäyrä (jota kuvaavat kiinteät punaiset ja mustat viivat viereisessä käyrässä) on määritetty, todellinen virtaus rungon läpi tietyn puhallinkokoonpanon tuottamana esitetään graafisesti, missä alustan impedanssikäyrä ylittää tuulettimen käyrän. Alustan impedanssikäyrän kaltevuus on neliöjuuritoiminto, jossa kaksinkertaistetaan virtausnopeus neljä kertaa paine -ero.

Tässä esimerkissä toisen tuulettimen lisääminen paransi marginaalisesti, ja virtaus molemmissa kokoonpanoissa oli noin 27–28 kuutiometriä minuutissa (0,76–0,79 m ³ /min). Vaikka toinen tuuletin sarjassa ei näy kaaviossa, se toimisi hieman paremmin kuin rinnakkaisasennus.

Lämpötila suhteessa virtausnopeuteen

Rungon läpi tarvittavan ilmavirran yhtälö on

${\ displaystyle CFM = {\ frac {Q} {Cp \ kertaa r \ kertaa DT}}}$

missä

CFM = Cubic Feet per Minute (0.028 m3/min)
Q = Heat Transferred (kW)
Cp = Specific Heat of Air
r = Density
DT = Change in Temperature (in °F)

Yksinkertainen konservatiivinen nyrkkisääntö jäähdytysvirtausvaatimuksille, jossa ei oteta huomioon sellaisia ​​vaikutuksia kuin lämmönhukka rungon seinien läpi ja laminaarinen verrattuna turbulenttiin virtaukseen, ja otetaan huomioon vakiot erityiselle lämmölle ja tiheydelle merenpinnan tasolla:

${\ displaystyle CFM = {\ frac {3.16 \ kertaa W} {{\ teksti {sallittu lämpötilan nousu}}}^{\ ympyrä F}}}$

${\ displaystyle CFM = {\ frac {1,76 \ kertaa W} {{\ teksti {sallittu lämpötilan nousu}}}^{\ ympyrä C}}}$

Esimerkiksi tyypillinen runko, jonka kuormitus on 500 wattia, maksimilämpötila 130 ° F (54 ° C) 100 ° F (38 ° C) ympäristössä, eli ero on 30 ° F (17 ° C):

${\ displaystyle CFM = {\ frac {3,16 \ kertaa 500 W} {(130–100)}} = 53}$

Tämä olisi todellinen virtaus rungon läpi eikä tuulettimen vapaa ilma -arvo. On myös huomattava, että "Q", siirretty lämpö, ​​on suorittimen tai GPU -jäähdyttimen lämmönsiirtotehokkuuden funktio ilmavirtaan.

Pietsosähköinen pumppu

GE: n patentoima "kaksoissuuntainen pietsojäähdytyssuihku" pumppaa ilmaa laitteen läpi värähtelyillä. Alkuperäinen laite on kolme millimetriä paksu ja koostuu kahdesta nikkelilevystä, jotka on liitetty kummallakin puolella pietsosähköisen keramiikan siivuun. Keraamisen komponentin läpi kulkeva vaihtovirta saa sen laajentumaan ja supistumaan jopa 150 kertaa sekunnissa niin, että nikkelikiekot toimivat palkeina. Sopimuksen mukaan levyjen reunat työnnetään yhteen ja imevät kuumaa ilmaa. Laajentaminen tuo nikkelikiekot yhteen, jolloin ilma poistuu suurella nopeudella.

Laitteessa ei ole laakereita eikä se vaadi moottoria. Se on ohuempi ja kuluttaa vähemmän energiaa kuin tyypilliset tuulettimet. Suihku voi siirtää saman määrän ilmaa kuin kaksinkertainen jäähdytystuuletin samalla kun kuluttaa puolet enemmän sähköä ja halvemmalla.

Passiivinen jäähdytys

Emolevy on NeXTcube tietokoneen (1990), jossa 32-bittinen microprozessor Motorola 68040 toimi 25 MHz . Kuvan alareunassa ja vasemmalta keskeltä näkyy suoraan suorittimeen asennettu jäähdytyselementti. CPU: lle ei ollut omaa tuuletinta. Ainoa muu IC, jossa on jäähdytyselementti, on RAMDAC (suoraan suorittimesta).

Passiivinen jäähdytyselementin jäähdytys sisältää koneistetun tai suulakepuristetun metallin lohkon kiinnittämisen jäähdytystä tarvitsevaan osaan. Voidaan käyttää lämpöliimaa. Yleisemmin henkilökohtaisen tietokoneen suorittimessa pidike pitää jäähdytyselementin suoraan sirun päällä lämpörasvan tai lämpötyynyn välissä. Tässä lohkossa on evät ja harjanteet sen pinta -alan lisäämiseksi. Metallin lämmönjohtavuus on paljon parempi kuin ilman, ja se säteilee lämpöä paremmin kuin komponentti, jota se suojaa (yleensä integroitu piiri tai CPU). Tuuletinjäähdytteiset alumiiniset jäähdytyselementit olivat alun perin pöytätietokoneiden normi, mutta nykyään monet jäähdytyselementit sisältävät kuparisia pohjalevyjä tai ovat kokonaan kuparia.

Pölyn kertyminen jäähdytyselementin metallilevyjen väliin vähentää vähitellen tehokkuutta, mutta sitä voidaan torjua kaasupölyllä puhaltamalla pöly pois kaiken muun ei -toivotun ylimääräisen materiaalin kanssa.

Passiivisia jäähdytyselementtejä esiintyy yleensä vanhemmissa suorittimissa, osissa, jotka eivät kuumene kovin paljon (kuten piirisarja), ja pienitehoisissa tietokoneissa.

Yleensä jäähdytyselementti on kiinnitetty integroituun lämmönjakajaan (IHS), mikä on olennaisesti suuri, litteä levy, joka on kiinnitetty suorittimeen ja jonka välissä on kerros johtamistahnaa. Tämä hajottaa tai levittää lämpöä paikallisesti. Toisin kuin jäähdytyselementti, levitin on tarkoitettu jakamaan lämpöä uudelleen, ei poistamaan sitä. Lisäksi IHS suojaa haurasta prosessoria.

Passiivinen jäähdytys ei sisällä tuulettimen melua, koska konvektiovoimat siirtävät ilmaa jäähdytyselementin yli.

Muut tekniikat

Nestemäinen upotusjäähdytys

Tietokone upotettuna mineraaliöljyyn.

Toinen kasvava trendi, joka johtuu tietokoneiden, grafiikkasuorittimien, FPGA: iden ja ASIC -laitteiden lisääntyvästä lämpötiheydestä, on upottaa koko tietokone tai tietyt komponentit lämpöä johtavaan, mutta ei sähköä johtavaan nesteeseen. Vaikka nestemäistä upottamista käytetään harvoin henkilökohtaisten tietokoneiden jäähdytykseen, se on rutiinimenetelmä suurten virranjakelukomponenttien, kuten muuntajien , jäähdyttämiseksi . Siitä on tulossa suosittu myös palvelinkeskusten keskuudessa. Henkilökohtaiset tietokoneet jäähdytetään tällä tavalla ei voi vaatia joko puhaltimet tai pumput, ja voidaan jäähdyttää yksinomaan passiivisten lämmönvaihdon välillä tietokoneen laitteiston ja kotelo se sijoitetaan. Lämmönvaihdin (eli lämmitin ydin tai jäähdytin) voidaan tarvita vielä, vaikka ja putket on myös sijoitettava oikein.

