Computerkühlung

Eine föptige Luft abgekühlt Kühlkörper mit einem Lüfter auf a Zentralprozessormit einem kleineren passiven Kühlkörper ohne Lüfter im Hintergrund

Ein 3-Fan-Kühlkörper, der auf einem montiert ist Grafikkarte Maximierung der Kühlungseffizienz der GPU und der umgebenden Komponenten

Commodore 128dcr Computers Stromversorgung von Schaltmodusmit einem von Benutzer installierten 60 mm Kühlventilator. Vertikale Aluminiumprofile werden als Kühlkörper verwendet.

Computerkühlung ist erforderlich, um die zu entfernen Abwärme produziert von Computerteile, um Komponenten in zulässigem zu halten Betriebstemperatur Grenzen. Komponenten, die anfällig für vorübergehende Fehlfunktionen oder dauerhaftes Versagen sind, wenn sie überhitzt ist integrierte Schaltkreise wie zum Beispiel Zentrale Verarbeitungseinheiten (CPUs), Chipsätze, Grafikkarten, und Festplattenfahrten.

Komponenten sind häufig so konzipiert, dass sie so wenig Wärme wie möglich erzeugen, und Computer und Betriebssysteme können so konzipiert werden, dass der Stromverbrauch und die daraus resultierende Erwärmung gemäß der Arbeitsbelastung reduziert werden. Es kann jedoch noch mehr Wärme erzeugt werden, als ohne Aufmerksamkeit auf Kühlung entfernt werden kann. Gebrauch von Temperatur fällt Durch Luftstrom abgekühlt wird der Temperaturanstieg, der durch eine bestimmte Wärmemenge erzeugt wird. Die Aufmerksamkeit auf Luftstrommuster kann die Entwicklung von Hotspots verhindern. Computerlüfter werden häufig zusammen mit den Kühlkütern verwendet, um die Temperatur durch aktiv erschöpfende heiße Luft zu reduzieren. Es gibt auch exotischere Kühltechniken wie z. Flüssigkühlung. Alle modernen Prozessoren sind so konzipiert, dass sie ihre Spannung oder Taktgeschwindigkeit ausschneiden oder reduzieren, wenn die Innentemperatur des Prozessors ein bestimmtes Limit überschreitet. Dies wird allgemein als thermisches Drosselung bezeichnet, wenn die Taktgeschwindigkeiten oder die thermische Abschaltung bei einer vollständigen Abschaltung des Geräts oder des Systems thermisch geschlossen werden.

Die Kühlung kann ausgelegt sein, um die Umgebungstemperatur innerhalb eines Computers zu verringern, z. Komponenten, die üblicherweise einzeln abgekühlt sind, umfassen die CPU. Grafikkarte (GPU) und die Nord brücke.

Generatoren von unerwünschter Hitze

Integrierte Schaltkreise (z. B. CPU und GPU) sind die Hauptgeneratoren für Wärme in modernen Computern. Die Wärmeerzeugung kann durch effizientes Design und Auswahl von Betriebsparametern wie Spannung und Frequenz reduziert werden, aber letztendlich kann die akzeptable Leistung häufig nur durch die Behandlung der erheblichen Wärmeerzeugung erreicht werden.

Das Staub Der Aufbau dieses Laptop -CPU -Kühlkörpers nach dreijähriger Verwendung hat den Laptop aufgrund häufiger thermischer Abschaltungen unbrauchbar gemacht.

In Betrieb steigt die Temperatur der Komponenten eines Computers, bis die in die Umgebung übertragene Wärme gleich der von der Komponente erzeugten Wärme ist, dh wann, wann Thermalgleichgewicht ist erreicht. Für einen zuverlässigen Betrieb darf die Temperatur niemals einen angegebenen maximal zulässigen Wert überschreiten, der für jede Komponente eindeutig ist. Für Halbleiter, sofortig Stellentemperatur, anstatt Komponentenfall, Wärmeverbindung oder Umgebungstemperatur sind entscheidend.

Kühlung kann beeinträchtigt werden durch:

• Staub Als thermischer Isolator und behindert Luftstrom fungieren, wodurch die Leistung des Kühlkörpers und die Lüfterleistung verringert wird.
• Schlechter Luftstrom einschließlich Turbulenz aufgrund von Reibung gegen behinderte Komponenten wie z. Bandkabeloder eine falsche Ausrichtung der Ventilatoren kann die Luftmenge reduzieren, die durch einen Fall fließt und in diesem Fall sogar lokalisierte Whirlpools mit heißer Luft erzeugen. In einigen Fällen von Ausrüstung mit schlechtem thermischem Design kann die Kühlluft leicht durch "Kühllöcher" ausfließen, bevor sie über heiße Komponenten vorbeifahren. Das Abkühlen in solchen Fällen kann häufig durch Blockieren ausgewählter Löcher verbessert werden.
• Schlechte Wärmeübertragung Aufgrund schlechter thermischer Kontakt zwischen Komponenten, die abgekühlt werden sollen, und Kühlgeräte. Dies kann durch die Verwendung von verbessert werden Wärmeverbindungen Oberflächenunfälle auszugleichen oder sogar durch Länen.

