Ψύξη: Αρχές και εφαρμογές

19:28 25/8/2013 - Πηγή: Game 2.0

Του Δημήτρη Παπαδόπουλου (aka Μπαστουνόβλαχος)

Ψύξη, ψύξη, ψύξη. Το αιώνιο πρόβλημα που βασανίζει τους ανήσυχους κομπιουτεράδες και εσχάτως και κονσολάδες. Πτερύγια, ανεμιστηράκια μεταβλητών στροφών, υδρόψυξη, αντλίες κτλ. Κακός χαμός στο ίσωμα δηλαδή. Τι είναι όμως αυτό που πραγματικά δημιουργεί την ανάγκη για ψύξη; Ποιοι είναι οι νόμοι που διέπουν την μετάδοση θερμότητας; Ποιες είναι οι πλέον χρησιμοποιούμενες μέθοδοι ψύξης και πώς λειτουργεί η κάθε μια; Το παρόν άρθρο φιλοδοξεί να δώσει απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα με απλό και κατανοητό σε όλους

τρόπους. Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή.

Άτιμη θερμότητα

Κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα, προκειμένου να δουλέψει, απορροφά από το δίκτυο συγκεκριμένη ισχύ. Η ισχύς αυτή ισούται με το γινόμενο της τάσης λειτουργίας επί την ένταση η οποία το διαρρέει. Σε ένα ιδανικό σύμπαν η απορροφόμενη αυτή ισχύς θα ήταν ίση με αναγκαία, με αποτέλεσμα να μην παράγεται καθόλου θερμότητα. Δυστυχώς όμως στο δικό μας σύμπαν η φύση αποφάσισε πως ένα ποσό αυτής της ισχύος αναγκαστικά πρέπει να μετατραπεί σε θερμότητα, η οποία στη συνέχεια πρέπει με κάποιον τρόπο να απομακρυνθεί. Εδώ λοιπόν έρχεται η μετάδοση θερμότητας και συγκεκριμένα οι δύο τρόποι που θα μας απασχολήσουν: η αγωγή και η μεταφορά (ή συναγωγή).

Αγωγή έχουμε όταν γίνεται μετάδοση θερμότητας εντός στερεού ή μεταξύ στερεών σε επαφή, ενώ μεταφορά έχουμε στη περίπτωση της μετάδοσης εντός ρευστού ή μεταξύ ρευστού και στερεού (ο τρίτος τρόπος, η ακτινοβολία δηλαδή, δεν θα μας απασχολήσει). Σε αυτό το σημείο κρατήστε τρία πράγματα που είναι σημαντικά και θα χρειαστούν παρακάτω. Πρώτον η θερμότητα στη φύση μεταδίδεται πάντα από μια περιοχή με υψηλότερη θερμοκρασία προς μια περιοχή με χαμηλότερη. Δεύτερον, ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας είναι ανάλογος της διαφοράς αυτής στις θερμοκρασίες. Τρίτον, στη μετάδοση με μεταφορά ο ρυθμός είναι επίσης ανάλογος της προς ψύξη επιφάνειας καθώς και ενός συντελεστή, ο οποίος ονομάζεται συντελεστής μεταφοράς. Εκφρασμένος μαθηματικά ο ρυθμός της μεταφοράς είναι: Q=h*A*ΔT, δηλαδή ο νόμος ψύξης του Νεύτωνα.

Πως ψύχεται ένας επεξεργαστής

Ένας επεξεργαστής (είτε είναι η CPU είτε η GPU) ψύχεται ταυτόχρονα με αγωγή και μεταφορά. Με αγωγή η θερμότητα μεταδίδεται προς τη μητρική και στη συνέχεια από εκεί στο κουτί, όπως επίσης και προς τα πτερύγια και από εκεί στον αέρα. Με μεταφορά ψύχεται προς το ρευστό το οποίο τον περιβάλλει. Το ρευστό αυτό μπορεί να είναι είτε ο αέρας, είτε νερό σε περίπτωση υδρόψυξης. Ας τα δούμε όμως ένα ένα. (Αν θέλουμε να είμαστε 100% ακριβείς πρέπει να πούμε πως ψύχεται και με ακτινοβολία, αλλά θα την αμελήσουμε προς χάριν ευκολίας και χωρίς βεβαίως να οδηγηθούμε σε σφάλματα).

