Computerkühlsysteme: Passiv, aktiv, Flüssigkeit, Freon, Wasserkühler, offene Verdampfung, Kaskade, Peltier-Kühlung

Während des Betriebs des Computers werden einige seiner Komponenten sehr heiß, und wenn die erzeugte Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, kann der Computer aufgrund der Verletzung der normalen Eigenschaften seiner wichtigsten Halbleiterkomponenten einfach nicht arbeiten.

Die Wärmeableitung von den Heizteilen des Computers ist die wichtigste Aufgabe, die das Computerkühlsystem löst. Hierbei handelt es sich um eine Reihe spezialisierter Werkzeuge, die während der gesamten aktiven Nutzung des Computers kontinuierlich, systematisch und harmonisch funktionieren.

Während des Betriebs des Computerkühlsystems wird die Wärme genutzt, die durch den Durchgang von Betriebsströmen durch die Schlüsselelemente des Computers, insbesondere durch die Elemente seiner Systemeinheit, entsteht.Die dabei entstehende Wärmemenge hängt von den Rechenressourcen des Computers und seiner aktuellen Auslastung im Verhältnis zu allen der Maschine zur Verfügung stehenden Ressourcen ab.

In jedem Fall wird die Wärme in der Atmosphäre zurückgewonnen. Bei der passiven Kühlung wird die Wärme durch konventionelle Konvektion und Infrarotstrahlung von den erhitzten Teilen über einen Strahler direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Bei der aktiven Kühlung wird neben Konvektion und Infrarotstrahlung auch das Anblasen mit einem Ventilator eingesetzt, was die Intensität der Konvektion erhöht (diese Lösung wird als „Kühler“ bezeichnet).

Es gibt auch Flüssigkeitskühlsysteme, bei denen die Wärme zunächst durch einen Wärmeträger übertragen und dann in der Atmosphäre wieder genutzt wird. Es gibt offene Verdunstungssysteme, bei denen durch den Phasenübergang des Kühlmittels Wärme abgeführt wird.

Nach dem Prinzip der Wärmeabfuhr von den Heizteilen des Computers gibt es also Kühlsysteme: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Freon, offene Verdampfung und kombiniert (basierend auf Peltier-Elementen und Wasserkühlern).

Passives Luftkühlsystem

Geräte, die keiner Wärmebelastung ausgesetzt sind, erfordern überhaupt keine speziellen Kühlsysteme. Nicht wärmebelastete Geräte sind Geräte, bei denen der Wärmefluss pro Quadratzentimeter der beheizten Oberfläche (Wärmeflussdichte) 0,5 mW nicht überschreitet. Unter diesen Bedingungen wird die Überhitzung der beheizten Oberfläche gegenüber der Umgebungsluft nicht höher als 0,5 °C sein, das übliche Maximum für einen solchen Fall liegt bei +60 °C.

Wenn jedoch die thermischen Parameter der Komponenten im normalen Betriebsmodus diese Werte überschreiten (wobei die Wärmeentwicklung jedoch relativ gering bleibt), werden an solchen Komponenten nur Strahler, also Geräte zur passiven Wärmeabfuhr, installiert , die sogenannten passiven Kühlsysteme.

Wenn die Leistung des Chips niedrig ist oder der Rechenkapazitätsbedarf des Systems ständig begrenzt ist, reicht in der Regel auch ohne Lüfter nur ein Kühlkörper aus. Der Heizkörper wird jeweils individuell ausgewählt.

Grundsätzlich funktioniert das passive Kühlsystem folgendermaßen: Die Wärme wird aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Materials direkt von der Heizkomponente (Chip) an den Kühlkörper übertragen oder mit Hilfe von Wärmerohren (Thermosyphon oder Verdampfungskammer sind grundsätzlich unterschiedlich). Lösungen mit Heatpipes).

