Sistemi di raffreddamento per computer: passivo, attivo, liquido, freon, raffreddatore ad acqua, evaporazione aperta, cascata, raffreddamento Peltier

Durante il funzionamento del computer, alcuni dei suoi componenti diventano molto caldi e se il calore generato non viene rimosso abbastanza rapidamente, il computer semplicemente non sarà in grado di funzionare a causa della violazione delle normali caratteristiche dei suoi principali componenti a semiconduttore.

Rimuovere il calore dalle parti riscaldanti del computer è il compito più importante che risolve il sistema di raffreddamento del computer, che è un insieme di strumenti specializzati che funzionano in modo continuo, sistematico e armonioso durante tutto il tempo in cui il computer viene utilizzato attivamente.

Durante il funzionamento del sistema di raffreddamento del computer, viene utilizzato il calore generato dal passaggio di correnti operative attraverso gli elementi chiave del computer, in particolare attraverso gli elementi della sua unità di sistema.La quantità di calore generata in questo caso dipende dalle risorse di calcolo del computer e dal suo carico attuale in relazione a tutte le risorse a disposizione della macchina.

In ogni caso il calore viene recuperato in atmosfera. Nel raffreddamento passivo, il calore viene rimosso dalle parti riscaldate attraverso un radiatore direttamente nell'aria circostante mediante convezione convenzionale e radiazione infrarossa. Nel raffrescamento attivo, oltre alla convezione e alla radiazione infrarossa, viene utilizzata la soffiatura con un ventilatore, che aumenta l'intensità della convezione (questa soluzione è chiamata «raffreddatore»).

Esistono anche sistemi di raffreddamento a liquido in cui il calore viene prima trasferito da un vettore di calore e poi riutilizzato nell'atmosfera. Esistono sistemi evaporativi aperti in cui il calore viene rimosso a causa della transizione di fase del refrigerante.

Quindi, secondo il principio della rimozione del calore dalle parti riscaldanti del computer, esistono sistemi di raffreddamento: raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido, freon, evaporazione aperta e combinati (basati su elementi Peltier e refrigeratori d'acqua).

Sistema di raffreddamento ad aria passivo

Le apparecchiature che non sono caricate termicamente non richiedono affatto sistemi di raffreddamento speciali. Le apparecchiature non caricate termicamente sono quelle in cui il flusso di calore per centimetro quadrato della superficie riscaldata (densità del flusso di calore) non supera 0,5 mW. In queste condizioni, il surriscaldamento della superficie riscaldata rispetto all'aria circostante non sarà superiore a 0,5 ° C, il massimo usuale in tal caso è +60 ° C.

Ma se i parametri termici dei componenti nella modalità normale del loro funzionamento superano questi valori (mantenendo la generazione di calore, tuttavia, relativamente bassa), su tali componenti vengono installati solo radiatori, ovvero dispositivi per la rimozione passiva del calore , i cosiddetti sistemi di raffreddamento passivi.

Quando la potenza del chip è bassa, o quando i requisiti di capacità di calcolo del sistema sono costantemente limitati, di norma è sufficiente solo un dissipatore di calore, anche senza ventola. Il radiatore viene selezionato individualmente in ogni caso.

Fondamentalmente, il sistema di raffreddamento passivo funziona nel modo seguente: il calore viene trasferito direttamente dal componente riscaldante (chip) al dissipatore grazie alla conducibilità termica del materiale o con l'ausilio di tubi di calore (il termosifone o la camera di evaporazione sono diversi elementi fondamentali soluzioni con tubi di calore).

La funzione del radiatore è quella di irradiare calore nello spazio circostante attraverso la radiazione infrarossa e trasferire il calore semplicemente attraverso la conducibilità termica dell'aria circostante, che contribuisce al verificarsi di correnti di convezione naturali. Per irradiare il calore il più intensamente possibile su tutta l'area del radiatore, la superficie del radiatore diventa nera.

Soprattutto oggi (in varie apparecchiature, compresi i computer), il sistema di raffreddamento passivo è molto diffuso. Tale sistema è molto flessibile, poiché i radiatori possono essere facilmente montati sulla maggior parte dei componenti ad alta intensità di calore. Maggiore è l'area effettiva di dissipazione del calore dal radiatore, più efficiente è il raffreddamento.

Fattori importanti che influenzano l'efficienza di raffreddamento sono la velocità del flusso d'aria che passa attraverso il dissipatore di calore e la temperatura (in particolare la differenza di temperatura rispetto all'ambiente).

Molte persone sanno che prima di montare un dissipatore su un componente è necessario applicare pasta termica (es. KPT-8) sulle superfici di accoppiamento. Questo viene fatto per aumentare la conducibilità termica nello spazio tra i componenti.

Inizialmente il problema è che le superfici del radiatore e del componente su cui è installato, dopo la produzione in fabbrica e la rettifica, presentano ancora rugosità dell'ordine di 10 micron, e anche dopo la lucidatura rimangono circa 5 micron di rugosità. Queste irregolarità impediscono che le superfici di collegamento vengano premute insieme il più strettamente possibile senza intercapedine, con conseguente intercapedine d'aria con bassa conduttività termica.