Ψύξη με ρευστό τον αέρα

Παλιά (μέχρι και τα Saturn και Playstation, αλλά και στις παλιές κάρτες γραφικών) όταν δεν είχαμε συστήματα υψηλών επιδόσεων δηλαδή, η παραγόμενη θερμότητα ήταν μικρή και απομακρύνονταν από τον επεξεργαστή με τη βοήθεια του περιβάλλοντος αέρα, όπως επίσης και με αγωγή προς το «κουτί» του μηχανήματος (το τελευταίο ισχύει και για τις σημερινές κονσόλες). Η θερμότητα αυτή μεταδιδόταν μέσω ελεύθερης μεταφοράς στον αέρα, ο οποίος θερμαινόταν και κινούνταν προς τα επάνω, λόγω μειωμένης πυκνότητας, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα σε άλλη μάζα ψυχρότερου αέρα να πάρει τη θέση της. Μέσω της συνεχούς αυτής εναλλαγής, του σε επαφή με τον επεξεργαστή αέρα, πραγματοποιούταν η μετάδοση της παραγόμενης θερμότητας με ρυθμό ίσο με τον απαιτούμενο. Έτσι ήμασταν όλοι χαρούμενοι και ήσυχοι με το απλό αυτό σύστημα.

Παρατηρήστε πως σε τέτοια συστήματα ελεύθερης μεταφοράς, οι γρίλιες βρίσκονται συνήθως στο κάτω και στο άνω μέρος του κουτιού (δείτε πχ μια τηλεόραση). Ο θερμός αέρας βγαίνει από πάνω και δημιουργεί υποπίεση στο «κουτί» με αποτέλεσμα ο αέρας του περιβάλλοντος να μπορεί να μπει σε αυτό από τις κάτω ή πλάγιες γρίλιες και να περάσει από τα προς ψύξη στοιχεία. Με τη πάροδο του χρόνου όμως και την εξέλιξη επεξεργαστών οι οποίοι είχαν τη δυνατότητα εκτέλεσης πολύ περισσότερων υπολογισμών στη μονάδα του χρόνου, η παραπάνω απλοϊκή μέθοδος της ελεύθερης μεταφοράς, έπαψε να είναι αρκετή και δημιουργήθηκαν ανάγκες για μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης θερμότητας από τον επεξεργαστή, προκειμένου αυτός να μην υπερθερμανθεί και καταστραφεί. Η ανάγκη αυτή για μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης θερμότητας οδήγησε αρχικά τους κατασκευαστές στη χρήση πτερυγίων, τα οποία ήταν κολλημένα επάνω στους επεξεργαστές (ακόμα θυμάμαι όταν πήρα τη Banshee το 1998 και προσπάθησα να ξεκολλήσω τα πτερύγια από πάνω, γιατί νόμιζα πως ήταν για προστασία κατά τη μεταφορά! Ευτυχώς δεν τα κατάφερα). Τί είναι όμως τα πτερύγια και σε τι μας βοηθάνε;

Πτερύγια αλουμινίου σύγχρονου επεξεργαστή.

Αρχικά η θερμότητα μεταδίδεται μέσω αγωγής από τον επεξεργαστή στα πτερύγια και εν συνεχεία μέσω μεταφοράς από αυτά στον αέρα. Ας γυρίσουμε τώρα λίγο πίσω, εκεί που αναφέραμε πως όταν θερμότητα μεταδίδεται από στερεό σε ρευστό, τότε έχουμε μεταφορά. Είπαμε επίσης πως ο ρυθμός μετάδοσης στη μεταφορά είναι ανάλογος της προς ψύξη επιφάνειας. Οπότε, όπως αμέσως καταλαβαίνουμε, η προσθήκη πτερυγίων είναι μια πάρα πολύ βολική μέθοδος για την δραματική αύξηση της επιφάνειας του επεξεργαστή μας και κατά συνέπεια της αύξησης του ρυθμού ψύξης. Η ένωση των πτερυγίων με τον επεξεργαστή γίνεται μέσω ειδικής συγκολλητικής ουσίας η οποία παρουσιάζει υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Η συγκολλητική αυτή ουσία μας εξασφαλίζει σωστή επαφή στη μέγιστη δυνατή επιφάνεια όπως επίσης και εξάλειψη φυσαλίδων παγιδευμένου αέρα, ο οποίος θα δρούσε ως ισχυρό μονωτικό. Για αυτό και κατά την εφαρμογή της πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή.

