Chłodzenie - krótki przewodnik

Chłodzenie z wykorzystaniem przemiany fazowej

Chłodzenie, które zapewnia stałą ujemną temperaturę CPU na poziomie kilkudziesięciu stopni, nie jest niczym innym jak specyficznie zbudowaną, doskonale wszystkim znaną, najzwyklejszą lodówką! Zazwyczaj ta metoda chłodzenia określana jest jako FC (Freon Cooling).

Zasada działania jest banalnie prosta: sprężony i następnie rozprężający się gaz obniża swoją temperaturę (darujemy sobie termodynamiczne wywody, dlaczego tak się dzieje). Proces ten odbywa się w tzw. parowniku, którego konstrukcja umożliwia przymocowanie go do CPU i trwałe jego chłodzenie. Jest to możliwe, ponieważ gaz w układzie jest na przemian sprężany i rozprężany, przechodząc nieustannie przez przemiany fazowe powodujące zmiany jego stanu skupienia.

W teorii brzmi to bardzo prosto, w praktyce układ jest dość skomplikowany i musi spełniać dość ostre kryteria techniczne, ale przecież lodówki są produkowane masowo na całym świecie! Z jedną różnicą – lodówka, która nas interesuje, umożliwia osiąganie znacznie niższych temperatur niż domowa. Lecz to jest jedynie kwestia odpowiedniego projektu, obliczeń i elementów.

Do napełnienia układu najczęściej stosuje się propan, zapewniający uzyskanie temperatury około -42°C, ale stosowane są i inne gazy, umożliwiające osiąganie niższych temperatur. Już słyszę pytanie: dlaczego więc nie stosuje się gazów dających najniższą temperaturę? Odpowiedź jest prosta: im niższa temperatura wrzenia gazu, tym niższej potrzebujemy temperatury aby go skroplić, co jest niezbędnym wymogiem trwania ciągłego procesu chłodzenia. Chęć osiągnięcia za wiele i zbyt szybko, zazwyczaj nie prowadzi do sukcesu. Jak sobie z tym problemem poradzić, omówię nieco dalej. Wymagane parametry temperaturowe zależą od rodzaju gazu oraz ciśnienia, pod jakim będzie pracował.

Rysunek poniżej przedstawia schemat i elementy prostego, jednostopniowego (czyli z jednym kompresorem) układu FC.

Chłodzenie z wykorzystaniem przemiany fazowej

Jak widać, składa się on z: kompresora, odciążnika cieplnego, skraplacza, filtra, kapilary, parownika i odsysacza. Jaką rolę one pełnią? Wyjaśnijmy po kolei:

1. Kompresor – zapewnia sprężenie gazu do takiego ciśnienia, aby uległ on skropleniu w skraplaczu. Poza mocą charakteryzuje go ciśnienie ssania – im mniejsze, tym lepiej, gdyż wtedy temperatura w parowniku będzie najniższa
2. Odciążnik cieplny – niezbędny element układu, ułatwiający pracę skraplacza – oddaje tzw. „pierwsze ciepło” oraz redukuje drgania układu wywołane pracą kompresora. Zazwyczaj jest to kilka zwojów spiralnie zwiniętej miedzianej rurki o wewnętrznej średnicy 6 mm
3. Skraplacz – intensywnie chłodzony powietrzem element, w którym skrapla się nagrzany na skutek sprężenia gaz. Dobór właściwej mocy skraplacza jest elementem decydującym o poprawnej pracy całego układu
4. Filtr – spełnia w układzie dwojaką rolę: wyłapuje różne „ciała obce”, które mogły się do niego przedostać oraz usuwa wilgoć.
5. Kapilara – jest to rurka miedziana z wewnętrznym otworem o średnicy około 0,8 mm. Pełni rolę zaworu rozprężającego, wywołując różnicę ciśnienia, dzięki czemu skroplony gaz rozpręża się w parowniku. Standardowa długość kapilary to około 3 m.
6. Parownik – zapewnia odbiór ciepła z procesora, zazwyczaj jest wykonany z miedzi, o specyficznej konstrukcji wewnętrznej gwarantującej jak najdłuższe przebywanie rozprężającego się gazu w jego wnętrzu
7. Odsysacz – zazwyczaj wykonana ze stali nierdzewnej elastyczna rurka, z wlutowanymi końcówkami z rurki miedzianej, umożliwiająca swobodną manipulację parownikiem