Schadensprävention

Da hohe Temperaturen die Lebensdauer erheblich reduzieren oder die Komponenten dauerhaft beschädigen und die Wärmeausgabe von Komponenten manchmal die Kühlkapazität des Computers überschreiten kann, treffen die Hersteller häufig zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen, um sicherzustellen, dass die Temperaturen innerhalb sicherer Grenzen bleiben. Ein Computer mit Wärmesensoren In der CPU, Motherboard, Chipsatz oder GPU integriert, können sich selbst herunterfahren, wenn hohe Temperaturen festgestellt werden, um dauerhafte Schäden zu verhindern, obwohl dies möglicherweise nicht vollständig sicher der sichere Betrieb garantiert. Bevor eine Überhitzungskomponente diesen Punkt erreicht, kann sie "gedrosselt" werden, bis die Temperaturen unter einem sicheren Punkt fallen Dynamische Frequenzskalierung Technologie. Das Droseln reduziert die Betriebsfrequenz und Spannung einer integrierten Schaltung oder deaktiviert nicht wesentliche Merkmale des Chips, um den Wärmeausgang zu reduzieren, häufig auf Kosten einer geringfügigen oder signifikant reduzierten Leistung. Für Desktop- und Notebook -Computer wird das Droseln häufig am kontrolliert BIOS eben. Drosseln wird häufig auch zur Verwaltung der Temperaturen in Smartphones und Tablets verwendet, bei denen Komponenten eng mit wenig bis gellem Kühlung und zusätzlicher Wärme aus der Hand des Benutzers gepackt werden.^[1]

Mainframes und Supercomputer

Als elektronische Computer größer und komplexer wurden, wurde die Kühlung der aktiven Komponenten zu einem entscheidenden Faktor für einen zuverlässigen Betrieb. Frühe Vakuumrohrcomputer mit relativ großen Schränken können sich auf die Kühlung auf natürliche oder erzwungene Luftzirkulation verlassen. Solid-State-Geräte waren jedoch viel dichter gepackt und hatten niedrigere zulässige Betriebstemperaturen.

Ab 1965, IBM und andere Hersteller von Mainframe -Computern sponserten intensive Erforschung der Physik der kühlenden dicht gepackten integrierten Schaltungen. Viele Luft- und Flüssigkühlsysteme wurden entwickelt und untersucht, wobei Methoden wie natürliche und erzwungene Konvektion, Direktluftaufprall, direktes Flüssigeintauchen und erzwungene Konvektion, das Kochen des Pools, fallende Filme, das Kochen von Flüssigkeiten und Flüssigkeitsstrahl -Aufprall. Die mathematische Analyse wurde verwendet, um die Temperaturanstieg von Komponenten für jede mögliche Geometrie des Kühlsystems vorherzusagen.^[2]

IBM entwickelte drei Generationen des thermischen Leitungsmoduls (TCM), das eine wassergekühlte Kaltplatte in direktem thermischem Kontakt mit integrierten Schaltkreispaketen verwendete. Jedes Paket hatte einen thermisch leitenden Stift darauf, und Heliumgas umliegende Chips und hitzelndende Stifte. Das Design könnte bis zu 27 Watt von einem Chip und bis zu 2000 Watt pro Modul entfernen, während die Temperaturen der Chippakete von etwa 50 ° C (122 ° F) aufrechterhalten werden. Systeme mit TCMS waren die 3081 Familie (1980), Es/3090 (1984) und einige Modelle der Es/9000 (1990).^[2] Im IBM 3081 -Prozessor erlaubten TCMs bis zu 2700 Watt auf einer einzelnen Druckschaltkarton, während die Chip -Temperatur bei 69 ° C (156 ° F) aufrechterhalten wurde.^[3] Thermische Leitungsmodule unter Verwendung von Wasserkühlung wurden auch in Mainframe -Systemen verwendet, die von anderen Unternehmen wie Mitsubishi und Fujitsu hergestellt wurden.

Das Cray-1 Supercomputer Das 1976 entworfene 1976 hatte ein unverwechselbares Kühlsystem. Die Maschine hatte nur 2.000 mm Höhe und 56+1⁄2 1.440 mm im Durchmesser und konsumierte bis zu 115 Kilowatt; Dies ist vergleichbar mit dem durchschnittlichen Stromverbrauch einiger Dutzend westlicher Häuser oder eines mittelgroßen Autos. Die in der Maschine verwendeten integrierten Schaltungen waren zu diesem Zeitpunkt am schnellsten verfügbar Emitter-gekoppelte Logik; Die Geschwindigkeit wurde jedoch im Vergleich zu später mit einem hohen Stromverbrauch begleitet CMOs Geräte.