Die Funktion des Heizkörpers besteht darin, durch Infrarotstrahlung Wärme in den umgebenden Raum abzustrahlen und Wärme allein durch die Wärmeleitfähigkeit der umgebenden Luft zu übertragen, was zur Entstehung natürlicher Konvektionsströme beiträgt. Um die Wärme möglichst intensiv über die gesamte Fläche des Heizkörpers abzustrahlen, wird die Oberfläche des Heizkörpers schwarz.

Besonders heutzutage (in verschiedenen Geräten, einschließlich Computern) ist das passive Kühlsystem weit verbreitet. Ein solches System ist sehr flexibel, da Heizkörper problemlos an den meisten wärmeintensiven Bauteilen montiert werden können. Je größer die effektive Wärmeableitungsfläche des Kühlers ist, desto effizienter ist die Kühlung.

Wichtige Einflussfaktoren auf die Kühleffizienz sind die Geschwindigkeit des Luftstroms durch den Kühlkörper und die Temperatur (insbesondere der Temperaturunterschied zur Umgebung).

Viele Menschen wissen, dass vor der Montage eines Kühlkörpers an einer Komponente Wärmeleitpaste (z. B. KPT-8) auf die Kontaktflächen aufgetragen werden muss. Dies geschieht, um die Wärmeleitfähigkeit im Raum zwischen den Bauteilen zu erhöhen.

Das Problem besteht zunächst darin, dass die Oberflächen des Kühlers und der Komponente, auf der er montiert ist, nach der Fertigung und dem Schleifen im Werk immer noch eine Rauheit in der Größenordnung von 10 Mikrometern aufweisen und selbst nach dem Polieren noch etwa 5 Mikrometer Rauheit verbleiben. Diese Unregelmäßigkeiten verhindern, dass die Verbindungsflächen möglichst dicht und spaltfrei zusammengepresst werden, wodurch ein Luftspalt mit geringer Wärmeleitfähigkeit entsteht.

Kühlkörper mit der größten Größe und aktiven Fläche werden normalerweise auf CPUs und GPUs montiert. Wenn es notwendig ist, einen leisen Computer zusammenzubauen, sind aufgrund der geringen Luftdurchgangsgeschwindigkeit spezielle, sehr große Heizkörper erforderlich, die sich durch eine erhöhte Effizienz der Wärmeableitung auszeichnen.

Aktives Luftkühlsystem

Um die Kühlung zu verbessern und die Luftströmung durch den Kühler intensiver zu gestalten, werden zusätzlich Lüfter eingesetzt. Ein mit einem Lüfter ausgestatteter Kühler wird als Kühler bezeichnet. Kühler werden auf den Grafik- und Zentralprozessoren des Computers installiert. Wenn die Installation eines Kühlkörpers bei einigen Komponenten, z. B. einer Festplatte, nicht möglich ist oder nicht empfohlen wird, kommt ein einfaches Lüfterausblasen ohne Kühlkörper zum Einsatz.Das ist völlig ausreichend.

Flüssigkeitskühlsystem

Das Flüssigkeitskühlsystem basiert auf dem Prinzip der Wärmeübertragung von der gekühlten Komponente zum Kühler mithilfe einer im System zirkulierenden Arbeitsflüssigkeit. Eine solche Flüssigkeit ist normalerweise destilliertes Wasser mit bakteriziden und antigalvanischen Zusätzen oder Frostschutzmittel, Öl, andere spezielle Flüssigkeiten und in einigen Fällen flüssiges Metall.

Ein solches System umfasst notwendigerweise: eine Pumpe zum Umwälzen der Flüssigkeit und einen Kühler (Wasserblock, Kühlkopf), um die Wärme vom Heizelement abzuführen und an die Arbeitsflüssigkeit zu übertragen. Die Wärme wird dann über einen Kühlkörper abgeführt (aktives oder passives System).

Darüber hinaus verfügt das Flüssigkeitskühlsystem über ein Arbeitsflüssigkeitsreservoir, das dessen Wärmeausdehnung ausgleicht und die thermische Trägheit des Systems erhöht. Der Tank lässt sich bequem befüllen und die Arbeitsflüssigkeit lässt sich bequem ablassen. In einem solchen System sind die notwendigen Schläuche und Rohre erforderlich. Ein Flüssigkeitsdurchflusssensor ist optional erhältlich.