Ως υλικό των πτερυγίων επιλέγεται συνήθως ο χαλκός ή το αλουμίνιο, αφού τα δύο αυτά υλικά παρουσιάζουν υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, κάτι το οποίο εξασφαλίζει τον βέλτιστο ρυθμό μετάδοσης από τον επεξεργαστή σε αυτά, όπως επίσης και εντός της μάζας των πτερυγίων. Αυτό με την σειρά του εξασφαλίζει μεγαλύτερη θερμοκρασία πτερυγίων και κατά συνέπεια υψηλότερο ρυθμό ψύξης.

Εν συνεχεία και αφού οι επεξεργαστές γίνονταν όλο και πιο ισχυροί, τα πτερύγια από μόνα τους δεν ήταν αρκετά για την ικανοποιητική ψύξη. Ως εκ τούτου πάνω από τα πτερύγια άρχισαν να μπαίνουν ανεμιστηράκια. Γιατί άραγε; Το ανεμιστηράκι θέτει σε κίνηση τον αέρα ο οποίος περιβάλλει τα πτερύγια, με αποτέλεσμα να έχουμε πλέον εξαναγκασμένη και όχι ελεύθερη μεταφορά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνεται η ταχύτητα της ροής και κατά συνέπεια να αυξάνεται σημαντικά ο συντελεστής μεταφοράς, αφού είναι συνάρτηση και της ταχύτητας του ρευστού, σε σχέση με την ελεύθερη μεταφορά (6-10 φορές μεγαλύτερος), κάτι το οποίο οδηγεί σε αντίστοιχη αύξηση του ρυθμού μετάδοσης, για ίδια θερμοκρασιακή διαφορά αέρα-πτερυγίων και για την ίδια επιφάνεια αυτών (αυτός είναι και ο λόγος που όταν φυσάει κρυώνουμε περισσότερο).

Επιπλέον τροφοδοτεί τα πτερύγια με τις, αυξημένες, αναγκαίες τιμές παροχής μάζας για τη παραλαβή του θερμικού φορτίου, χωρίς να αυξηθεί πολύ η θερμοκρασία του. Τα ανεμιστηράκια μεταβλητών στροφών μας βοηθούν να το καταλάβουμε αυτό καλύτερα, ιδίως στους φορητούς υπολογιστές. Εκεί μπορούμε να ακούσουμε το ανεμιστηράκι να μην δουλεύει καθόλου τον χειμώνα και όταν το φορτίο του επεξεργαστή είναι χαμηλό ή σχεδόν μηδενικό και σιγά σιγά να ανεβάζει στροφές με την αύξηση του φορτίου του επεξεργαστή. Αντιθέτως, το καλοκαίρι που η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα είναι σημαντικά υψηλότερη (θυμηθείτε πως ο ρυθμός μετάδοσης είναι ανάλογος της διαφοράς θερμοκρασίας) ακούμε τα ανεμιστηράκια να παίρνουν φωτιά και να βγάζουν κολασμένα ζεστό αέρα.

Επεξεργαστής με πτερύγια και ανεμιστηράκι.