Käytettävän jäähdytysnesteen sähkönjohtavuuden on oltava riittävän alhainen, jotta se ei häiritse tietokoneen normaalia toimintaa. Jos neste johtaa sähköä jonkin verran, se voi aiheuttaa sähköisiä oikosulkuja komponenttien tai jälkien välille ja vahingoittaa niitä pysyvästi. Näistä syistä on edullista, että neste on eristin ( dielektrinen ) eikä johda sähköä.

Tätä tarkoitusta varten on olemassa laaja valikoima nesteitä, mukaan lukien muuntajaöljyt , synteettiset yksivaiheiset ja kaksivaiheiset dielektriset jäähdytysaineet, kuten 3M Fluorinert tai 3M Novec. Yleiskäyttöisiä öljyjä, mukaan lukien ruoanlaitto-, moottori- ja silikoniöljyt , on käytetty menestyksekkäästi henkilökohtaisten tietokoneiden jäähdyttämiseen.

Jotkin upotusjäähdytyksessä käytetyt nesteet, erityisesti hiilivetypohjaiset materiaalit, kuten mineraaliöljyt, ruokaöljyt ja orgaaniset esterit, voivat hajottaa joitain tietokoneissa käytettyjä yleisiä materiaaleja, kuten kumit, polyvinyylikloridi (PVC) ja lämpörasvat . Siksi on kriittisen tärkeää tarkistaa tällaisten nesteiden materiaalien yhteensopivuus ennen käyttöä. Erityisesti mineraaliöljyllä on havaittu olevan kielteisiä vaikutuksia PVC- ja kumipohjaisiin langaneristeisiin. Lämpötahnojen, joita käytetään lämmön siirtämiseen prosessoreilta ja näytönohjaimilta jäähdytyselementteihin, on raportoitu liukenevan joihinkin nesteisiin, mutta vaikutukset jäähdytykseen ovat vähäiset, ellei komponentteja poisteta ja käytetä ilmassa.

Haihtuminen, erityisesti 2-vaiheisissa jäähdytysnesteissä, voi aiheuttaa ongelmia, ja neste voi olla tarpeen täyttää säännöllisesti tai sulkea tietokoneen kotelon sisällä. Upotusjäähdytys voi mahdollistaa erittäin pienet PUE- arvot 1,05 verrattuna ilmajäähdytyksen 1,35: een ja mahdollistaa jopa 100 kW: n laskentatehon (lämmöntuotto, TDP) 19 tuuman telineessä , toisin kuin ilmajäähdytys, joka yleensä kestää jopa 23 kW.

Hukkalämmön vähentäminen

Jos tehokkaita tietokoneita, joissa on monia ominaisuuksia, ei tarvita, voidaan käyttää vähemmän tehokkaita tai vähemmän ominaisuuksia sisältäviä tietokoneita. Vuodesta 2011 lähtien prosessorilla varustettu VIA EPIA -emolevy haihduttaa tyypillisesti noin 25 wattia lämpöä, kun taas tehokkaampi Pentium 4 -emolevy ja suoritin haihduttaa tyypillisesti noin 140 wattia. Tietokoneita voidaan käyttää tasavirralla ulkoisesta virtalähteestä , joka ei aiheuta lämpöä tietokoneen kotelon sisällä. Katodisädeputkinäyttöjen (CRT) korvaaminen tehokkaammilla ohutnäytön nestekidenäytöillä (LCD) 2000-luvun alussa on vähentänyt virrankulutusta merkittävästi.

Jäähdytyselementit

Passiivinen jäähdytyselementti piirisarjassa

Aktiivinen jäähdytyselementti tuulettimella ja lämpöputkilla

Komponentti voidaan asentaa hyvään lämpökosketukseen jäähdytyselementin, passiivisen laitteen kanssa, jolla on suuri lämpökapasiteetti ja jonka pinta -ala on suhteessa tilavuuteensa. Jäähdytyselementit on yleensä valmistettu metallista, jolla on korkea lämmönjohtavuus , kuten alumiinista tai kuparista, ja niissä on evät pinta -alan lisäämiseksi. Lämpö suhteellisen pienestä komponentista siirretään suurempaan jäähdytyselementtiin; komponentin ja jäähdytyselementin tasapainolämpötila on paljon alhaisempi kuin komponentin oma. Lämpö siirretään pois jäähdytyselementistä konvektiivisella tai tuulettimen pakottamalla ilmavirralla. Tuulettimen jäähdytystä käytetään usein jäähdyttämään prosessoreita ja näytönohjaimia, jotka kuluttavat huomattavia määriä sähköenergiaa. Tietokoneessa tyypillinen lämpöä tuottava komponentti voidaan valmistaa tasaisella pinnalla. Metallilohko, jolla on vastaava litteä pinta ja uritettu rakenne, jossa on joskus tuuletin, on kiinnitetty komponenttiin. Epätäydellisen tasaisten ja sileiden pintojen aiheuttamien huonosti johtavien ilmarakojen täyttämiseksi komponentin ja jäähdytyselementin väliin voidaan sijoittaa ohut kerros lämpörasvaa , lämpötyyny tai lämpöliima .

Lämpö poistetaan jäähdytyselementistä konvektion avulla , jossain määrin säteilyllä ja mahdollisesti johtamalla, jos jäähdytyselementti on lämpökosketuksessa esimerkiksi metallikotelon kanssa. Edullisia tuuletinjäähdytteisiä alumiinisia jäähdytyselementtejä käytetään usein tavallisissa pöytätietokoneissa. Jäähdytyselementit, joissa on kuparipohjalevyt tai jotka on valmistettu kuparista, ovat parempia lämpöominaisuuksia kuin alumiinista valmistetut. Kuparinen jäähdytyselementti on tehokkaampi kuin samankokoinen alumiiniyksikkö, mikä on merkityksellistä suorituskykyisissä tietokoneissa käytettävien suuritehoisten komponenttien kannalta.

Passiivisia jäähdytyselementtejä esiintyy yleensä: vanhemmissa suorittimissa, osissa, jotka eivät kuluta paljon virtaa, kuten piirisarjassa, pienitehoisissa suorittimissa olevissa tietokoneissa ja laitteissa, joissa hiljainen toiminta on kriittistä ja tuulettimen melu ei ole hyväksyttävää.

Yleensä jäähdytyselementti kiinnitetään integroituun lämmönjakajaan (IHS), joka on suoritinpaketin kokoinen litteä metallilevy, joka on osa CPU -kokoonpanoa ja jakaa lämpöä paikallisesti. Niiden väliin asetetaan ohut kerros lämpöyhdistettä pinnan epätäydellisyyksien kompensoimiseksi. Levittimen ensisijainen tarkoitus on jakaa lämpö uudelleen. Jäähdytyselementin rivat parantavat sen tehokkuutta.

Useissa DDR2-, DDR3-, DDR4- ja tulevissa DDR5 DRAM -muistimerkkeissä on jäähdytyselementti, joka on leikattu moduulin yläreunaan. Samaa tekniikkaa käytetään näytönohjaimissa, jotka käyttävät GPU: n passiivista jäähdytyselementtiä.