Die Wärmeentfernung war kritisch. Kältemittel wurde durch Rohrleitungen in vertikalen Kühlstäben in zwölf Säulenabschnitten der Maschine zirkuliert. Jedes der 1662 gedruckten Schaltungsmodule der Maschine hatte einen Kupferkern und wurde an den Kühlstab geklemmt. Das System wurde entwickelt, um die Fälle von integrierten Schaltungen bei nicht mehr als 54 ° C (129 ° F) aufrechtzuerhalten, wobei Kältemittel bei 21 ° C (70 ° F) zirkuliert. Die endgültige Wärmeabstoßung erfolgte durch einen wassergekühlten Kondensator.^[4] Rohrleitungen, Wärmetauscher und Pumpen für das Kühlsystem wurden in einem gepolsterten Banksitz an der Außenseite der Basis des Computers angeordnet. Etwa 20 Prozent des Betriebs des Maschinens waren Kältemittel.^[5]

Im späteren Cray-2 hatte Seymour Cray mit seinen dicht gepackteren Modulen Schwierigkeiten, die Maschine mit der Metallleitungstechnik mit mechanischer Kühlung effektiv abzukühlen, so dass er auf das Abkühlen von Flüssigkeiten einschaltete. Diese Methode beinhaltete das Füllen des Chassis des Cray-2 mit einer Flüssigkeit genannt Fluorinert. Fluorinert ist, wie der Name schon sagt, eine inerte Flüssigkeit, die den Betrieb elektronischer Komponenten nicht beeinträchtigt. Wenn die Komponenten zur Betriebstemperatur kamen, würde sich die Wärme in das Fluorinert auflösen, das aus der Maschine zu einem gekühlten Wasserwärmeaustauscher gepumpt wurde.^[6]

Leistung pro Watt von modernen Systemen hat sich erheblich verbessert; Viele weitere Berechnungen können mit einem bestimmten Stromverbrauch durchgeführt werden, als mit den integrierten Schaltungen der 1980er und 1990er Jahre möglich war. Jüngste Supercomputerprojekte wie z. Blaues Gen Verlassen Sie sich auf die Luftkühlung, wodurch die Kosten, Komplexität und die Größe der Systeme im Vergleich zur Flüssigkühlung reduziert werden.

Luftkühlung

Fans

Lüfter werden verwendet, wenn die natürliche Konvektion nicht ausreicht, um den Wärme zu entfernen. Lüfter können an der Computerkoffer angepasst oder an CPUs, GPUs, Chipsätze gebunden, und an CPUs, Chipsätze, Energieversorgung Einheiten (PSUs), Festplatte, oder als Karten, die in einen Erweiterungssteckplatz angeschlossen sind. Zu den gängigen Lüftergrößen gehören 40, 60, 80, 92, 120 und 140 mm. 200, 230, 250 und 300 mm Fans werden manchmal in PC-Computern mit leistungsstarken Performance verwendet.

Aufführung von Fans im Chassis

Typische Lüfterkurven und Chassisimpedanzkurven

Ein Computer hat einen gewissen Widerstand gegen Luft, der durch das Chassis und die Komponenten fließt. Dies ist die Summe aller kleineren Hindernisse für den Luftstrom, wie z. Lüfter sind einfache Luftpumpen, die Druck auf die Luft der Einlassseite relativ zur Ausgangsseite ausüben. Diese Druckdifferenz bewegt die Luft durch das Chassis, wobei die Luft in Bereiche mit niedrigerem Druck fließt.

Lüfter haben im Allgemeinen zwei veröffentlichte Spezifikationen: freier Luftfluss und maximaler Differenzdruck. Der freie Luftstrom ist die Luftmenge, die ein Lüfter mit null Rückdruck bewegt. Der maximale Differenzdruck ist die Druckmenge, die ein Lüfter bei vollständig blockiertem Lüfter erzeugen kann. Zwischen diesen beiden Extremen befinden sich eine Reihe entsprechender Flussmessungen im Vergleich zu Druck, der normalerweise als Graphen dargestellt wird. Jedes Lüftermodell hat eine einzigartige Kurve, wie die gestrichelten Kurven in der angrenzenden Abbildung.^[7]

Parallele gegenüber der Serieninstallation

Lüfter können parallel zueinander, in Serie oder einer Kombination aus beiden installiert werden. Parallele Installation wären Fans, die nebeneinander montiert sind. Die Installation der Serie wäre ein zweiter Lüfter in Einklang mit einem anderen Lüfter wie einem Inlet -Lüfter und einem Abgasventilator. Um die Diskussion zu vereinfachen, wird angenommen, dass die Fans das gleiche Modell sind.

Parallel -Lüfter liefern den doppelten freien Luftstrom, aber keinen zusätzlichen Fahrdruck. Die Installation der Serie dagegen doppelt den verfügbaren statischen Druck, erhöht jedoch nicht die freie Luftströmungsrate. Die angrenzende Abbildung zeigt einen einzelnen Lüfter gegenüber zwei Lüfter parallel mit einem maximalen Druck von 3,8 mm Wasser und einer doppelten Durchflussrate von etwa 72 Kubikfuß pro Minute (2,0 m)³/Mindest).

