Chłodzenie - krótki przewodnik

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.