Chłodzenie
Artykuł
Andrzej Urbankowski, Poniedziałek, 30 lipca 2007, 10:20
Artykuł omawia teoretyczne aspekty różnych sposobów chłodzenia wybranych elementów komputera. Aby nie zanudzać Czytelników wyłącznie suchą teorią, został wzbogacony o schematy i grafiki ułatwiające zrozumienie podstaw zasad działania poszczególnych, używanych w praktyce, metod na obniżenie temperatury wydzielających ciepło elementów. Wprawdzie artykuł systematyzuje zagadnienia związane z chłodzeniem, ale nie jest poradnikiem praktycznym jak wykonać i wdrożyć takie lub inne rozwiązanie techniczne. Chociaż, aby lepiej zobrazować zagadnienie, omówię z grubsza niektóre detale. Mam nadzieję, że ułatwi to podjęcie zainteresowanym właściwej decyzji w kwestii co i jak chłodzić w ich maszynie. Jednocześnie rozwieję kilka obiegowych mitów, które funkcjonują na zasadzie plotek i prawa powielaczowego – ktoś coś powiedział i wydaje się to rozsądne, więc powtarzają to inni. Dzięki temu mit krąży, urastając do pewnika.

Co w treści artykułu? Kolejno scharakteryzuję:

  1. chłodzenie powietrzem
  2. chłodzenie wodą
  3. chłodzenie suchym lodem i ciekłym azotem
  4. chłodzenie z wykorzystaniem przemiany fazowej
  5. inne sposoby chłodzenia

Mam świadomość, że dla sporej części z Was artykuł może wydać się banalny i powtarzający znane prawdy. Tak dzieje się zawsze przy pisaniu artykułu na pewnym poziomie ogólności, bez szczegółów i detali konstrukcyjnych. Znalezienie złotego środka nie jest łatwe, ale artykuł będą czytać nie tylko znawcy przedmiotu i doświadczeni użytkownicy, ale mniej wprowadzeni w tematykę, a zainteresowani informacjami jej dotyczącymi. I właśnie głównie do nich jest on adresowany. Zanim przejdę do szczegółów, trzeba omówić elementarne zasady i prawdy wynikające z podstaw fizyki.

Trochę fizyki

Proszę się nie denerwować – nie mam zamiaru stresować Czytelników wzorami i ich przekształceniami oraz zawiłymi wywodami termodynamicznymi. W zupełności wystarczy kilka prostych przykładów do wprowadzenia w zagadnienia ciepła i jego zachowania w otoczeniu. Zacznijmy od równoważności pracy i energii. Wystarczy zapamiętać, że zgromadzona energia (w jakiejkolwiek postaci) jest stanem materii, charakteryzującym się gotowością do wykonania pracy. Dlatego też jednostki, w których mierzymy pracę i energię są identyczne. Ponieważ otaczająca nas rzeczywistość nie jest idealna (nie pytajcie mnie dlaczego), to i przemiana energii w pracę obarczona jest pewną niedoskonałością. Niedoskonałość ta zwie się sprawnością i dotyczy każdej takiej przemiany. Polega to na tym, że jeżeli wprowadzimy do jakiejkolwiek maszyny 100 jednostek energii, to na jej wyjściu zawsze uzyskamy mniej. Im więcej, tym maszyna ma większą sprawność. Chyba jasne? Prościej się nie da!

A co z tą „znikającą” częścią energii? Bardzo dobre pytanie! W znakomitej większości przypadków (komputery, niestety, mają ogólną sprawność fatalnie małą) zamienia się ona w ciepło i jest bezpowrotnie tracona, przy okazji stanowiąc spory problem dla użytkownika maszyny. Dlaczego? Powoduje ona bezproduktywne, a często i niszczące, nagrzewanie jej elementów. Dodam jeszcze, że wykonana praca też zazwyczaj zamienia się w ciepło, co powoduje dalszy wzrost temperatury. Tu powoli zaczynamy wkraczać na znajomy grunt, ale jeszcze chwilę pomęczę Was teorią. Ułatwi to zrozumienie całości zagadnień związanych z chłodzeniem. Kilku mądrych uczonych ustaliło i doświadczalnie potwierdziło, że:

  • ciepło przepływa od ciała gorącego do ciała chłodniejszego
  • zamknięty układ cieplny dąży do wyrównania temperatur jego elementów składowych
  • przepływające ciepło natrafia na swej drodze na opór, tzw. rezystancję cieplną

Fakty te wymagają omówienia. Przepływ ciepła pomiędzy ciałami może odbywać się trzema sposobami: poprzez promieniowanie, przewodzenie lub konwekcję. Kto kiedykolwiek siedział przy ognisku lub stał w pobliżu nagrzanego pieca, dobrze rozumie czym jest promieniowanie. Energia cieplna wypromieniowywana jest do otoczenia w postaci elektromagnetycznych fal podczerwonych. A próbował ktoś wziąć do ręki garnek, w którym zagotowała się woda? Trochę kłopotliwe, prawda? Dzieje się tak na skutek przewodnictwa cieplnego metalu, który przejął od wody część ciepła. Konwekcję (czyli unoszenie) najłatwiej zrozumieć na przykładzie termowentylatora, którym dogrzewa się mieszkanie późną jesienią, zanim uruchomione zostanie ogrzewanie docelowe. Ogrzewane prądem elektrycznym spirale owiewane są strumieniem powietrza, który odbiera od nich ciepło, rozprowadzając je po pomieszczeniu.

Na wyrównywanie się temperatur ciężko jest znaleźć dobry przykład, ponieważ dotyczy to układu idealnego, a takie nie istnieją. Ale... zimą otwierasz okno w jednym pokoju, a w drugim nie. Po kilku minutach różnice temperatury w obu pokojach będą łatwo odczuwalne. Jeżeli teraz zamkniesz okno i otworzysz drzwi pomiędzy pokojami, to po kilkunastu minutach temperatury w obu pokojach będą identyczne. Trochę to naciągane, ale nie wymyśliłem lepszego przykładu. A co z tą rezystancją cieplną? Weź do ręki zwykłą szmatkę i podnieś wspomniany wyżej garnek. Udało się? Tak, ponieważ umożliwiła to jej duża rezystancja cieplna.

Te fundamentalne prawdy dotyczące każdego układu cieplnego są podstawą do wytłumaczenia i zrozumienia najważniejszego parametru charakteryzującego element (cooler) używany do chłodzenia różnych części naszej maszyny (komputera). Parametrem tym jest współczynnik C/W, określający wydajność elementu chłodzącego, którego jednostka wyrażana jest w °C/Wat. Określa on stosunek różnicy temperatury (ΔT) pomiędzy powierzchnią coolera a temperaturą otoczenia, do rozpraszanej przez cooler mocy (W). Im współczynnik ten jest mniejszy, tym cooler ma większą zdolność do odbierania ciepła z układu (CPU, GPU itp.). Można też powiedzieć, że ma mniejszą rezystancję cieplną, czyli ciepło płynące z np. CPU do coolera napotyka na mniejszy opór.

Innymi słowy: C/W określa, o ile będzie wyższa temperatura radiatora od temperatury otoczenia przy wzroście mocy wydzielanej przez CPU o 1 Wat. Jeżeli CPU wydziela 100 W, a współczynnik C/W coolera wynosi 0,2, to temperatura radiatora będzie o 20°C wyższa od temperatury otoczenia.

Aby była pełna jasność, popatrzmy na wzór: C/W = ΔT/W, wyrażany w °C/Wat. Teraz dochodzimy do najczęściej powtarzanego błędu w sposobie myślenia użytkownika: co mnie obchodzi jakieś C/W, mnie interesuje o ile stopni spadnie temperatura CPU w mojej obudowie i o ile chłodniejszy będzie CPU.