Beachten Sie, dass sich der Luftstrom als Quadratwurzel des Drucks ändert. Daher erhöht die Verdoppelung des Drucks nur den Durchfluss 1.41 (√2) Zeiten, nicht doppelt so, wie es angenommen werden könnte. Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, dass der Druck um den Faktor vier ansteigen muss, um die Durchflussrate zu verdoppeln.

Um die Durchflussrate durch ein Chassis zu bestimmen, kann die Chassis -Impedanzkurve gemessen werden, indem ein willkürlicher Druck am Einlass des Chassis und Messung des Flusses durch das Gehäuse auferlegt wird. Dies erfordert ziemlich raffinierte Ausrüstung. Mit der Chassis -Impedanzkurve (dargestellt durch die festen roten und schwarzen Linien an der benachbarten Kurve) wird der tatsächliche Durchfluss durch das Chassis, das durch eine bestimmte Lüfterkonfiguration erzeugt wird, grafisch gezeigt, wo die Chassis -Impedanzkurve die Lüfterkurve überschreitet. Die Steigung der Chassisimpedanzkurve ist eine Quadratwurzelfunktion, bei der die Verdoppelung der Durchflussrate das vierfache Differenzdruck erforderte.

In diesem speziellen Beispiel lieferte das Hinzufügen eines zweiten Lüfters eine marginale Verbesserung, wobei der Fluss für beide Konfigurationen ungefähr 27–28 Kubikfuß pro Minute (0,76–0,79 m) betrug³/Mindest). Ein zweiter Serienlüfter würde zwar nicht auf der Handlung gezeigt, aber eine etwas bessere Leistung als die parallele Installation.

Temperatur gegen Flussrate

Die Gleichung für den erforderlichen Luftstrom durch ein Chassis ist

${\ displayStyle cfm = {\ frac {q} {cp \ times r \ times dt}}}$

wo

Cfm = Kubikfuss pro Minute (0,028 m3/min) q = übertragene Wärme (kW) CP = Spezifische Luftwärme r = Dichte DT = Temperaturänderung (in ° F)

Eine einfache konservative Faustregel für den Kühlflussanforderungen, die Auswirkungen von Auswirkungen wie Wärmeverlust durch die Chassis -Wände und laminar gegenüber turbulentem Fluss sowie die Auseinandersetzung mit den Konstanten für spezifische Wärme und Dichte auf dem Meeresspiegel ist:

$oder$

$oder$

Beispielsweise ein typisches Chassis mit 500 Watt Last, maximale Innentemperatur von 130 ° F in einer Umgebung von 100 ° F (54 ° C), d. H. Eine Differenz von 17 ° C):

${\ displayStyle cfm = {\ frac {3.16 \ times 500W} {(130-100)}} = 53}$

Dies wäre der tatsächliche Fluss durch das Chassis und nicht die freie Luftbewertung des Lüfters. Es sollte auch beachtet werden, dass "q", die übertragene Wärme, eine Funktion der Wärmeübertragungseffizienz einer CPU- oder GPU -Kühler zum Luftstrom ist.

Piezoelektrische Pumpe

Ein "Dual Piezo Cooling Jet", patentiert von Ge, verwendet Schwingungen, um Luft durch das Gerät zu pumpen. Das ursprüngliche Gerät ist drei Millimeter dick und besteht aus zwei Nickel Discs, die zu beiden Seiten mit einem Stück piezoelektrischer Keramik verbunden sind. Ein abwechselnder Strom durch die Keramikkomponente führt dazu, dass sie sich um bis zu 150 Mal pro Sekunde ausdehnt und zusammenzieht, sodass die Nickelscheiben wie ein Balg dienen. Die Ränder der Discs werden zusammengedrängt und heiße Luft angesaugt. Die Erweiterung bringt die Nickelscheiben zusammen und vertreibt die Luft mit hoher Geschwindigkeit.

Das Gerät hat keine Lager und benötigt keinen Motor. Es ist dünner und verbraucht weniger Energie als typische Ventilatoren. Der Jet kann die gleiche Menge Luft wie ein Kühlventilator doppelt so groß bewegen und gleichzeitig halb so viel Strom und zu geringeren Kosten verbrauchen.^[8]

Passive Kühlung

Mainboard von a NextCube Computer (1990) mit 32 -Bit -Mikroprozessor Motorola 68040 bei 25 betrieben MHz. Am unteren Rand des Bildes und links von der Mitte ist der Kühlkörper direkt auf der CPU montiert. Es gab keinen engagierten Fan für die CPU. Das einzige andere IC mit einem Kühlkörper ist das Ramdac (direkt von der CPU).

