Jak se chladí počítače

Činnost každého elektrického spotřebiče, počítač nevyjímaje, s sebou nese produkci odpadního tepla. Ukážeme vám principy, na základě kterých funguje chlazení počítačových komponent.
Kapitoly článku

Běžný procesorový chladič se skládá z pasivní části, kterou tvoří velký počet různě tvarovaných žeber, jednoho nebo více ventilátorů, jež tato žebra chladí, a případně teplovodivých trubic heatpipe. Pro konstrukci pasivních chladičů bývá použit hliník, často se ale setkáte také s kombinací několika materiálů. Dozvíte se proč.

Trubice skrz naskrz

Drtivá většina procesorových i jiných chladičů bývá vybavena trubicemi heatpipe. Pomineme-li první myšlenky o podobných technologiích pocházející z 19. století a období vývoje parního stroje, zajímavá jsou 60. léta 20. století. Tehdy se vývoje ujala NASA, kterou princip heatpipe zaujal a viděla v něm potenciál pro využití na vesmírných misích.

Klepněte pro větší obrázek
V trubici heatpipe neustále cirkuluje médium, které mění skupenství z kapalného na plynné a obráceně

Trubice heatpipe je bezúdržbové zařízení – na obou koncích neprodyšně uzavřená dutina, obvykle měděná, která je naplněna chladicím médiem. Plnění probíhá po odsátí vzduchu a jako médium může posloužit voda, alkohol, rtuť nebo třeba tekuté helium a jiné kapaliny pro potřeby nasazení v extrémně nízkých teplotách. Volba média závisí na rozsahu teplot, ve kterém má trubice správně pracovat. Samotný princip se pak zakládá na oběhu tohoto média, který je vyvolán změnami jeho skupenství. V místě kontaktu s chlazeným povrchem dochází k odpařování kapaliny, vzniklý plyn prostupuje skrz trubici, kde se ochlazuje a kondenzuje zpět do kapalného stavu.

V případě průmyslového využití zde často celá věda končí, po hladké trubici kondenzát stéká zpět k ochlazovanému tělesu a celý cyklus se opakuje. O něco sofistikovanější je systém využívaný v chlazení počítačových komponent. Vnitřní stěny trubice jsou opatřeny drobnými protkanými profily obvykle ze spékaného kovového prášku. Díky nim dochází vlivem působení kapilárního tlaku ke vzlínání kapaliny a ta putuje ke chlazenému povrchu. Nezáleží tak na poloze chladiče nebo orientaci trubic, kapalina volně nestéká a optimálně přenáší teplo za všech vnějších okolností.

 

Historie trubic heatpipe sahá až do století páry, novodobou historii začala psát až NASA v 60. letech 20. století

 

V případě notebooků je přítomnost chladicích trubic zásadní. Kvůli nedostatku prostoru se díky nim odebírá teplo z procesorů (ať už hlavního, nebo grafického) a odvádí se obvykle k malému pasivnímu chladiči, který je osazen nízkým ventilátorem. Umístit chladič i ventilátor přímo na procesor nebo grafický čip by bylo nerealizovatelné, zvláště pak v době ultrabooků a podobných zařízení. V oblasti chlazení stolních počítačů je přínos trubic heatpipe spíše podpůrný.

Fourierův zákon

K pochopení funkce pasivního chladiče je dobré znát zákonitosti objevené francouzským matematikem Josephem Fourierem. Tzv. Fourierův zákon definuje základní princip vedení tepla. Jeho zjednodušená jednodimenzionální varianta říká, že pokud v určitém bodě dojde k teplotnímu nárůstu, bude teplo přenášeno z oblasti s vyšší teplotou do místa s teplotou nižší. Neboli přesněji, že vektor hustoty tepelného toku je úměrný gradientu teploty a má opačný směr. Tento základní poznatek byl předpokladem k dalšímu vývoji zařízení využívajících vedení tepla.

Obvykle chladiče aspoň dvě tyto trubice obsahují, slouží ale pouze pro rozvod tepla do všech částí mohutnějšího pasivu, který pak nemusí být tak prudce ofukován ventilátorem. Tento systém zvyšuje účinnost chlazení, a tím současně snižuje hlučnost, běžné mainstreamové procesory by však bylo možno, na rozdíl od notebooků, chladit i pouhou kombinací pasivního bloku a ventilátoru. Takto jsou například řešeny levné boxované chladiče, které jsou součástí balení některých procesorů.