Εκτός όμως από τα ανεμιστηράκια που βρίσκονται κατευθείαν επάνω από τον επεξεργαστή, έχουμε και τα ανεμιστηράκια που αναλαμβάνουν να βγάζουν τον αέρα από το κουτί του υπολογιστή μας. Αυτά ωθούν τον θερμό αέρα εκτός του κουτιού, δημιουργώντας κατ’ αυτόν τον τρόπο υποπίεση στο εσωτερικό του, με αποτέλεσμα να μπαίνει σε αυτό συνεχώς άλλη μάζα ψυχρότερου αέρα. Έτσι όχι μόνο τροφοδοτούνται τα ανεμιστηράκια των επεξεργαστών μας με φρέσκο αέρα, αλλά ψύχονται ταυτόχρονα, μέσω εξαναγκασμένης μεταφοράς, και τα υπόλοιπα εξαρτήματα του υπολογιστή/παιχνιδομηχανής μας όπως ο σκληρός δίσκος, οι μνήμες και οι μονάδες οπτικών δίσκων.

Ο λόγος ύπαρξης για τις γρίλιες, καθώς και τα σημεία τοποθέτησης αυτών, εξαρτάται λοιπόν καθαρά από το από πού ακριβώς θέλουμε να μπαίνει αέρας στο κουτί μας. Αυτό με τη σειρά του καθορίζεται από τα σημεία εκείνα στα οποία υπάρχουν στοιχεία που πρέπει να ψυχθούν. Παρατηρώντας το Xbox One προσεκτικά βλέπουμε πως είναι γεμάτο γρίλιες στα πλάγια, καθώς και έχει μια περιοχή με γρίλιες στο πίσω μέρος. Ας τα δούμε αναλυτικά. Στη πλάγια δεξιά μεριά, εκεί που είναι ο επεξεργαστής δηλαδή, έχει γρίλιες μέχρι τη μέση του κουτιού. Αυτό το έχουν κάνει διότι θέλουν να δώσουν τη δυνατότητα στον αέρα να μπαίνει εκεί που είναι τοποθετημένα τα πτερύγια ώστε να ψύχονται. Στο επάνω μισό του κουτιού είναι ο ανεμιστήρας, οπότε το να έβαζαν εκεί γρίλιες δεν θα είχε κάποιο νόημα. Στο πίσω μέρος οι γρίλιες είναι ακριβώς εκεί που είναι ο σκληρός δίσκος έτσι ώστε να εισέρχεται εκεί αέρας και να τον ψύχει. Η αριστερή πλάγια μεριά είναι γεμάτη γρίλιες έτσι ώστε να επιτρέπεται η είσοδος αέρα από όλη αυτή τη μεριά και να ψύχει τόσο τη μονάδα οπτικού δίσκου, όσο και τα υπόλοιπα κυκλώματα και στοιχεία της μητρικής. Ο αέρας ο οποίος εισέρχεται στο κουτί από τις παραπάνω γρίλιες αναγκαστικά ακολουθεί μια πορεία η οποία τον κατευθύνει στο ανεμιστηράκι. Όταν φτάσει σε αυτό τότε εκβάλλεται από τις γρίλιες που είναι πάνω δεξιά. Οι γρίλιες δηλαδή είναι ουσιώδους σημασίας αφού καθορίζουν από πού μπαίνει αέρας στο κουτί και ποια πορεία ακολουθεί. Επίσης πρέπει να έχουν το σωστό μέγεθος έτσι ώστε να μην δημιουργούν μεγάλες αντιστάσεις και πτώση πίεσης στη ροή και να εξασφαλίζεται και η απαιτούμενη παροχή μάζας.

Ψύξη με χρήση νερού και αέρα

Στη περίπτωση αυτή μιλάμε για συστήματα που χρησιμοποιούν ως ρευστά για τη ψύξη τόσο τον αέρα όσο και το νερό. Σε αυτές τις περιπτώσεις συνηθίζουμε να μιλάμε για υδρόψυξη. Για ποιο λόγο όμως χρησιμοποιούμε το νερό; Το νερό έχει τρία βασικά πλεονεκτήματα έναντι του αέρα. Το πρώτο είναι ο αυξημένος συντελεστής μετάδοσης ο οποίος είναι 10 με 80 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του αέρα (σε εξαναγκασμένη μεταφορά). Το δεύτερο είναι η ειδική θερμότητα του νερού η οποία και είναι τετραπλάσια από αυτή του αέρα (η ειδική θερμότητα ισούται με το ποσό της θερμότητας ανά μονάδα μάζας την οποία πρέπει να απορροφήσει ένα στοιχείο προκειμένου να μεταβληθεί η θερμοκρασία του κατά έναν βαθμό). Το τρίτο είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισής του, η οποία είναι η μεγαλύτερη από όλες τις φυσικές ενώσεις (ισούται με το ποσό της θερμότητας ανά μονάδα μάζας την οποία πρέπει να απορροφήσει ώστε να εξατμιστεί). Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε πως το νερό αποτελεί ένα πολύ ισχυρότερο ψυκτικό μέσο από τον αέρα, καθώς έχει τη δυνατότητα να απάγει θερμότητα με σημαντικά μεγαλύτερο ρυθμό, όπως επίσης και να «ανθίσταται» στην αύξηση της θερμοκρασίας του πολύ περισσότερο, διατηρώντας αυξημένους ρυθμούς ψύξης.