Passiv Bei der Kühlkühlung wird ein Block aus bearbeiteten oder extrudierten Metall an dem Teil angebracht, der abkühlt werden muss. Ein thermischer Klebstoff kann verwendet werden. Häufiger für eine PC -CPU hält eine Klemme den Kühlkörper direkt über dem Chip, wobei ein thermisches Fett oder ein thermisches Pad verteilt ist. Dieser Block hat Flossen und Grate, um seine Oberfläche zu erhöhen. Die Wärmeleitfähigkeit von Metall ist viel besser als die von Luft und strahlt die Wärme besser aus als die Komponente, die es schützt (normalerweise ein integrierter Schaltkreis oder eine CPU). Lüfter Aluminium-Kühlkörper waren ursprünglich die Norm für Desktop-Computer, aber heutzutage verfügen über viele Wärmekolben Kupferbasisplatten oder bestehen ausschließlich aus Kupfer.

Der Staubaufbau zwischen den Metallflossen eines Kühlkörpers reduziert allmählich die Effizienz, kann jedoch mit einem Gasanfall kontert werden, indem der Staub zusammen mit jedem anderen unerwünschten überschüssigen Material wegblasen.

Passive Kühlkörper finden sich häufig auf älteren CPUs, Teilen, die nicht sehr heiß werden (wie der Chipsatz) und Computer mit geringer Leistung.

Normalerweise ist ein Wärmekühlkörper am integrierten Wärmestrahl (IHS) angebracht, im Wesentlichen eine große, flache Platte, die an der CPU befestigt ist, wobei Leitungspaste dazwischen geschichtet ist. Dies löst sich auf oder verbreitet die Wärme lokal. Im Gegensatz zu einem Kühlkörper soll ein Spreizer die Wärme umverteilen, nicht um ihn zu entfernen. Zusätzlich schützt das IHS die fragile CPU.

Die passive Kühlung beinhaltet kein Lüftergeräusch als Konvektion Kräfte bewegen die Luft über den Kühlkörper.

Andere Techniken

Flüssigeintauchkühlung

Ein Computer, der in Mineralöl getaucht ist.

Ein weiterer wachsender Trend aufgrund der zunehmenden Wärmedichte von Computern, GPUs, FPGAs und ASICs besteht darin, den gesamten Computer einzutauchen oder Komponenten in einen auszuwählen thermisch, aber nicht elektrisch leitfähig Flüssigkeit. Obwohl selten für die Kühlung von Personalcomputern verwendet,^[9] Flüssiges Eintauchen ist eine routinemäßige Methode zum Abkühlen großer Stromverteilungskomponenten wie z. Transformer. Es wird auch in Rechenzentren beliebt.^[10][11] Persönliche Computer, die auf diese Weise abgekühlt sind Passiver Wärmeaustausch Zwischen der Computerhardware und dem Gehäuse wird sie platziert.^[11][12] Ein Wärmetauscher (d. H. Heizzentrum; Heizkernstück; Heizungsgehäuse oder Kühler) kann jedoch noch benötigt werden, und die Rohrleitungen müssen auch korrekt platziert werden.^[13]

Das verwendete Kühlmittel muss ausreichend niedrig sein elektrische Leitfähigkeit nicht den normalen Betrieb des Computers beeinträchtigen. Wenn die Flüssigkeit etwas elektrisch leitend ist, kann sie elektrische Shorts zwischen Komponenten oder Spuren verursachen und dauerhaft beschädigt werden.^[14] Aus diesen Gründen wird es vorgezogen, dass die Flüssigkeit ein Isolator ist (Dielektrikum) und nicht Strom leiten.

Zu diesem Zweck gibt es eine Vielzahl von Flüssigkeiten, einschließlich Transformatoröle, synthetische einphasige und dielektrische Kühlmittel mit zwei Phasen, wie z. 3m Fluorinert oder 3m novec. Nichtzwecköle, einschließlich Kochen, Motor und Silikonöle, wurden erfolgreich zum Abkühlen von PCs verwendet.

Einige Flüssigkeiten, die bei der Immersionskühlung verwendet werden, insbesondere Materialien auf Kohlenwasserstoffbasis wie Mineralölen, Speiseölen und organische Ester, können einige übliche Materialien abbauen, die in Computern wie Gummi verwendet werden. Polyvinylchlorid (PVC) und Wärmefetten. Daher ist es wichtig, die materielle Kompatibilität solcher Flüssigkeiten vor der Verwendung zu überprüfen. Insbesondere Mineralöl hatte negative Auswirkungen auf die Drahtisolierung auf PVC und Gummi.^[15] Es wurde berichtet, dass Wärmepasten zur Übertragung von Wärme in Kühlkörper von Prozessoren und Grafikkarten in einigen Flüssigkeiten auflösen, jedoch mit vernachlässigbarer Auswirkung auf die Abkühlung, es sei denn, die Komponenten wurden entfernt und in Luft betrieben.^[16]