Każda obudowa jest inna, inne też są elementy składowe (karta graficzna, chipset, elementy zasilające, wentylatory, pamięć) komputera i inne ich usytuowanie. Aby znaleźć odpowiedź na tak postawione pytanie, pozostaje jedynie metoda doświadczalna. Tak zwany „zdrowy rozsądek” podpowiada, że coś tu jest nie w porządku. Ale tylko pozornie. Otóż współczynnik C/W umożliwia porównanie zdolności do odprowadzania ciepła przez różne coolery. Im mniejszy jest współczynnik C/W danego coolera, tym niższą uzyskamy temperaturę coolera (a więc i w obudowie). W przybliżeniu można też określić jaka ona będzie, ale to zależy od zastosowanej konkretnej konfiguracji sprzętu.

Można przekształcić omawiany wzór, aby otrzymać wartość ΔT. Moc (z grubsza) znamy, więc wystarczy kilka elementarnych działań matematycznych. Natomiast jeżeli do tej samej obudowy włożymy cooler o współczynniku np. C/W=0,2 °C/Wat, a poprzednio mieliśmy 0,35 °C/Wat i temperaturę wewnątrz obudowy np. 45 °C, to możemy się spodziewać jej spadku do około 30-35°C. Dlaczego nie do T=0,2/0,35*45=26°C? Niestety, ale na temperaturę wnętrza obudowy wpływają jeszcze inne grzejące się elementy.

Uwaga: należy pamiętać, że osiągnięcie temperatury coolera niższej niż temperatura otoczenia jest niemożliwe. Przynajmniej w zazwyczaj stosowanym układzie, w którym powietrze lub woda do chłodzenia pobierane są z tego samego pomieszczenia, w którym umieszczony jest komputer. Wynika to z zasady wyrównywania się temperatur elementów układu cieplnego.

Ocena artykułu:
Ocen: 8
Zaloguj się, by móc oceniać
aiding (2007.07.30, 10:32)
Ocena: 0

0%
Fajne, dla początkujących w sam raz smilies/smile.gif
*Konto usunięte* (2007.07.30, 10:35)
Ocena: 0
Ha Uran ! smilies/thumbup.gif
Czytało mi się art bardzo dobrze.
wikktor (2007.07.30, 10:36)
Ocena: 0

0%
CYTAT
to cena ciekłego azotu, razem z kaucją za termos, stanowi już spory wydatek.

Litr ciekłego azotu w kosztuje w odolanowie poniżej złotówki smilies/tongue.gif
Tylko, chyba nie da sie od nich wziąść od tak sobie 50 litrów smilies/wink.gif I trzeba mieć termosik...






CYTAT
I jeszcze jedno – cokolwiek robisz – rób w okularach ochronnych! Rękawice ochronne obowiązkowe!

Oj, no nie przesadzajmy smilies/tongue.gif Jak przez tydzień bawiłem się z ciekłym azotem to nikt mi o tym nie powiedział... oni też jakoś sie tym nie przejmowali i wszyscy żyją smilies/tongue.gif

OO, raz sie lekko oparzyłem, kiedy przelewałem azot z 500l zbiornika do 20l termosu. smilies/wink.gif
M1siek (2007.07.30, 10:43)
Ocena: 0

0%
Co do czujnika przepływu uważam że jest rzeczą zbędną bo i tak zabezpieczanie w BIOSie wyłączy komputer kiedy temp. procesora przekroczy ustawiony próg.
C64 (2007.07.30, 10:45)
Ocena: 0

0%
CYTAT(Misiek.175 @ 30 lipca 2007, 10:43) <{POST_SNAPBACK}>
Co do czujnika przepływu uważam że jest rzeczą zbędną bo i tak zabezpieczanie w BIOSie wyłączy komputer kiedy temp. procesora przekroczy ustawiony próg.


Nie każda płyta to ma...
JMKS (2007.07.30, 10:48)
Ocena: 0

0%
Ja, jak to ja, zacząłem od strony 4. smilies/smile.gif.
Po pierwsze powiem, że nic trudnego w tym {DI/LN2} nie ma tak naprawdę - mój debiut z DI był jednocześnie debiutem w redakcji smilies/wink.gif i {oprócz zepsutej Delty smilies/szczerbaty.gif smilies/krzywy.gif} problemów nie było; szerzej tutaj - edit: zwracam honor smilies/wink.gif, link się jednak pojawił na końcu artykułu smilies/smile.gif http://pclab.pl/art27275.html - swoją drogą się dziwię że link do tego artykułu się tutaj nie znalazł, skoro parę zdjęć wziętych stamtąd jest smilies/wink.gif.