Η υδρόψυξη μπορεί να είναι δύο ειδών. Το πρώτο αφορά τη παθητική υδρόψυξη και το δεύτερο την ενεργητική. Στο πρώτο είδος συγκαταλέγονται τα heat pipes. Τα heat pipes είναι, στην απλούστερη μορφή τους, κούφια σωληνάκια τα οποία περιέχουν ρευστό σε πίεση χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική. Αυτά απορροφούν τη θερμότητα σε ένα σημείο τους και την αποβάλλουν σε κάποιο άλλο, στο οποίο συνήθως είναι εξοπλισμένα με πτερύγια και βρίσκεται κοντά σε ανεμιστηράκια. Ο λόγος για τον οποίο το νερό βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση από την ατμοσφαιρική είναι ώστε να αλλάξει φάση (απορροφώντας ταυτόχρονα τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης) σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία. Αν καταλάβατε καλά, μιλάμε πως το νερό στη κυριολεξία βράζει εντός των heat pipes. Μετά τη μετατροπή του υγρού νερού σε ατμό (με ταυτόχρονη απορρόφηση σημαντικού ποσού θερμότητας από τον επεξεργαστή μας), ο ατμός «ταξιδεύει» στο σημείο στο οποίο γίνεται η ψύξη του με αέρα με την βοήθεια ανεμιστήρα (θυμηθείτε την εξαναγκασμένη μεταφορά), συμπυκνώνεται και πάλι σε υγρό νερό, απελευθερώνοντας τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης την οποία είχε προηγουμένως απορροφήσει, και επιστρέφει κοντά στη πηγή θερμότητας, είτε μέσω βαρυτικής επίδρασης είτε μέσω του τριχοειδούς φαινομένου ώστε να κάνει και πάλι τον κύκλο από την αρχή.

Heat pipes (τα σωληνάκια που διακρίνονται) μαζί με τα πτερύγια τους.

Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού είναι 540 φορές μεγαλύτερη από την ειδική θερμότητά του! Οπότε την στιγμή της εξάτμισης απορροφά 540 φορές περισσότερη θερμότητα από ότι απορροφούσε πριν, ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό (ανά μονάδα μάζας πάντα) και όλα αυτά χωρίς να αυξάνεται καθόλου η θερμοκρασία του, αφού όλη η θερμότητα πάει ώστε να εξατμιστεί!

Έτσι τα heat pipes μπορούν να απάγουν μεγάλα ποσά θερμότητας με μικρή θερμοκρασιακή διαφορά. Άρα τα heat pipes είναι εξαιρετικά αποδοτικά και για αυτό χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με μεγάλα θερμικά φορτία, όπως οι σύγχρονες κάρτες γραφικών και οι σύγχρονες παιχνιδομηχανές. Επίσης χρησιμοποιούνται συχνά σε φορητούς υπολογιστές γιατί έχουν μικρό όγκο και βάρος (φανταστείτε να προσπαθούσαν να χωρέσουν συμπαγή πτερύγια σε φορητό!) και επίσης έχουν τη δυνατότητα να απάγουν τη θερμότητα σε χαμηλά φορτία του επεξεργαστή χωρίς την ανάγκη να περιστρέφεται το ανεμιστηράκι. Αυτό είναι ουσιώδους σημασίας στους φορητούς, καθώς η εξοικονόμηση ενέργειας είναι σημαντικό θέμα. Είναι επίσης εύκαμπτα και αξιόπιστα. Το αρχικό Xbox 360 χρησιμοποιεί heat pipes εξοπλισμένα με πτερύγια και ανεμιστηράκια, ενώ το PS3 χρησιμοποιεί heat pipes σε συνδυασμό με ένα ανεμιστηράκι, χωρίς όμως πτερύγια. Αντ’ αυτού τα heat pipes έρχονται σε επαφή με ένα σχετικά μεγάλο “φύλλο” αλουμινίου, το οποίο και παίζει τον ρόλο ενός τεράστιου πτερυγίου.