Die Verdunstung, insbesondere für 2-Phasen-Kühlmittel, kann ein Problem darstellen.^[17] und die Flüssigkeit muss möglicherweise entweder regelmäßig nachgefüllt oder im Gehäuse des Computers versiegelt werden. Eintauchkühlung kann extrem niedrig ermöglichen Pue Werte von 1,05, VS Air Cooling 1,35 und ermöglichen bis zu 100 kW Rechenleistung (Wärmeabteilung, TDP) pro 19-Zoll-Rack, im Gegensatz zur Luftkühlung, die normalerweise bis zu 23 kW behandelt.^[18]

Abfallwärmereduzierung

Wenn leistungsstarke Computer mit vielen Funktionen nicht erforderlich sind, können weniger leistungsstarke Computer oder solche mit weniger Funktionen verwendet werden. Ab 2011^{[aktualisieren]} a ÜBER Epia Das Motherboard mit CPU löst typischerweise ungefähr 25 Watt Wärme auf, während ein fähigeres Pentium 4 -Motherboard und eine CPU typischerweise etwa 140 Watt löst. Computer können mit Strom versorgt werden Gleichstrom von einem äußeren Energieversorgung Einheit, die keine Wärme im Computergehäuse erzeugt. Der Ersatz von Kathodenstrahlröhre (CRT) Anzeigen durch effizientere Dünnbildschirm Flüssigkristallanzeige (LCD) Diejenigen im frühen 21. Jahrhundert haben den Stromverbrauch erheblich verringert.

Temperatur fällt

Passiver Kühlkörper auf einem Chipsatz

Aktiver Kühlkörper mit Lüfter- und Wärmerohren

Eine Komponente kann in gutem thermischem Kontakt mit einem Wärmekühlkörper, einem passiven Gerät mit großer thermischer Kapazität und einer großen Oberfläche relativ zu ihrem Volumen angepasst werden. Kühlkörper bestehen normalerweise aus einem Metall mit Hoch Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer,^[19] und Flossen einbeziehen, um die Oberfläche zu erhöhen. Die Wärme aus einer relativ kleinen Komponente wird auf den größeren Wärmekolben übertragen. Die Gleichgewichtstemperatur der Komponente plus Wärme ist viel niedriger als die der Komponenten allein. Die Wärme wird durch konvektive oder fächergezwungene Luftstrom vom Kühlkörper weggetragen. Lüfterkühlung wird häufig verwendet, um Prozessoren und Grafikkarten zu kühlen, die erhebliche Mengen an elektrischer Energie verbrauchen. In einem Computer kann eine typische Wärmegenerierkomponente mit einer flachen Oberfläche hergestellt werden. Ein Metallblock mit einer entsprechenden flachen Oberfläche und der Flockenkonstruktion, manchmal mit einem angebrachten Lüfter, wird an die Komponente geklemmt. Schlecht leitende Luftlücken aufgrund unvollkommen flacher und glatte Oberflächen, eine dünne Schicht von Wärmeleitpaste, a Thermalpad, oder thermischer Klebstoff kann zwischen Komponente und Kühlkörper platziert werden.

Wärme wird vom Kühlkörper durch entfernt Konvektionin gewissem Umfang von Strahlungund möglicherweise von Leitung Wenn sich der Kühlkörper im thermischen Kontakt mit beispielsweise dem Metallkoffer befindet. Preiswerte Fangekühlung Aluminium Kühlkörper werden häufig auf Standard -Desktop -Computern verwendet. Kühlkörper mit Kupfer Basisplatten oder aus Kupfer hergestellt, haben bessere thermische Eigenschaften als aus Aluminium. Ein Kupferwärmkühlkörper ist effektiver als eine Aluminiumeinheit derselben Größe, was in Bezug auf die in Hochleistungscomputer verwendeten Hochleistungskomponenten relevant ist.

Passive Kühlkörper sind häufig auf älteren CPUs, Teile vorhanden, die nicht viel Strom verbreiten (wie der Chipsatz), Computer mit Prozessoren mit geringer Leistung und Geräte, bei denen ein steiler Betrieb kritisch und Lüftergeräusche inakzeptabel ist.

Normalerweise wird ein Kühlkörper an den integrierten Wärmeverteiler (IHS) geklemmt, eine flache Metallplatte von der Größe des CPU -Pakets, die Teil der CPU -Baugruppe ist und die Wärme lokal ausbreitet. Eine dünne Schicht aus thermischer Verbindung wird zwischen ihnen platziert, um Oberflächenunfehlern zu kompensieren. Der Hauptzweck des Spreizers besteht darin, die Wärme umzuverteilen. Die Heizkühlflossen verbessern ihre Effizienz.

Mehrere Marken von DDR2-, DDR3-, DDR4- und DDR5 -DRAM -Speichermodulen werden mit einem fettlichen Kühlkörper an der oberen Kante des Moduls ausgestattet. Die gleiche Technik wird für Grafikkarten verwendet, die einen verkleideten passiven Kühlkörper auf der GPU verwenden.