Pölyllä on taipumus kerääntyä jäähdytyselementin rakoihin erityisesti tuulettimien tuottaman suuren ilmavirran vuoksi. Tämä pitää ilman poissa kuumasta komponentista, mikä vähentää jäähdytystehoa; kuitenkin pölyn poistaminen palauttaa tehokkuuden.

Peltier (termosähköinen) jäähdytys

Säännöllinen Peltier -jäähdytysasetus tietokoneille

Peltier-risteykset ovat yleensä vain noin 10-15% tehokkaampia kuin ihanteellinen jääkaappi ( Carnot-sykli ) verrattuna 40–60%: iin, jotka saavutetaan tavanomaisilla puristusjaksojärjestelmillä (käänteiset Rankine- järjestelmät, jotka käyttävät puristusta/laajennusta). Tämän pienemmän tehokkuuden vuoksi lämpösähköistä jäähdytystä käytetään yleensä vain ympäristöissä, joissa kiinteän olomuodon luonne (ei liikkuvia osia , vähäinen huolto, kompakti koko ja suuntausherkkyys) on suurempi kuin puhdas hyötysuhde.

Nykyaikaiset TEC -laitteet käyttävät useita pinottuja yksiköitä, joista jokainen koostuu kymmenistä tai sadoista vierekkäin asetetuista lämpöparista, mikä mahdollistaa huomattavan määrän lämmönsiirtoa . Yleisimmin termopareissa käytetään vismutin ja telluurin yhdistelmää .

Kuten aktiivinen lämpöpumput joka kuluttaa tehoa, TEC voi tuottaa ympäristön lämpötilaa alhaisempaa, mahdotonta passiivinen jäähdytyslevyt, jäähdytin jäähdytettiin nestejäähdytys , ja heatpipe HSFs. Kuitenkin pumpatessaan lämpöä Peltier -moduuli kuluttaa tyypillisesti enemmän sähköä kuin pumpattava lämmön määrä.

On myös mahdollista käyttää Peltier -elementtiä yhdessä korkeapaineisen kylmäaineen (kaksivaiheinen jäähdytys) CPU: n jäähdyttämiseksi.

Nestejäähdytys

Deepcool Captain 360, all-in-one jäähdytysyksikkö, asennettuna koteloon

DIY-vesijäähdytys, jossa on 12 V: n pumppu, suorittimen vesilukko ja tyypillinen T-Linen käyttö

Kaavio säännöllisestä nestejäähdytyksestä tietokoneille

Nestejäähdytys on erittäin tehokas tapa poistaa ylimääräinen lämpö, ​​ja pöytätietokoneissa yleisin lämmönsiirtoneste on (tislattu) vesi. Vesijäähdytyksen etuja ilmajäähdytykseen nähden ovat veden korkeampi ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus .

Periaate, jota käytetään tyypillisessä (aktiivisessa) tietokoneiden nestejäähdytysjärjestelmässä, on sama kuin auton polttomoottorissa , ja vettä kierrättää vesipumppu CPU: han asennetun vesilukon (ja joskus lisäkomponenttien, kuten GPU: n ja Northbridge) ja ulos lämmönvaihtimeen , tyypillisesti jäähdyttimeen . Yleensä jäähdytin jäähdytetään lisäksi tuulettimen avulla . Puhaltimen lisäksi sitä voidaan mahdollisesti myös jäähdyttää muilla keinoilla, kuten Peltier -jäähdyttimellä (vaikka Peltier -elementit sijoitetaan useimmiten suoraan jäähdytettävän laitteiston päälle, ja jäähdytysnestettä käytetään lämmön johtamiseen pois kuumista Peltier -elementin puolella). Järjestelmään on usein liitetty myös jäähdytysnestesäiliö.

Aktiivisten nestejäähdytysjärjestelmien lisäksi käytetään toisinaan myös passiivisia nestejäähdytysjärjestelmiä. Nämä järjestelmät hylkäävät usein tuulettimen tai vesipumpun, mikä lisää teoriassa järjestelmän luotettavuutta ja/tai tekee siitä hiljaisemman kuin aktiiviset järjestelmät. Näiden järjestelmien huonot puolet ovat kuitenkin se, että ne poistavat paljon vähemmän tehokkaasti lämpöä ja tarvitsevat siten paljon enemmän jäähdytysnestettä - ja siten paljon suurempaa jäähdytysnestesäiliötä - antavat jäähdytysnesteelle enemmän aikaa jäähtyä.

Nesteet mahdollistavat suuremman lämmön siirtymisen jäähdytettävistä osista kuin ilma, mikä tekee nestejäähdytyksestä sopivan ylikellotukseen ja korkean suorituskyvyn tietokonesovelluksiin. Ilmajäähdytykseen verrattuna myös nestejäähdytykseen vaikuttaa vähemmän ympäristön lämpötila. Nestejäähdytyksen melutaso on suhteellisen alhainen verrattuna ilmajäähdytykseen, josta voi tulla melko meluisaa.

Nestejäähdytyksen haittoja ovat monimutkaisuus ja jäähdytysnesteen vuoto. Vuotanut vesi (tai mikä tärkeintä, kaikki veden lisäaineet) voi vahingoittaa kaikkia elektronisia osia, joiden kanssa se joutuu kosketuksiin, ja tarve testata ja korjata vuotoja tekee monimutkaisemmista ja vähemmän luotettavista asennuksista. (Erityisesti ensimmäinen suuri hyökkäys nestejäähdytteisten henkilökohtaisten tietokoneiden alalla, Applen Power Mac G5 : n huippuluokan versiot , oli viime kädessä tuomittu taipumuksesta jäähdytysnestevuotoihin.) Ilmajäähdytteinen jäähdytyselementti on yleensä paljon yksinkertaisempi rakentaa, asentaa ja ylläpitää kuin vesijäähdytysratkaisu, vaikka löytyy myös suoritinkohtaisia ​​vesijäähdytyssarjoja, jotka voivat olla yhtä helppoja asentaa kuin ilmanjäähdyttimet. Nämä eivät kuitenkaan rajoitu suorittimiin, ja myös GPU -korttien nestejäähdytys on mahdollista.

Vaikka alun perin se rajoittui keskuskoneisiin , nestejäähdytyksestä on tullut käytäntö, joka liittyy suurelta osin ylikellotukseen joko valmistettujen sarjojen tai yksilöllisesti koottuista osista koottujen tee-se-itse-kokoonpanojen muodossa. Nestejäähdytyksen suosio on kasvanut viime vuosina esiasennetuissa, kohtalaisista korkean suorituskyvyn pöytätietokoneissa. Suljetut ("suljetun silmukan") järjestelmät, joissa on pieni esitäytetty jäähdytin, tuuletin ja vesilukko, yksinkertaistavat vesijäähdytyksen asentamista ja ylläpitoa pienellä kustannuksella jäähdytystehokkuuteen verrattuna suurempiin ja monimutkaisempiin kokoonpanoihin. Nestejäähdytys yhdistetään tyypillisesti ilmajäähdytykseen, ja kuumimpien komponenttien, kuten suorittimien tai grafiikkasuorittimien, nestejäähdytystä käytetään säilyttäen samalla yksinkertaisempi ja halvempi ilmanjäähdytys vähemmän vaativille komponenteille.