Das Arbeitsmedium verfügt über eine ausreichend hohe Wärmekapazität, um eine hohe Kühleffizienz bei niedriger Umlaufgeschwindigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten, wodurch der Temperaturunterschied zwischen der Verdampfungsoberfläche und der Rohrwand minimiert wird.

Freon-Kühlsystem

Eine extreme Übertaktung des Prozessors erfordert eine negative Temperatur des Kühlelements im Dauerbetrieb. Hierzu sind Freon-Installationen erforderlich. Bei diesen Systemen handelt es sich um Kühlaggregate, bei denen der Verdampfer direkt an dem Bauteil montiert ist, von dem die Wärme mit sehr hoher Geschwindigkeit abgeführt werden muss.

Die Nachteile des Freon-Systems sind neben seiner Komplexität: die Notwendigkeit einer Wärmedämmung, der zwingende Kampf mit Kondensat, die Schwierigkeit, mehrere Komponenten gleichzeitig zu kühlen, der hohe Energieverbrauch und der hohe Preis.

Wasserkühler

Waterchiller ist ein Kühlsystem, das eine Freon-Einheit und Flüssigkeitskühlung kombiniert. Dabei wird das im System zirkulierende Frostschutzmittel in einem Wärmetauscher mithilfe eines Freon-Blocks weiter gekühlt.

In einem solchen System wird mit Hilfe einer Freon-Einheit eine negative Temperatur erreicht und die Flüssigkeit kann mehrere Komponenten gleichzeitig kühlen. Ein herkömmliches Freon-Kühlsystem ermöglicht dies nicht. Die Nachteile eines Wasserkühlers sind die Notwendigkeit einer Wärmedämmung des gesamten Systems sowie die Komplexität und die hohen Kosten.

Offenes Verdunstungskühlsystem

Offene Dampfkühlsysteme verwenden ein Arbeitsmedium – ein Kältemittel wie Helium, flüssigen Stickstoff oder Trockeneis. Die Verdampfung des Arbeitsmediums erfolgt in einem offenen Glas, das direkt auf dem Heizelement montiert ist, das sehr schnell abgekühlt werden muss.

Diese Methode gehört Amateuren und wird hauptsächlich von Hobbyisten verwendet, die eine extreme Übertaktung („Overclocking“) der verfügbaren Geräte benötigen. Mit dieser Methode können Sie die niedrigste Temperatur erreichen, aber das Glas mit dem Kältemittel muss regelmäßig nachgefüllt werden, d. h. das System ist zeitlich begrenzt und erfordert ständige Aufmerksamkeit.

Kaskadenkühlsystem

Ein Kaskadenkühlsystem bedeutet die gleichzeitige sequentielle Einbeziehung von zwei oder mehr Freonen. Um niedrigere Temperaturen zu erreichen, wird Freon mit reduziertem Siedepunkt verwendet.Wenn die Freon-Maschine einstufig ist, muss der Arbeitsdruck mit leistungsstarken Kompressoren erhöht werden.

Aber es gibt eine Alternative – die Kühlung des Kühlers eines Freon-Blocks mit einem anderen ähnlichen Block. Dadurch kann der Betriebsdruck im System gesenkt werden und es wird keine hohe Leistung der Kompressoren mehr benötigt, es können herkömmliche Kompressoren eingesetzt werden. Das Kaskadensystem ermöglicht trotz seiner Komplexität das Erreichen einer niedrigeren Temperatur als mit einer herkömmlichen Freon-Anlage, und im Vergleich zu einem offenen Verdampfungssystem kann eine solche Anlage kontinuierlich arbeiten.

Peltier-Kühlsystem

Im Kühlsystem mit einem Peltier-Element Es wird mit seiner kalten Seite auf der zu kühlenden Oberfläche montiert, während die heiße Seite des Elements im Betrieb eine intensive Kühlung durch ein anderes System benötigt. Das System ist relativ kompakt.