Staub neigt dazu, sich in den Spalten der geflogenen Kühlkörper aufzubauen, insbesondere mit dem hohen Luftstrom, der von Lüfter hergestellt wird. Dies hält die Luft von der heißen Komponente fern und verringert die Kühlungseffektivität. Das Entfernen des Staubes stellt die Wirksamkeit wieder her.

Peltier (thermoelektrische) Kühlung

Regelmäßiger Peltier -Kühlungsaufbau für PCs

Peltier Junctions sind im Allgemeinen nur etwa 10-15% so effizient wie das Ideal Kühlschrank (Carnot -Zyklus), verglichen mit 40–60%, die durch herkömmliche Komprimierungszyklussysteme erreicht werden (umgekehrt Rankine Systeme mit Komprimierung/Expansion).^[20] Aufgrund dieser geringeren Effizienz wird die thermoelektrische Kühlung im Allgemeinen nur in Umgebungen verwendet, in denen der Festkörper die Natur ist (nein bewegliche Teile, geringer Wartung, kompakte Größe und Unempfindlichkeit) überwiegen die reine Effizienz.

Moderne TECs verwenden mehrere gestapelte Einheiten, die jeweils aus Dutzenden oder Hunderten von Thermoelementen bestehen, die nebeneinander angelegt sind, was eine beträchtliche Menge an ermöglicht Wärmeübertragung. Eine Kombination aus Wismut und Tellur wird am häufigsten für die Thermoelemente verwendet.

Als aktive Wärmepumpen, die Strom verbrauchen, können TECs Temperaturen unter Umgebungsumgebung erzeugen, die mit passiven Kühlkörpern, Kühlergekühlten unmöglich sind, unmöglich Flüssigkühlungund heatpipe hsfs. Während des Pumpens von Wärme verbraucht ein Peltier -Modul in der Regel mehr elektrische Leistung als die gepumpte Wärmemenge.

Es ist auch möglich, ein peltieres Element zusammen mit einem Hochdruckkältemittel (zwei Phasenkühlung) zu verwenden, um die CPU zu kühlen.^[21][22]

Flüssigkühlung

Eine All-in-One-Kühleinheit (AIO), die in einem Fall installiert ist

DIY -Wasserkühlungsaufbau mit einer 12 -V -Pumpe, CPU Wasserblock und die typische Anwendung von a T-line

Schema eines regulären Flüssigkühlungs -Setups für PCs

Die Flüssigkühlung ist eine hochwirksame Methode zum Entfernen von überschüssiger Wärme mit den häufigsten Wärmeübertragungsflüssigkeit In Desktop -PCs (destilliert) Wasser. Die Vorteile der Wasserkühlung Luftkühlung enthalten Wasser höher spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.

Das Prinzip, das in einem typischen (aktiven) Flüssigkühlsystem für Computer verwendet wird, ist identisch mit dem in einem Automobil verwendeten Verbrennungsmotor, wobei das Wasser von einer Wasserpumpe durch eine Wassersperre zirkuliert wird, die an der CPU montiert ist (und manchmal zusätzliche Komponenten als GPU und Northbridge)^[23] und zu einem Wärmetauscher, normalerweise a Kühler. Der Kühler wird selbst normalerweise zusätzlich durch a abgekühlt Fan.^[23] Neben einem Ventilator könnte es möglicherweise auch auf andere Weise abgekühlt werden, wie z. Seite des Peltier -Elements).^[24][25] Ein Kühlmittelreservoir ist häufig auch mit dem System verbunden.^[26]

Neben aktiven Flüssigkühlsystemen werden auch manchmal auch passive Flüssigkühlsysteme verwendet.^{[27][28][29][30][31]} Diese Systeme lassen häufig einen Lüfter oder eine Wasserpumpe aus, erhöhen ihre Zuverlässigkeit theoretisch und machen sie leiser als aktive Systeme. Nachteile dieser Systeme sind, dass sie die Wärme viel weniger effizient abwerfen und somit auch viel kühles - und damit ein viel größeres Kühlmittelreservoir haben - dem Kühlmittel mehr Zeit zum Abkühlen verleiht.

Flüssigkeiten ermöglichen die Übertragung von mehr Wärme von den Kühlteilen als Luft, wodurch die Flüssigkeitskühlung für Übertakten und leistungsstarke Computeranwendungen geeignet ist.^[32] Im Vergleich zur Luftkühlung wird auch die Flüssigkühlung durch die Umgebungstemperatur weniger beeinflusst.^[33] Der vergleichsweise niedrige Geräuschebene der Flüssigkeitskühlung ist im Vergleich zu dem der Luftkühlung günstig, was ziemlich laut werden kann.