IBM Aquasar -järjestelmä käyttää kuumavesijäähdytystä energiatehokkuuden saavuttamiseksi, ja vettä käytetään myös rakennusten lämmittämiseen.

Vuodesta 2011 lähtien vesijäähdytyksen tehokkuus on saanut aikaan sarjan all-in-one (AIO) vesijäähdytysratkaisuja. AIO -ratkaisujen ansiosta yksikkö on paljon helpompi asentaa, ja useimmat yksiköt ovat arvioineet positiivisesti tarkastussivustoilla.

Lämpöputket ja höyrykammiot

Grafiikkakortti, jossa on tuuletin lämpöputken jäähdytin

Lämpöputki on ontto putki, joka sisältää lämmönsiirtonesteen. Neste imee lämpöä ja haihtuu putken toisesta päästä. Höyry kulkee putken toiseen (viileämpään) päähän, jossa se tiivistyy ja luovuttaa piilevän lämmön . Neste palaa putken kuumaan päähän painovoiman tai kapillaaritoiminnan avulla ja toistaa syklin. Lämpöputkien tehokas lämmönjohtavuus on paljon suurempi kuin kiinteiden materiaalien. Tietokoneissa käytettäväksi CPU: n jäähdytyselementti on kiinnitetty suurempaan jäähdyttimen jäähdytyselementtiin. Molemmat jäähdytyselementit ovat onttoja, samoin kuin niiden välinen kiinnitys, mikä luo yhden suuren lämpöputken, joka siirtää lämpöä CPU: sta jäähdyttimeen, joka sitten jäähdytetään jollakin tavanomaisella menetelmällä. Tämä menetelmä on kallis ja sitä käytetään yleensä silloin, kun tilaa on vähän, kuten pienissä tietokoneissa ja kannettavissa tietokoneissa tai joissa tuulettimen kohinaa ei voida sietää, kuten äänen tuotannossa. Tämän jäähdytysmenetelmän tehokkuuden vuoksi monet pöytäkoneiden suorittimet ja grafiikkasuorittimet sekä huippuluokan piirisarjat käyttävät lämpöputkia ja höyrykammioita aktiivisen tuuletinpohjaisen jäähdytyksen ja passiivisten jäähdytyselementtien lisäksi pysyäkseen turvallisissa käyttölämpötiloissa. Höyrykammio toimii samoilla periaatteilla kuin lämpöputki, mutta se on laatan tai levyn muodossa putken sijaan. Lämpöputket voidaan sijoittaa pystysuoraan päälle ja muodostaa osan höyrykammioista. Höyrykammioita voidaan käyttää myös huippuluokan älypuhelimissa .

Sähköstaattinen ilman liike ja koronapurkauksen vaikutus jäähdytys

Kronosin ja Thorn Micro Technologiesin kehittämä jäähdytystekniikka käyttää laitetta nimeltä ioninen tuulipumppu (tunnetaan myös nimellä sähköstaattinen nesteen kiihdytin). Ionisen tuulipumpun perusperiaate on koronapurkaus , sähköpurkaus lähellä ladattua johdinta, joka aiheutuu ympäröivän ilman ionisaatiosta.

Kronosin kehittämä koronapurkausjäähdytin toimii seuraavasti: Suuri sähkökenttä syntyy katodin kärkeen, joka on sijoitettu suorittimen toiselle puolelle. Suuri energiapotentiaali aiheuttaa ilmassa olevien happi- ja typpimolekyylien ionisoitumisen (positiivisesti varautuneen) ja luo koronan (varautuneiden hiukkasten halo). Maadoitetun anodin asettaminen suorittimen vastakkaiseen päähän saa koronassa olevat varautuneet ionit kiihtymään kohti anodia ja törmäävät matkalla oleviin neutraaleihin ilmamolekyyleihin. Näiden törmäysten aikana vauhti siirtyy ionisoidusta kaasusta neutraaleihin ilmamolekyyleihin, mikä johtaa kaasun liikkumiseen kohti anodia.

Koronapohjaisen jäähdyttimen etuna on liikkuvien osien puute, mikä poistaa tietyt luotettavuusongelmat ja toimii melkein nollatasolla ja kohtuullisella energiankulutuksella.

Pehmeä jäähdytys

Pehmeä jäähdytys on käytäntö, jossa käytetään ohjelmistoja hyödyntämään suorittimen virransäästötekniikoita energiankulutuksen minimoimiseksi. Tämä suoritetaan käyttämällä pysäytysohjeita sammuttaaksesi tai asettaaksesi valmiustilaan CPU -osia, joita ei käytetä, tai alikellottamalla suorittimen. Vaikka tämä johtaa pienempiin kokonaisnopeuksiin, tämä voi olla erittäin hyödyllistä, jos suorittimen ylikellotus parantaa käyttökokemusta sen sijaan, että lisäisi raakaa prosessointitehoa, koska se voi estää meluisamman jäähdytyksen tarpeen. Toisin kuin termi ehdottaa, se ei ole jäähdytysmuoto, vaan lämmöntuotannon vähentäminen.

Alijännite

Alijännite on käytäntö, jossa suoritetaan suoritin tai jokin muu komponentti, jonka jännite on laitteen määritysten alapuolella. Alijännitteinen komponentti kuluttaa vähemmän virtaa ja tuottaa siten vähemmän lämpöä. Kyky tehdä tämä vaihtelee valmistajan, tuotelinjan ja jopa saman tuotteen (samoin kuin järjestelmän muiden komponenttien) eri tuotantovaiheiden mukaan, mutta prosessorit on usein määritelty käyttämään korkeampia jännitteitä kuin on välttämätöntä. Tämä toleranssi varmistaa, että prosessorilla on paremmat mahdollisuudet toimia oikein optimaalisissa olosuhteissa, kuten huonolaatuisemmassa emolevyssä tai alhaisissa virtalähteissä. Tietyn rajan alapuolella prosessori ei toimi oikein, vaikka alijännitys liian pitkälle ei yleensä johda pysyviin laitteistovaurioihin (toisin kuin ylijännite).

Alijännitettä käytetään hiljaisiin järjestelmiin , koska jäähdytystä tarvitaan vähemmän lämmöntuotannon vähentämisen vuoksi, jolloin meluisat puhaltimet voidaan jättää pois. Sitä käytetään myös silloin, kun akun latausaika on maksimoitava.

Chip-integroitu

Perinteiset jäähdytystekniikat kiinnittävät "jäähdytyskomponentin" tietokonepiiripaketin ulkopuolelle. Tällä "kiinnitystekniikalla" on aina jonkinlainen lämmönkestävyys, mikä vähentää sen tehokkuutta. Lämpö voidaan poistaa tehokkaammin ja nopeammin jäähdyttämällä suoraan sirun paikalliset kuumat kohdat pakkauksessa. Näissä paikoissa voi tapahtua yli 300 W/cm ² (tyypillinen suoritin on alle 100 W/cm ² ) virranhukka, vaikka tulevien järjestelmien odotetaan ylittävän 1000 W/cm ² . Tämä paikallisen jäähdytyksen muoto on välttämätön suuritehoisten sirujen kehittämiselle. Tämä ideologia on johtanut tutkimukseen jäähdytyselementtien integroimisesta tietokonepiiriin. Tällä hetkellä on olemassa kaksi tekniikkaa: mikrokanavaiset jäähdytyselementit ja suihkuputken jäähdytys.