Στο δεύτερο είδος υδρόψυξης, αυτό της ενεργητικής δηλαδή, ανήκουν τα συστήματα εκείνα που αποτελούνται από ένα δοχείο αποθήκευσης του νερού, έναν μικρό εναλλάκτη θερμότητας (ψυγείο), μια μικρή αντλία, σωληνώσεις, ανεμιστηράκια και μικρά δοχεία τα οποία έρχονται σε επαφή με τον ή τους επεξεργαστές μας και φέρουν νερό ή άλλο ρευστό. Στη περίπτωση αυτή η αντλία αναλαμβάνει να θέσει σε κίνηση το νερό του συστήματος ψύξης, το οποίο στη συνέχεια κυκλοφορεί συνεχώς εντός των σωληνώσεων και απάγει, μέσω εξαναγκασμένης μεταφοράς, τη θερμότητα από τον επεξεργαστή μας μέσω του μικρού δοχείου το οποίο βρίσκεται σε επαφή με αυτόν. Στη συνέχεια το θερμό νερό κατευθύνεται στον εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος δεν είναι τίποτα άλλο από έναν κουρμπαρισμένο σωλήνα (ή πολλά μικρότερα σωληνάκια) ο οποίος περιβάλλεται από πτερύγια. Τα ανεμιστηράκια του εναλλάκτη αυτού αναλαμβάνουν να απάγουν τη θερμότητα από το νερό μέσω εξαναγκασμένη μεταφοράς, ακριβώς όπως περιγράφτηκε πιο πριν.

Τα βασικά μέρη ενός συστήματος ενεργητικής υδρόψυξης υπολογιστή.

Η αναγκαία παροχή της αντλίας προκύπτει από το θερμικό φορτίο που θέλουμε να απάγουμε και την επιθυμητή διαφορά θερμοκρασίας εισόδου-εξόδου του νερού από τα δοχεία ψύξης των επεξεργαστών μας. Κατά την εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος πρέπει να ελέγχουμε σχολαστικά το σύστημα για τυχόν διαρροές, να μην θέτουμε την αντλία σε κίνηση χωρίς να έχει ρευστό το σύστημα γιατί θα τη κάψουμε, καθώς και να κάνουμε εξαέρωση του ώστε να μην περιέχει καθόλου αέρα. Πρέπει επίσης να αποφεύγονται οι έντονες καμπυλώσεις των σωλήνων, αφού κάτι τέτοιο οδηγεί σε αυξημένες απώλειες πίεσης. Το νερό δεν πρέπει να είναι από τη βρύση γιατί περιέχει άλατα.

Όσον αφορά τη συνδεσμολογία τώρα υπάρχουν δύο περιπτώσεις, εφόσον θέλουμε να ψύξουμε ταυτόχρονα κάρτα γραφικών και επεξεργαστή. Η πρώτη αφορά δύο ξεχωριστά κυκλώματα (ξεχωριστά σωληνάκια), ένα δηλαδή για κάθε επεξεργαστή. Η δεύτερη αφορά τη σε σειρά συνδεσμολογία και των δύο, με το νερό δηλαδή να κατευθύνεται πρώτα στο ένα στοιχείο και εν συνεχεία στο άλλο. Στη περίπτωση αυτή καλό είναι το νερό να απάγει πρώτα τη θερμότητα από το στοιχείο εκείνο το οποίο παράγει το μικρότερο ποσό και έπειτα να κατευθύνεται στο άλλο, το περισσότερο ενεργοβόρο.