I dissipatori di calore con le dimensioni e l'area attiva maggiori sono generalmente montati su CPU e GPU. Se è necessario assemblare un computer silenzioso, allora, data la bassa velocità di passaggio dell'aria, sono necessari radiatori speciali molto grandi, caratterizzati da una maggiore efficienza di dissipazione del calore.

Sistema di raffreddamento ad aria attivo

Per migliorare il raffreddamento, per rendere più intenso il flusso d'aria attraverso il radiatore, vengono utilizzate anche ventole. Un radiatore dotato di ventola è chiamato dispositivo di raffreddamento. I dispositivi di raffreddamento sono installati sulla grafica e sui processori centrali del computer. Se non è possibile installare un dissipatore di calore su alcuni componenti, come un disco rigido, o non è consigliabile, viene utilizzata una semplice ventola senza dissipatore di calore.Questo è abbastanza.

Sistema di raffreddamento a liquido

Il sistema di raffreddamento a liquido funziona secondo il principio del trasferimento di calore dal componente raffreddato al radiatore con l'ausilio di un fluido di lavoro circolante nel sistema. Tale liquido è solitamente acqua distillata con additivi battericidi e antigalvanici o antigelo, olio, altri liquidi speciali e in alcuni casi metallo liquido.

Tale sistema comprende necessariamente: una pompa per la circolazione del fluido e un radiatore (blocco idrico, testa di raffreddamento) per sottrarre il calore all'elemento riscaldante e trasferirlo al fluido di lavoro. Il calore viene poi dissipato da un dissipatore (sistema attivo o passivo).

Inoltre, il sistema di raffreddamento a liquido ha un serbatoio di fluido di lavoro, che compensa la sua espansione termica e aumenta l'inerzia termica del sistema. Il serbatoio è comodo da riempire ed è anche conveniente drenare il fluido di lavoro attraverso di esso. In un tale sistema, sono necessari i tubi e i tubi necessari. Un sensore di flusso del liquido può essere opzionalmente disponibile.

Il fluido di lavoro ha una capacità termica sufficientemente elevata da fornire un'elevata efficienza di raffreddamento a bassa velocità di circolazione e un'elevata conducibilità termica, che riduce al minimo la differenza di temperatura tra la superficie di evaporazione e la parete del tubo.

Sistema di raffreddamento a freon

L'overclock estremo del processore richiede una temperatura negativa dell'elemento raffreddato durante il suo funzionamento continuo. Per questo sono necessarie installazioni di freon. Questi sistemi sono unità di refrigerazione in cui l'evaporatore è montato direttamente sul componente da cui il calore deve essere sottratto ad una velocità molto elevata.

Gli svantaggi del sistema freon, oltre alla sua complessità, sono: la necessità di isolamento termico, la lotta obbligatoria con la condensa, la difficoltà di raffreddare più componenti contemporaneamente, l'elevato consumo energetico e il prezzo elevato.

Refrigeratore d'acqua

Waterchiller è un sistema di raffreddamento che combina un'unità Freon e un raffreddamento a liquido. Qui l'antigelo circolante nel sistema viene ulteriormente raffreddato in uno scambiatore di calore mediante un blocco Freon.

In un tale sistema, si ottiene una temperatura negativa con l'aiuto di un'unità freon e il liquido può raffreddare contemporaneamente diversi componenti. Un sistema di raffreddamento Freon convenzionale non lo consente. Gli svantaggi di un refrigeratore d'acqua sono la necessità di isolamento termico dell'intero sistema, nonché la complessità e l'alto costo.

Sistema di raffreddamento evaporativo aperto

I sistemi di raffreddamento a vapore aperti utilizzano un fluido di lavoro, un refrigerante come elio, azoto liquido o ghiaccio secco. Il fluido di lavoro viene evaporato in un bicchiere aperto, montato direttamente sull'elemento riscaldante, che deve essere raffreddato molto rapidamente.

Questo metodo appartiene ai dilettanti ed è utilizzato principalmente dagli hobbisti che necessitano di un overclocking estremo ("overclocking") dell'attrezzatura disponibile. Utilizzando questo metodo, è possibile ottenere la temperatura più bassa, ma il vetro con il refrigerante dovrà essere rifornito regolarmente, ovvero il sistema ha un limite di tempo e richiede un'attenzione costante.

Sistema di raffreddamento in cascata

Un sistema di raffreddamento a cascata significa l'inclusione sequenziale simultanea di due o più freon. Per ottenere temperature più basse, viene utilizzato il freon con un punto di ebollizione ridotto.Se la macchina freon è monostadio, è necessario aumentare la pressione di lavoro con potenti compressori.

Ma c'è un'alternativa: raffreddare il radiatore di un blocco di freon con un altro blocco simile. Pertanto, la pressione di esercizio nel sistema può essere ridotta e non è più richiesta una potenza elevata dai compressori, è possibile utilizzare compressori convenzionali. Il sistema a cascata, nonostante la sua complessità, consente di ottenere una temperatura inferiore rispetto a un'installazione freon convenzionale e, rispetto a un sistema di evaporazione aperto, tale installazione può funzionare in modo continuo.

Sistema di raffreddamento Peltier

Nel sistema di raffreddamento con un elemento di Peltier è montato con il suo lato freddo sulla superficie da raffreddare, mentre il lato caldo dell'elemento richiede un raffreddamento intensivo da un altro sistema durante il suo funzionamento. Il sistema è relativamente compatto.