Mikrokanavaisissa jäähdytyselementteissä kanavat valmistetaan piisiruun (CPU) ja jäähdytysnestettä pumpataan niiden läpi. Kanavien pinta -ala on erittäin suuri, mikä johtaa suuriin lämmönsiirtoihin. Tällä tekniikalla on raportoitu lämpöhäviöstä 3000 W/cm ² . Lämmönpoistoa voidaan edelleen lisätä, jos käytetään kaksivaiheista virtausjäähdytystä. Valitettavasti järjestelmä vaatii suuria painehäviöitä pienten kanavien vuoksi, ja lämpövirta on pienempi sähköisissä jäähdytyksissä käytettävillä dielektrisillä jäähdytysaineilla.

Toinen paikallinen lastujen jäähdytystekniikka on suihkupuhallusjäähdytys. Tässä tekniikassa jäähdytysneste virtaa pienen aukon läpi suihkun muodostamiseksi. Suihku on suunnattu CPU -sirun pintaa kohti ja voi tehokkaasti poistaa suuria lämpövirtauksia. Lämmöntuotto on raportoitu yli 1000 W/cm ² . Järjestelmää voidaan käyttää pienemmällä paineella verrattuna mikrokanavamenetelmään. Lämmönsiirtoa voidaan edelleen lisätä käyttämällä kaksivaiheista virtausjäähdytystä ja integroimalla paluuvirtauskanavat (hybridi mikrokanavien jäähdytyselementtien ja suihkuputken jäähdytyksen välillä).

Vaiheenvaihdon jäähdytys

Vaiheenvaihtojäähdytys on erittäin tehokas tapa jäähdyttää suoritin. Höyrypuristusvaiheen jäähdytin on yksikkö, joka yleensä istuu tietokoneen alla, ja putki johtaa prosessoriin. Laitteen sisällä on samantyyppinen kompressori kuin ilmastointilaitteessa . Kompressori puristaa kaasun (tai kaasuseoksen), joka tulee höyrystimestä (CPU -jäähdytin, josta keskustellaan alla). Sitten erittäin kuuma korkeapainehöyry työnnetään lauhduttimeen (lämmön haihdutuslaite), jossa se tiivistyy kuumasta kaasusta nesteeksi, joka yleensä jäähdytetään lauhduttimen ulostulon jälkeen, ja neste syötetään laajennuslaitteeseen (rajoitus järjestelmä) aiheuttaa paineen laskua, höyrystää nesteen (saa sen saavuttamaan paineen, jossa se voi kiehua halutussa lämpötilassa); Käytettävä laajennuslaite voi olla yksinkertainen kapillaariputki kehittyneempään lämpölaajenemisventtiiliin. Neste haihtuu (vaihtuva vaihe) ja absorboi prosessorin lämpöä, kun se ottaa ylimääräistä energiaa ympäristöstään tämän muutoksen mukaiseksi (katso piilevä lämpö ). Haihtuminen voi tuottaa noin -15 - -150 ° C: n (5 - -238 ° F) lämpötiloja. Neste virtaa höyrystimeen jäähdyttäen CPU: ta ja muuttuu höyryksi matalassa paineessa. Höyrystimen lopussa tämä kaasu virtaa alas kompressoriin ja sykli alkaa alusta. Tällä tavalla prosessori voidaan jäähdyttää -15 - −150 ° C (5 - -238 ° F) lämpötiloihin riippuen kuormituksesta, prosessorin tehosta, jäähdytysjärjestelmästä (katso jäähdytys ) ja käytetystä kaasuseoksesta . Tämäntyyppinen järjestelmä kärsii useista ongelmista (hinta, paino, koko, tärinä, ylläpito, sähkön hinta, melu, erikoistietokonetornin tarve), mutta pääasiassa on huolehdittava kastepisteestä ja kaikki ympäristön alapinnat, jotka on tehtävä (putket hikoilevat, tippuvat vettä herkälle elektroniikalle).

Vaihtoehtoisesti kehitetään uutta jäähdytysjärjestelmää, joka asettaa pumpun termosifonisilmukkaan . Tämä lisää suunnittelijalle joustavuutta, koska lämpö voidaan nyt siirtää tehokkaasti pois lämmönlähteestä ja joko ottaa talteen tai hajottaa ympäristöön. Liitännän lämpötilaa voidaan säätää säätämällä järjestelmän painetta; suurempi paine vastaa korkeampia nesteen kyllästymislämpötiloja. Tämä mahdollistaa pienemmät lauhduttimet, pienemmät tuulettimet ja/tai lämmön tehokkaan poistumisen korkeassa ympäristön lämpötilassa. Nämä järjestelmät ovat pohjimmiltaan seuraavan sukupolven nestejäähdytyksen paradigma, koska ne ovat noin 10 kertaa tehokkaampia kuin yksivaiheinen vesi. Koska järjestelmä käyttää lämmönsiirtoaineena dielektristä, vuodot eivät aiheuta sähköjärjestelmän katastrofaalista vikaa.

Tämän tyyppistä jäähdytystä pidetään äärimmäisenä tapana jäähdyttää komponentteja, koska yksiköt ovat suhteellisen kalliita verrattuna keskimääräiseen pöytäkoneeseen. Ne tuottavat myös huomattavan määrän melua, koska ne ovat pääasiassa jääkaappeja; Kompressorin valinta ja ilmajäähdytysjärjestelmä ovat kuitenkin tämän tärkein tekijä, mikä mahdollistaa joustavuuden melun vähentämiseksi valittujen osien perusteella.

"Termosifoni" viittaa perinteisesti suljettuun järjestelmään, joka koostuu useista putkista ja/tai kammioista ja jossa on suurempi kammio, joka sisältää pienen nestesäiliön (jonka kiehumispiste on usein hieman ympäristön lämpötilan yläpuolella, mutta ei välttämättä). Suurempi kammio on niin lähellä lämmönlähdettä ja suunniteltu johtamaan siitä mahdollisimman paljon lämpöä nesteeseen, esimerkiksi CPU -kylmälevy, jonka sisällä oleva kammio on täynnä nestettä. Yksi tai useampi putki ulottuu ylöspäin jonkinlaiseen jäähdyttimeen tai vastaavaan lämmöntuottoalueelle, ja tämä kaikki on järjestetty siten, että CPU lämmittää sen sisältämän säiliön ja nesteen, joka alkaa kiehua, ja höyry kulkee putkea (putkia) pitkin jäähdyttimen/lämmönpoistoalueen päälle ja sitten kondensoitumisen jälkeen tippuu takaisin säiliöön tai putken sivuja pitkin. Tämä ei vaadi liikkuvia osia, ja se on jonkin verran samanlainen kuin lämpöpumppu, paitsi että kapillaarista toimintaa ei käytetä, mikä tekee siitä mahdollisesti paremman jossain mielessä (ehkä tärkeintä, parempi siinä mielessä, että se on paljon helpompi rakentaa ja paljon muokattavampi erityiset käyttötapaukset ja jäähdytysnesteen/höyryn virtaus voidaan järjestää monenlaisiin asentoihin ja etäisyyksille, ja niillä on paljon suurempi lämpömassa ja suurin kapasiteetti verrattuna lämpöputkiin, joita rajoittaa läsnä oleva jäähdytysnesteen määrä sekä nopeus ja virtaus jäähdytysnesteen määrä, jonka kapillaaritoiminta voi saavuttaa käytetyn imevän, usein sintratun kuparijauheen avulla putken seinämillä, joilla on rajoitettu virtausnopeus ja kapasiteetti.)