Mam świadomość, że zaledwie pobieżnie omówiłem temat jednostopniowego układu chłodzącego, wykorzystującego przemianę fazową gazu do chłodzenia CPU. Dla znawców tematu to śmiesznie mało, ale dla początkujących – całkiem sporo informacji. Konsekwentnie niemal zupełnie nie zajmuję się szczegółami konstrukcyjnymi. Napomknę tylko, że dzięki podgrzewaniu pewnych elementów parownika można rozwiązać problem punktu rosy.

Wspominałem o trudnościach związanych z uzyskaniem w opisanym układzie jeszcze niższych temperatur. Rozwiązaniem tego problemu jest tzw. kaskada. Na czym polega jej działanie? Kaskada jest połączeniem dwóch (lub więcej) układów jednostopniowych w taki sposób, że rozprężający się gaz w pierwszym stopniu kaskady nie jest kierowany do parownika, ale do wymiennika ciepła, w którym schładza gaz krążący w drugim stopniu kaskady.

Gazy obu obiegów nie mają ze sobą żadnego kontaktu, wszystko polega jedynie na wymianie ciepła. Oczywiście pozwala to na uzyskanie niższej temperatury gazu w drugim stopniu, niż pozwoliłby na to skraplacz.

Dalej już jest bez zmian: kapilara umożliwia rozprężenie skroplonego gazu w parowniku, a odsysacz drugiego stopnia kaskady przywraca gaz do obiegu. W rezultacie uzyskujemy niższą temperaturę parownika, a więc i CPU. Wygląda to dość prosto, ale w rzeczywistości pojawiają się problemy związane z obiegiem oleju smarującego kompresor – te kłopoty praktycznie nie występują w układzie jednostopniowym. Problemy są do rozwiązania: w układzie pojawia się separator oleju i zawór powrotu oleju. Początkującym nie radzę się tym bawić, a zaawansowani dobrze wiedzą, o co chodzi.

Teoretycznie biorąc możliwa jest konstrukcja nawet pięciokrotnej kaskady i osiągnięcie temperatur rzędu -150°C. Pojawia się jedynie pytanie o celowość wykonania i koszt takiego zestawu. Z całym szacunkiem dla cudzych pasji i ambicji – nie widzę w tym większego sensu.

Kilka lat temu użytkownicy o zasobnych portfelach mogli sobie zafundować gotowy zestaw jednostopniowy firmy Asetek (Vapochill) lub Chip-Con (Prometeia). Za jedyne kilkaset Euro otrzymywali zgrabną podstawę pod komputer, zawierającą wszystkie omówione elementy – łącznie z układami pomiarowymi, umożliwiającą ciągłe schłodzenie CPU od -25°C do - 48°C, zależnie od traconej w nim mocy. Obecnie produkcja tych urządzeń chyba została wstrzymana – nigdzie nie mogłem znaleźć oferty handlowej. Trudno się dziwić – wysoki koszt, produkcja niewielka. Interes przestał się opłacać.

Prometeia Mach II GT. Zdjęcie: Svět hardware

Asetek VapoChill LightSpeed.

Aby nieco ochłodzić zapaleńców, zamieszczam fotografię kaskady w amatorskim wykonaniu, którą znalazłem na serwisie VR-Zone.

Zbudowanie własnej kaskady wcale nie jest takie proste!

Jak widać, zbudowanie układu, który umożliwia schłodzenie CPU do -111°C nie jest bułką z masłem. Do przemyślenia!

Powoli zbliżam się do końca tematów związanych z chłodzeniem. Zostały do omówienia metody inne niż opisane powyżej.