A po drugie powiem, korzystając z okazji smilies/wink.gif, że gdyby ktoś z Warszawy i okolic chciał się pobawić z DI/LN2, to ja sprzęt i chęci mam, brakuje tylko jakiegoś CPU fajnego - jak ktoś ma coś ciekawego (CPU) i jest zainteresowany to niech da znać smilies/smile.gif.
Koszty wcale kosmiczne nie są, zwłaszcza w przypadku DI (z LN2 to jeszcze na 100% przygotowany nie jestem w sumie {chyba że proc bez coldbuga, bo wtedy zasadniczo jest sporo mniej problemów}, ale wkrótce się powinno udać). I jeszcze warto dodać, że procek w takiej zabawie w zasadzie nigdy nie ginie, więc nie macie się czego obawiać smilies/wink.gif.

edit: Aha, jeszcze jedno: kaskada - patrz tutaj, bo to też już "u nas" (chociaż nieoficjalnie można rzec smilies/wink.gif) było: http://forum.pclab.pl/index.php?showtopic=246833

edit2: Jeszcze jedno przemyślenie mnie naszło - jak dla mnie to WC mnie przerasta, toż to z 3x bardziej skomplikowane od DI/LN2 jak dla mnie smilies/shocked.gif - i nic nie daje na dodatek smilies/szczerbaty.gif.

Jeszcze dodam że artykuł oczywiście całkiem przyjemny, może się ktoś zainteresuje czymś konkretnym - bo to nie tylko w Japonii i w Stanach robią, u nas się też zdarza smilies/bigsmile.gif {znowu o najważniejszym zapomniałem: i nie tylko u konkurencji!}.
junior (2007.07.30, 11:16)
Ocena: 0

0%
No bardzo fajne smilies/thumbup.gif Aha URAN - witamy na pokładzie smilies/bigsmile.gif
pablopawel (2007.07.30, 11:21)
Ocena: 0

0%
A ja wypatrzyłem jeden błąd: zapomnieliście omawiając chłodzenie z wykorzystaniem przemiany fazowej w schemacie dodać desuperheater'a. Rozumiem, że mając normalnych rozmiarów skraplacz nie trzeba dawać desupa, ale w układach jednostopniowych{tzw. singlach} najczęśćiej daje się bardzo małe spkraplacze i co za tym idzie trzeba dużego desuperheater'a.

Desuperheater- ma za zadanie oddać otoczeniu część ciepła, jakie posiada tłoczony gaz.

Może warto jeszcze dodać schematy budowy autokaskady i kaskady?
*Konto usunięte* (2007.07.30, 11:25)
Ocena: 0
Nie chcę się za mocno czepiać ale nagminnie popełniany błąd mnie irytuje a widzę go nie po raz pierwszy (chociaż nie pamiętam gdzie to wcześniej widziałem). Ale do rzeczy:
CYTAT
Natomiast ciekły azot, który sublimuje szybko,


Wrrrr smilies/mad2.gif smilies/mad2.gif

To że zestalony dwutlenek (czy też według nowych zaleceń - ditlenek) węgla sublimuje to się zgodzę ale ciekły azot PARUJE a nie SUBLIMUJE - to duża różnica. Zresztą jak ciecz może sublimować, co? smilies/scratchhead.gif
Jeżeli ktoś ma wątpliwości - odsyłam do literatury (dowolna encyklopedia).

Ale artykulik poza tym może być
Ciachoo (2007.07.30, 11:25)
Ocena: 0

0%
W Polsce można kupić "lodówki": www.chillerworks.com <- polski dystrybutor. To kupienia są także przeróbki Prometei, chyba się zastanowię.
Zaloguj się, by móc komentować
Artykuły spokrewnione
Facebook