Nestemäinen typpi

Nestemäistä typpeä voidaan käyttää jäähdyttämään ylikellotettuja komponentteja

Koska nestemäinen typpi kiehuu −196 ° C: ssa (−320,8 ° F), paljon veden jäätymispisteen alapuolella, se on arvokasta jäähdytysnesteenä lyhyitä ylikellotusistuntoja varten.

Tyypillisessä nestetyppijäähdytyksen asennuksessa kupari- tai alumiiniputki asennetaan suorittimen tai näytönohjaimen päälle. Kun järjestelmä on eristetty voimakkaasti kondensaatiota vastaan, nestemäinen typpi kaadetaan putkeen, jolloin lämpötila on selvästi alle -100 ° C (-148 ° F).

Haihdutuslaitteita, jotka vaihtelevat katkaistusta jäähdytyselementistä putkilla, jotka on kiinnitetty räätälöityihin jyrsittyihin kuparisäiliöihin, käytetään typen säilyttämiseen ja suurten lämpötilan muutosten estämiseen. Typen haihtumisen jälkeen se on kuitenkin täytettävä uudelleen. Valtakunnassa henkilökohtaiset tietokoneet, tämä jäähdytysmenetelmä on harvoin käytetään yhteyksissä, muut kuin overclocking tutkimus-kulkee ja ennätyksiä yrityksiä, kuten CPU yleensä päättyy suhteellisen lyhyessä ajassa, koska lämpötilan stressiä muutosten aiheuttamaa sisäisen lämpötila.

Vaikka nestemäinen typpi ei ole syttyvää, se voi tiivistää happea suoraan ilmasta. Nestemäisen hapen ja syttyvien materiaalien seokset voivat olla vaarallisen räjähtäviä .

Nestemäistä typpijäähdytystä käytetään yleensä vain suorittimen vertailuanalyysiin, koska jatkuva käyttö voi aiheuttaa pysyviä vaurioita yhdelle tai useammalle tietokoneen osalle, ja jos sitä käsitellään huolimattomasti, se voi jopa vahingoittaa käyttäjää ja aiheuttaa paleltumia .

Nestemäinen helium

Jäähdytykseen on käytetty myös nestemäistä heliumia , joka on kylmempi kuin nestemäinen typpi. Nestemäinen helium kiehuu -269 ° C: ssa (-452,20 ° F), ja jäähdytyselementistä on mitattu lämpötila -230 - -240 ° C (-382,0 - -400,0 ° F). Nestemäinen helium on kuitenkin kalliimpaa ja vaikeampaa varastoida ja käyttää kuin nestemäinen typpi. Lisäksi erittäin alhaiset lämpötilat voivat estää integroitujen piirien toiminnan. Esimerkiksi piipohjaiset puolijohteet jäätyvät noin -233 ° C: n (-387,4 ° F) lämpötilassa.

Optimointi

Jäähdytystä voidaan parantaa useilla tekniikoilla, jotka voivat aiheuttaa lisäkustannuksia tai vaivaa. Näitä tekniikoita käyttävät usein erityisesti ne, jotka käyttävät tietokoneen osia (kuten suoritin ja GPU) suuremmilla jännitteillä ja taajuuksilla kuin valmistaja on määrittänyt ( ylikellotus ), mikä lisää lämmöntuotantoa.

Korkeamman suorituskyvyn jäähdytyksen asennusta voidaan pitää modifikaationa . Monet ylikellottimet ostavat yksinkertaisesti tehokkaampia ja usein kalliimpia tuuletin- ja jäähdytyselementtiyhdistelmiä, kun taas toiset käyttävät eksoottisempia tietokonejäähdytystapoja, kuten nestejäähdytystä, Peltier -teholämpöpumppuja, lämpöputkea tai vaihevaihtojäähdytystä.

On myös joitain asiaan liittyviä käytäntöjä, joilla on positiivinen vaikutus järjestelmän lämpötilan alentamiseen:

Lämmönjohtavat yhdisteet

Usein kutsutaan nimellä TIM (Thermal Interface Material) (esim. Intel).

Lämpöyhdistettä käytetään yleisesti parantamaan lämmönjohtavuutta CPU: sta, GPU: sta tai mistä tahansa lämpöä tuottavista komponenteista jäähdytyselementin jäähdyttimeen. (Vastapäivään ylhäältä vasemmalta: Arctic MX-2, Arctic MX-4, Tuniq TX-4, Antec Formula 7, Noctua NT-H1)

Täysin tasaiset pinnat kosketuksessa antavat optimaalisen jäähdytyksen, mutta täydellinen tasaisuus ja mikroskooppisten ilmarakojen puuttuminen ei ole käytännössä mahdollista erityisesti massatuotannossa . Hyvin ohut kuorittu lämpöyhdiste , joka on paljon lämpöä johtavampaa kuin ilma, vaikka paljon vähemmän kuin metalli, voi parantaa lämpökosketusta ja jäähdytystä täyttämällä ilmaraot. Jos käytetään vain pientä määrää yhdistettä, joka riittää täyttämään aukot, saavutetaan paras lämpötilan lasku.

Yhdisteiden eduista keskustellaan paljon, ja ylikellottimet pitävät usein joitakin yhdisteitä parempina kuin toiset. Pääasiallinen huomio on käyttää mahdollisimman vähän lämpöyhdistettä, joka tarvitaan pintojen tasoittamiseen, koska yhdisteen lämmönjohtavuus on tyypillisesti 1/3 - 1/400 metallin, vaikkakin paljon parempi kuin ilma. Jäähdytyselementin johtavuus vaihtelee noin 0,5 - 80 W/mK (katso artikkelit); alumiini on noin 200 ja ilma noin 0,02. Käytetään myös lämpöä johtavia tyynyjä , joita valmistajat usein asentavat jäähdytyselementteihin. Ne ovat vähemmän tehokkaita kuin oikein levitetty lämpöyhdiste, mutta yksinkertaisempia käyttää, ja jos ne on kiinnitetty jäähdytyselementtiin, käyttäjät eivät voi jättää niitä huomiotta hyvän lämpökontaktin tärkeydestä tai korvata paksulla ja tehottomalla yhdistekerroksella.

Toisin kuin jotkut tässä käsitellyt tekniikat, lämpöyhdisteen tai pehmusteen käyttö on lähes yleismaailmallista, kun se hajottaa huomattavia määriä lämpöä.

Jäähdytyselementin läppä

Massatuotetut suorittimen lämmönjakajat ja jäähdytyselementit eivät ole koskaan täysin tasaisia ​​tai sileitä; jos nämä pinnat on sijoitettu parhaaseen mahdolliseen kosketukseen, ilmavälit vähentävät lämmönjohtavuutta. Tätä voidaan helposti lievittää käyttämällä lämpöyhdistettä, mutta parhaiden tulosten saavuttamiseksi pintojen on oltava mahdollisimman tasaisia. Tämä voidaan saavuttaa työlällä prosessilla , joka tunnetaan nimellä lapping , joka voi alentaa suorittimen lämpötilaa tyypillisesti 2 ° C (4 ° F).