Άλλα συστήματα

Το άρθρο παρουσίασε συνοπτικά τις συνηθέστερες μεθόδους ψύξης οι οποίες χρησιμοποιούνται σε οικιακά μηχανήματα. Από εκεί και έπειτα σε σερβερ ή υπερυπολογιστές ή ειδικές εφαρμογές υπάρχει μια πλειάδα συστημάτων ψύξης που αναπτύσσονται από εξειδικευμένες εταιρείες ανάλογα με τη περίπτωση. Ένα είναι μόνο σίγουρο: όλες βασίζονται στους παραπάνω νόμους της φύσης.

Ανακεφαλαίωση και συμπεράσματα

Η ψύξη με αέρα σε ελεύθερη μεταφορά (όταν δηλαδή ο αέρας δεν εξαναγκάζεται σε κίνηση από εξωτερικό αίτιο), είναι μια αρκετά αργή διαδικασία με αποτέλεσμα να μην είναι αρκετά υψηλός ο ρυθμός ώστε να ψυχθεί σωστά ένας μοντέρνος επεξεργαστής. Αντιθέτως στην εξαναγκασμένη αυξάνει ο ρυθμός λόγω αύξησης του συντελεστή μετάδοσης. Ένα παράδειγμα από την καθημερινότητα μας είναι πως όταν φυσάει κρυώνουμε σημαντικά περισσότερο από ότι όταν δεν φυσάει, παρότι και στις δύο περιπτώσεις η θερμοκρασία του αέρα είναι η ίδια.

Τα πτερύγια δεν έχουν σαν σκοπό να ψύξουν τον επεξεργαστή με κάποιον μαγικό τρόπο, αλλά να αυξήσουν την επιφάνεια του. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των πτερυγίων, τόσο μεγαλύτερος είναι και ο ρυθμός ψύξης.

Ο ρόλος των ανεμιστήρων των επεξεργαστών είναι διττός. Πρώτον: αυξάνουν την ταχύτητα της ροής με αποτέλεσμα να έχουμε εξαναγκασμένη μεταφορά κατά την οποία αυξάνει σημαντικά ο συντελεστής μεταφοράς. Αυτό με την σειρά του οδηγεί σε αύξηση του ρυθμού ψύξης. Δεύτερον: αυξάνουν την παροχή μάζας του αέρα, έτσι ώστε αυτός να είναι σε θέση να παραλάβει την παραγόμενη θερμότητα χωρίς να θερμαίνεται υπερβολικά. Έτσι μπορούμε να επιτύχουμε την απαραίτητη θερμοκρασιακή διαφορά με μικρότερη θερμοκρασία επεξεργαστή. Άρα αυξάνοντας την παροχή μπορούμε εν δυνάμει να οδηγηθούμε (εμμέσως) σε χαμηλότερη θερμοκρασία επεξεργαστή.

Οι ανεμιστήρες μεταβλητών στροφών περιστρέφονται πάντα σε υψηλότερες στροφές το καλοκαίρι από ότι το χειμώνα, για τα ίδια φορτία του επεξεργαστή. Αυτό το κάνουμε διότι προσπαθούμε να αντισταθμίσουμε την μικρότερη θερμοκρασιακή διαφορά αέρα-πτερυγίων, με μεγαλύτερο συντελεστή μεταφοράς.

Η μέγιστη θερμοκρασία του επεξεργαστή το καλοκαίρι είναι τόσους βαθμούς υψηλότερη από αυτή του χειμώνα, όση είναι η θερμοκρασιακή διαφορά του περιβάλλοντος αέρα μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως προκειμένου να έχουμε τον μέγιστο ρυθμό ψύξης πρέπει να έχουμε την ίδια θερμοκρασιακή διαφορά αέρα-πτερυγίων, είτε είναι χειμώνας είτε καλοκαίρι.

Ένας σύγχρονος επεξεργαστής δεν θα μπορούσε να ψυχθεί σωστά χωρίς το κατάλληλο σύστημα προσαρτημένο σε αυτόν, ακόμη και αν μπορούσε να αφεθεί επάνω σε μια επιφάνεια η οποία δεν θα περιοριζόταν από πουθενά.