V parní komoře

Dalším z typů chlazení je Vapor Chamber neboli parní komora. S technologií přišla společnost Microloops a asi nejznámější je tento způsob chlazení z grafických karet Sapphire řady Vapor-X. Vapor Chamber má hodně společného s trubicemi heatpipe, ovšem s tím rozdílem, že namísto jednotlivých trubiček tvoří celistvou plochu. Požaduje-li výrobce chladiče přímý dotyk chlazeného procesoru s heatpipe, musí jich styčným bodem procházet několik vedle sebe, zatímco při použití Vapor Chamber lze celou tuto komoru namáčknout na procesor. Princip funkce je pak podobný jako u běžných trubic. Uvnitř duté destičky je tepelně vodivé médium v kapalném stavu. To se při zahřívání odpařuje, přenáší teplo do horní části, kde se ochlazuje, a jako kondenzát putuje po stěnách komory zpět ke zdroji tepla.

Klepněte pro větší obrázek
Vapor Chamber je rozšířením principu heatpipe do větší souvislé plochy, která poskytne lepší přenos tepla

I u Vapor Chamber je využíváno vzlínání sítí měděných „drátků“, je tedy odolná vůči gravitaci i směru instalace. Původní návrh komory od Microloops počítá s použitím očištěné vody jako média. Na rozdíl od trubic heatpipe zajišťuje Vapor Chamber rovnoměrný přenos tepla a lze jej využít i pro chlazení velkých ploch až do rozměrů 40 × 40 cm. Tloušťka komory je 3,5 až 4,2 mm a může mít libovolný tvar. Bát se nemusíte ani o odolnost celého řešení, díky distančním sloupkům vydrží tlak až 3 kg na cm2.

Dusíkem nebo vodou

Pokud provozujete výkonný procesor nebo jen máte rádi ticho, podívejte se po systému vodního chlazení. Asi nejlepší variantou jsou bezúdržbová řešení, která podle návodu nainstalujete a po dobu jejich životnosti se o ně nemusíte starat. Systém vodního chlazení se skládá z adaptéru na procesor, dvou propojujících hadic, radiátoru a pumpy. Princip je jednoduchý, v okruhu je napuštěno nevodivé (či dobře elektricky izolované) chladicí médium cirkulované pumpou. Při průtoku kolem procesoru mu odebírá teplo, odvádí jej do radiátoru, ve kterém se samo ochladí a druhou z hadic vyráží zpět k procesoru.

 

Chlazení dusíkem je drahé, ale relativně bezpečné – díky vysokému rozdílu teplot nehrozí při potřísnění pokožky újma

 

Na akcích zabývajících se extrémním přetaktováním jste jistě zaregistrovali ještě chlazení tekutým dusíkem. Stejná technologie se využívá například ve zdravotnictví pro rychlé podchlazení tkání při jejich skladování. Bod varu kapalného dusíku je zhruba -196 °C a pro jeho relativně snadnou dostupnost se stal oblíbeným chladicím médiem. Práce s dusíkem je bezpečná; nedojde-li k delšímu kontaktu s pokožkou (např. nasáknutí do textilie), žádné riziko poranění nehrozí.

Klepněte pro větší obrázek
Tekutý dusík je oblíbeným chladicím nástrojem při akcích zaměřených na extrémní přetaktování, vzhledem k jeho dostupnosti s ním může experimentovat každý

Vzhledem k velkému rozdílu teplot mezi kapalným dusíkem a lidskou pokožkou dojde při případném potřísnění ruky k tzv. Leidenfrostovu jevu – mezi kapkami dusíku a pokožkou se vytvoří vrstvička par, která kapalině nedovolí přímý kontakt s rukou. Dusík tedy steče nebo se postupně odpaří. Při dlouhodobějším působení by však mohl uživatele zranit.

Témata článku: Hardware, Technologie, Vapor, Foot, Pasta, Gumy, Helium, Thermal

35 komentářů

Nejnovější komentáře

  • theseuszn 29. 12. 2011 11:19:44
    Článek na mě budí dojem všeobecné informace, nechápu, proč autora...
  • House_MD 28. 12. 2011 18:01:07
    Kde najdu ten obrázek s tou slečnou v plném rozlišení?
  • gender.bender 28. 12. 2011 15:51:16
    tak ale tohle je doslova parodie na článek, i na průměrný článek, navíc je...
Určitě si přečtěte

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

** Programátorů je málo a horníků bez práce po uzavření dolu Paskov bude moc ** Problém řeší unikátní projekt ** Pilotní kurz dává naději, že by z horníků mohli být použitelní kodéři

28.  11.  2016 | David Polesný | 78

ASUS ZenBook 3 se začal prodávat v Česku. Je ve všem lepší než MacBook, ale bude to stačit?

ASUS ZenBook 3 se začal prodávat v Česku. Je ve všem lepší než MacBook, ale bude to stačit?

** Novinka od Asusu míří přímo proti MacBooku od Applu ** Nabídne daleko více výkonu za stejné peníze

2.  12.  2016 | David Polesný | 119