Pyöristetyt kaapelit

Useimmat vanhemmat tietokoneet käyttävät litteitä nauhakaapeleita tallennusasemien ( IDE tai SCSI ) liittämiseen . Nämä suuret litteät kaapelit estävät suuresti ilmavirtaa aiheuttamalla vastusta ja turbulenssia. Ylikellot ja modderit usein korvaavat nämä pyöristetyillä kaapeleilla, joissa johtavat johdot niputetaan tiiviisti yhteen pinta -alan pienentämiseksi. Teoriassa nauhakaapelin johtimien yhdensuuntaiset säikeet vähentävät ylikuulumista (signaalia kuljettavat johtimet aiheuttavat signaaleja läheisissä johtimissa), mutta ei ole empiiristä näyttöä siitä, että kaapeleiden pyöristäminen heikentäisi suorituskykyä. Tämä voi johtua siitä, että kaapelin pituus on riittävän lyhyt, joten ylikuulumisen vaikutus on vähäinen. Ongelmia syntyy yleensä silloin, kun kaapeli ei ole sähkömagneettisesti suojattu ja pituus on huomattava, ja sitä esiintyy useammin vanhempien verkkokaapeleiden kanssa.

Nämä tietokonekaapelit voidaan sitten kiinnittää kaapelilla runkoon tai muihin kaapeleihin ilmavirran lisäämiseksi.

Tämä on vähemmän ongelma uusien tietokoneiden kanssa, jotka käyttävät sarja -ATA: ta, jossa on paljon kapeampi kaapeli.

Ilmavirta

Mitä kylmempi jäähdytysaine (ilma), sitä tehokkaampi jäähdytys . Jäähdytysilman lämpötilaa voidaan parantaa seuraavilla ohjeilla:

• Syötä viileää ilmaa kuumille komponenteille mahdollisimman suoraan. Esimerkkejä ovat ilmasnorkkelit ja tunnelit, jotka syöttävät ulkoilmaa suoraan ja yksinomaan CPU- tai GPU -jäähdyttimeen. Esimerkiksi BTX -kotelomalli määrää CPU -ilmatunnelin.
• Poista lämmin ilma mahdollisimman suoraan. Esimerkkejä ovat: Perinteiset PC ( ATX ) -virtalähteet puhaltavat kuuman ilman ulos kotelon takaosasta. Monet kahden korttipaikan grafiikkakortit puhaltavat lämmintä ilmaa viereisen korttipaikan kannen läpi. On myös joitain jälkimarkkinoiden jäähdyttimiä, jotka tekevät tämän. Jotkin suorittimen jäähdytysmallit puhaltavat lämmintä ilmaa suoraan kotelon takaosaa kohti, missä kotelon tuuletin voi poistaa sen.
• Ilmaa, jota on jo käytetty komponentin spot-jäähdytykseen, ei tule käyttää uudelleen toisen komponentin spot-jäähdytykseen (tämä seuraa edellisistä kohdista). BTX -kotelon rakenne rikkoo tätä sääntöä, koska se käyttää suorittimen jäähdyttimen pakokaasua jäähdyttääkseen piirisarjan ja usein näytönohjaimen. Yksi voi kohdata vanhoja tai erittäin edullisia ATX-koteloita, joiden yläosassa on virtalähde. Useimmissa nykyaikaisissa ATX -koteloissa on kuitenkin virtalähteen kiinnitys kotelon pohjassa, ja suodatettu tuuletusaukko on suoraan virtalähteen alla.
• Käytä mieluummin viileää tuloilmaa, vältä poistoilman hengittämistä (ulkoilma poistoilman ylä- tai lähellä). Esimerkiksi suorittimen jäähdytysilmakanava tornikotelon takana hengittäisi lämpimää ilmaa näytönohjaimen pakokaasusta. Kaikkien pakokaasujen siirtäminen kotelon toiselle puolelle, perinteisesti takaosaan/yläosaan, auttaa pitämään imuilman viileänä.
• Piilota kaapelit emolevyn lokeron taakse tai yksinkertaisesti kiinnitä vetoketju ja tucking -kaapelit pois, jotta ilmavirtaus estyy.

Vähemmän tuulettimia, mutta strategisesti sijoitettu, parantaa ilmavirtaa tietokoneen sisällä ja alentaa siten kotelon sisäistä kokonaislämpötilaa suhteessa ympäristöolosuhteisiin. Suurempien tuulettimien käyttö parantaa myös tehokkuutta ja vähentää hukkalämmön määrää sekä puhaltimien käytön aikana syntyvän melun määrää.

Tuulettimien eri kokoonpanojen tehokkuudesta ei ole juurikaan yksimielisyyttä, ja järjestelmällistä testausta on tehty vähän. Suorakulmaisen PC (ATX) -kotelon osalta tuuletin edessä ja tuuletin takana ja yksi ylhäällä on todettu sopiviksi. Kuitenkin AMD: n (hieman vanhentuneet) järjestelmän jäähdytysohjeet huomauttavat, että "Etujäähdytin ei näytä olevan välttämätön. Itse asiassa joissakin äärimmäisissä tilanteissa testaus osoitti, että nämä tuulettimet kiertävät kuumaa ilmaa viileän ilman sijaan." Voi olla, että sivupaneelien tuulettimilla voi olla samanlainen haitallinen vaikutus - mahdollisesti häiritsemällä kotelon läpi kulkevaa normaalia ilmavirtaa. Tämä ei kuitenkaan ole vahvistettu ja vaihtelee todennäköisesti kokoonpanon mukaan.

Ilmanpaine

1) Alipaine 2) Positiivinen paine

Rehellisesti sanottuna positiivinen paine tarkoittaa, että koteloon meneminen on vahvempaa kuin kotelosta tuleva pakokaasu. Tämä kokoonpano johtaa siihen, että kotelon sisällä oleva paine on korkeampi kuin sen ympäristössä. Negatiivinen paine tarkoittaa, että pakokaasu on imua voimakkaampi. Tämän seurauksena sisäinen ilmanpaine on alhaisempi kuin ympäristössä. Molemmilla kokoonpanoilla on etuja ja haittoja, ja positiivinen paine on suosituin näistä kahdesta kokoonpanosta. Negatiivinen paine johtaa siihen, että kotelo vetää ilmaa reikien ja tuuletusaukkojen läpi erillään tuulettimista, koska sisäiset kaasut yrittävät saavuttaa tasapainon ympäristön kanssa. Tämän seurauksena pöly pääsee tietokoneeseen kaikkialla. Positiivinen paine yhdessä suodatetun imuaukon kanssa ratkaisee tämän ongelman, koska ilma kallistuu poistumaan vain näiden reikien ja tuuletusaukkojen läpi saavuttaakseen tasapainon ympäristönsä kanssa. Pöly ei voi päästä koteloon muuten kuin imuletkujen kautta, joissa on oltava pölysuodattimet.