Τα συστήματα παθητικής υδρόψυξης προσφέρουν την δυνατότητα σημαντικά μεγαλύτερου ρυθμού ψύξης από τον αέρα, για ίδια θερμοκρασιακή διαφορά. Αυτό τα κάνει ιδανικά για χρήση σε φορητούς υπολογιστές και επεξεργαστές οι οποίοι καταναλώνουν πολλή ενέργεια. Τα συστήματα ενεργητικής υδρόψυξης αποτελούν σχετικά τραβηγμένες λύσεις για οικιακούς υπολογιστές και παιχνιδομηχανές. Τα τελευταία είναι ιδανικά για υπερχρονισμένους επεξεργαστές.

Στην ενεργητική υδρόψυξη έχουμε υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης χάρη στον σημαντικά μεγαλύτερο συντελεστή μεταφοράς του νερού. Έτσι έχουμε την δυνατότητα να μεταφέρουμε την ίδια ισχύ με αρκετά μικρότερη θερμοκρασιακή διαφορά. Ένα παράδειγμα αυτού από την καθημερινότητα μας είναι πως όταν πλένουμε τα χέρια μας τον χειμώνα τα νιώθουμε να παγώνουν, παρότι το νερό έχει την ίδια περίπου θερμοκρασία με τον περιβάλλοντα αέρα.

Η θερμοκρασία του επεξεργαστή μας δεν είναι δυνατόν να πέσει κάτω από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, οποιαδήποτε από τις παραπάνω μεθόδους και να χρησιμοποιήσουμε. Ο μόνος τρόπος να γίνει κάτι τέτοιο είναι με χρήση χημικών στοιχείων τα οποία παρουσιάζουν πολύ χαμηλό σημείο βρασμού (π.χ άζωτο).

Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος ψύξης και των χαρακτηριστικών αυτού είναι μια δύσκολη και απαιτητική διαδικασία η οποία απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις και εμπειρία.

Η αλλαγή ή μεταβολή του συστήματος ψύξης είναι μια διαδικασία η οποία ενέχει σημαντικό ρίσκο. Εάν πάρα ταύτα αποφασίσουμε κάτι τέτοιο θα πρέπει να μελετήσουμε διεξοδικά τις οδηγίες του κατασκευαστή ή/και να ζητήσουμε βοήθεια από κάποιον που ξέρει.

Καλό είναι να τηρούμε τις οδηγίες του κατασκευαστή όσον αφορά τη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία περιβάλλοντος στην οποία επιτρέπεται η χρήση, μιας και αλλιώς το σύστημα μας κινδυνεύει από υπερθέρμανση.

Πρέπει να τοποθετούμε τα μηχανήματα μας σε σημεία στα οποία δεν εμποδίζεται η απρόσκοπτη είσοδος και έξοδος του αέρα από αυτά. Σε διαφορετική περίπτωση έχουμε μεταβολή των χαρακτηριστικών της ροής καθώς και της παροχής αυτής, με ότι αυτό συνεπάγεται.

Η χρήση κλιματιστικού το καλοκαίρι βοηθάει εξαιρετικά τα μηχανήματα μας μιας και εισέρχεται σε αυτά αέρας χαμηλής θερμοκρασίας αυξάνοντας έτσι σημαντικά τον ρυθμό μετάδοσης θερμότητας.

Ελπίζω το άρθρο να έριξε, έστω και λίγο, φως στο ενδιαφέρον αυτό θέμα. Είμαι στη διάθεση σας για οποιαδήποτε διευκρίνιση/απορία, εφόσον ασφαλώς είμαι σε θέση να απαντήσω. Κάθε σχόλιο είναι ευπρόσδεκτο.

Σύνδεσμοι για περαιτέρω διάβασμα:
http://users.uoi.gr/vkalpak/files/Notes_Heat-Transfer_Nikolos.pdf
http://www.pathways.cu.edu.eg/ec/
http://www.thermacore.com/thermal-basics/heat-pipe-technology.aspx

Game20.gr, το Άσυλο των gamers