Tietokoneiden tyypit

Pöytäkoneet

Kuva tietokoneen kotelon jäähdytysilman ilmavirrasta tietokoneen jäähdytyksen aikana

Pöytätietokoneet käyttävät tyypillisesti yhtä tai useampaa tuuletinta jäähdytykseen. Vaikka melkein kaikissa pöytätietokoneen virtalähteissä on vähintään yksi sisäänrakennettu tuuletin, virtalähteet eivät saa koskaan imeä kuumaa ilmaa kotelosta, koska tämä johtaa korkeampiin virtalähteen käyttölämpötiloihin, mikä vähentää virtalähteen energiatehokkuutta, luotettavuutta ja yleistä kykyä tarjota tasainen virtalähde tietokoneen sisäisiin osiin. Tästä syystä kaikissa nykyaikaisissa ATX-koteloissa (joitain poikkeuksia esiintyy erittäin pienissä budjettikoteloissa) on virtalähdekiinnike pohjassa ja erillinen virtalähteen ilmanotto (usein omalla suodattimella) asennuspaikan alla, mikä mahdollistaa PSU vetää viileää ilmaa kotelon alta.

Useimmat valmistajat suosittelevat tuomaan viileää, raitista ilmaa kotelon alaosaan ja poistamaan lämpimän ilman ylhäältä. Jos tuulettimet on asennettu pakottamaan ilma koteloon tehokkaammin kuin se poistetaan, sisäinen paine tulee korkeammaksi kuin ulkona, jota kutsutaan "positiiviseksi" ilmavirraksi (päinvastaista tapausta kutsutaan "negatiiviseksi" ilmavirraksi). On syytä huomata, että positiivinen sisäinen paine estää pölyn kerääntymisen vain, jos ilmanottoaukot on varustettu pölysuodattimilla. Kotelo, jossa on negatiivinen sisäinen paine, kärsii suuremmasta pölyn kerääntymisestä, vaikka imuaukot suodatetaan, koska alipaine vetää pölyä sisään kotelon mahdollisen aukon kautta

Ilmavirta tyypillisen työpöydän kotelon sisällä ei yleensä ole riittävän voimakas suorittimen passiiviselle jäähdytyselementille. Useimmat työpöydän jäähdytyselementit ovat aktiivisia, mukaan lukien yksi tai jopa useita suoraan kiinnitettyjä tuulettimia tai puhaltimia.

Palvelimet

Palvelin, jossa on seitsemän tuuletinta rungon keskellä, oikealla olevien asemien ja pääemolevyn välillä vasemmalla

Sulje näkymä palvelimen jäähdyttimistä

Palvelimen jäähdyttimet

Jokaisella palvelimella voi olla itsenäinen sisäinen jäähdytinjärjestelmä; Palvelimen jäähdytyspuhaltimet (1 U ) koteloissa sijaitsevat yleensä kotelon keskellä, edessä olevien kiintolevyasemien ja takana olevien passiivisten CPU -jäähdytyselementtien välissä. Suuremmissa (korkeammissa) koteloissa on myös poistoilmapuhaltimet, ja noin 4U: sta alkaen niissä voi olla aktiivisia jäähdytyselementtejä. Virtalähteissä on yleensä omat taaksepäin suuntautuvat poistoilmapuhaltimet.

Telineeseen asennettavat jäähdyttimet

Rack -kaappi on tyypillinen kotelo vaakasuoraan asennetuille palvelimille. Tyypillisesti ilmaa vedetään telineen eteen ja poistetaan takaa. Jokaisessa kaapissa voi olla lisäjäähdytysvaihtoehtoja; niissä voi olla esimerkiksi suljettu jäähdytysmoduuli tai integroitu kaapin elementteihin (kuten jäähdytysovet iDataPlex -palvelintelineessä).

Toinen tapa sijoittaa suuri määrä järjestelmiä pieneen tilaan on käyttää terän runkoa , joka on suunnattu pystysuoraan eikä vaakasuoraan konvektion helpottamiseksi . Kuumien komponenttien lämmittämä ilma pyrkii nousemaan ja muodostaa luonnollisen ilmavirran levyjä pitkin ( pinoefekti ), jäähdyttäen niitä. Jotkut valmistajat hyödyntävät tätä vaikutusta.

Tietokeskuksen jäähdytys

Koska palvelinkeskukset sisältävät tyypillisesti suuria määriä tietokoneita ja muita virrankulutuslaitteita, ne vaarantavat laitteiden ylikuumenemisen; Laajoja LVI -järjestelmiä käytetään estämään tämä. Usein käytetään korotettua lattiaa, joten lattian alla olevaa aluetta voidaan käyttää suurena liitäntälaatikkona jäähdytetyn ilman ja sähkökaapeloinnin kannalta.

Suorakosketusnestejäähdytys on tullut ilmajäähdytysvaihtoehtoja tehokkaammaksi, mikä on pienempi jalanjälki, pienemmät pääomavaatimukset ja alhaisemmat käyttökustannukset kuin ilmajäähdytys. Se käyttää lämmintä nestettä ilman sijasta siirtääkseen lämmön pois kuumimmista komponenteista. Nestejäähdytyksen energiatehokkuus parantaa myös sen käyttöönottoa.

Kannettavat

Kannettavan tietokoneen suorittimen ja grafiikkasuorittimen jäähdytyselementit sekä kupariset lämpöputket, jotka siirtävät lämpöä poistoilmapuhaltimeen, joka poistaa kuumaa ilmaa

Lämpö poistetaan kannettavasta tietokoneesta pakoputkella.

Kannettavat tietokoneet esittävät vaikean mekaanisen ilmavirran suunnittelun, virran katoamisen ja jäähdytyksen. Kannettavia tietokoneita koskevat erityisrajoitukset ovat: koko laitteen on oltava mahdollisimman kevyt; muotokerroin on rakennettava tavanomaisen näppäimistöasettelun ympärille; käyttäjät ovat hyvin lähellä, joten melu on pidettävä mahdollisimman pienenä ja kotelon ulkolämpötila on pidettävä riittävän alhaisena, jotta sitä voidaan käyttää sylissä. Jäähdytyksessä käytetään yleensä ilmajäähdytystä, mutta lämpöputket ja metallirungon tai kotelon käyttö passiivisena jäähdytyselementtinä ovat myös yleisiä. Ratkaisuja lämmön vähentämiseksi ovat pienemmän virrankulutuksen ARM- tai Intel Atom -prosessorit.

Mobiililaitteet

Mobiililaitteissa ei yleensä ole erillisiä jäähdytysjärjestelmiä, koska liikkuvat CPU- ja GPU -sirut on suunniteltu maksimoimaan virrankulutus laitteen akun rajoitusten vuoksi. Jotkut tehokkaammat laitteet voivat sisältää lämmönlevittimen, joka auttaa lämmön siirtämisessä puhelimen tai tabletin ulkoiseen koteloon.

Katso myös

• Suorittimen virran katoaminen
• Lämpösuunnitteluteho
• Elektronisten laitteiden ja järjestelmien lämmönhallinta

Viitteet

Ulkoiset linkit

• CPU -jäähdyttimen peukalosäännöt
• Upotusjäähdytyspatenttihakemus
• DIY Submersion Cooling (Fish Tank + Mineral Oil) Gametrailers.com -foorumi - Videot [1] . [2] , [3] .
• "Microsoftin uusi tapa jäähdyttää tietokeskuksia: heittää ne mereen" .