Zu den Nachteilen der Flüssigkühlung zählen Komplexität und das Potenzial für ein Kühlmittel und Leck. Durchgesickertes Wasser (und alle Additive im Wasser) können elektronische Komponenten schädigen, mit denen es in Kontakt kommt, und die Notwendigkeit, Lecks zu testen und zu reparieren, sorgt für komplexere und weniger zuverlässige Installationen. (Der erste große Einstieg in den Bereich flüssiger gekaufter PCs für den allgemeinen Gebrauch, die High-End-Versionen von Apfel's Power Mac G5, wurde letztendlich durch eine Neigung zu Kühlmittellecks zum Scheitern verurteilt.^[34]) Ein luftgekühlter Kühlkörper ist im Allgemeinen viel einfacher zu bauen, zu installieren und zu warten als eine Wasserkühlungslösung.^[35] Obwohl auch CPU-spezifische Wasserkühlungskits gefunden werden können, kann dies genauso einfach wie Luftkühler zu installieren sein. Diese sind nicht auf CPUs beschränkt, und es ist ebenfalls möglich.^[36]

Während ursprünglich beschränkt auf Mainframe Computer, Flüssigkühlung ist zu einer Praxis geworden Übertakten in Form von entweder hergestellten All-in-One-Kits (AIO) oder Do-it-yourself-Setups, die aus einzeln gesammelten Teilen zusammengestellt wurden.^[37] Die letzten paar Jahre^[wenn?] haben eine Zunahme der Popularität der Flüssigkühlung in vormontierten, mittelschweren bis hohen Leistung und Desktop-Computern verzeichnet. Versiegelte ("geschlossene Schleifen") Systeme mit einem kleinen vorgefüllten Kühler, Lüfter und Wasserblock vereinfachen die Installation und Wartung der Wasserkühlung zu leichten Kosten bei der Kühlungseffektivität im Vergleich zu größeren und komplexeren Setups. Die Flüssigkühlung wird normalerweise mit der Luftkühlung kombiniert, wobei die Flüssigkeitskühlung für die heißesten Komponenten wie CPUs oder GPUs verwendet wird, während die einfachere und billigere Luftkühlung für weniger anspruchsvolle Komponenten beibehalten wird.

Das IBM Aquasar System verwendet Heißwasserkühlung Um Energieeffizienz zu erzielen, wird das Wasser auch zum Wärme von Gebäuden verwendet.^[38][39]

Seit 2011 hat die Wirksamkeit der Wasserkühlung zu einer Reihe von All-in-One-Wasserkühlungslösungen (AIO) geführt.^[40] AIO -Lösungen führen zu einer viel einfacheren Installationseinheit, und die meisten Einheiten wurden positiv von Überprüfungsseiten überprüft.

Rohre und Dampfkammern erwärmen

Eine Grafikkarte mit einem fächerlosen Heatpipe -Kühlerdesign

Ein Wärmerohr ist ein hohles Rohr, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthält. Die Flüssigkeit absorbiert Wärme und verdunstet an einem Ende des Rohrs. Der Dampf reist zum anderen (kühleren) Ende des Röhrchens, wo er kondensiert und seine aufgibt latente Hitze. Die Flüssigkeit kehrt durch Schwerkraft zum heißen Ende des Rohrs zurück oder Kapillarwirkung und wiederholt den Zyklus. Wärmerohre haben eine viel höhere effektive thermische Leitfähigkeit als feste Materialien. Für die Verwendung in Computern ist der Kühlkörper an der CPU an einem größeren Kühler -Kühlkörper befestigt. Beide Kühlkörper sind hohl, ebenso wie die Befestigung zwischen ihnen und erzeugt ein großes Wärmerohr, das Wärme von der CPU an den Kühler überträgt, der dann mit einer herkömmlichen Methode abgekühlt wird. Diese Methode wird normalerweise verwendet, wenn der Platz eng ist, wie bei kleinen Formfaktor-PCs und Laptops oder wenn kein Lüftergeräusch wie bei der Audioproduktion toleriert werden kann. Aufgrund der Effizienz dieser Kühlmethode verwenden viele Desktop-CPUs und GPUs sowie High-End-Chipsätze zusätzlich zu aktiven Lüfterkühlung und passiven Kühlkörpern Wärmerohre oder Dampfkammern, um innerhalb sicherer Betriebstemperaturen zu bleiben. Eine Dampfkammer arbeitet nach den gleichen Prinzipien wie ein Wärmerohr, nimmt jedoch die Form einer Platte oder einem Blatt anstelle eines Rohrs an. Wärmerohre können vertikal oben platziert werden und Teil von Dampfkammern sein. Dampfkammern können auch für High-End verwendet werden Smartphones.

Elektrostatische Luftbewegung und Korona -Entladungseffektkühlung

Die von Kronos und Thorn Micro Technologies entwickelte Kühltechnologie verwendet ein Gerät, das als ionische Windpumpe bezeichnet wird (auch als elektrostatischer Flüssigkeitsbeschleuniger bezeichnet). Das grundlegende Betriebsprinzip einer ionischen Windpumpe ist Korona -Entladung, eine elektrische Entladung in der Nähe eines geladenen Leiters, der durch die Ionisierung der umgebenden Luft verursacht wird.

Der von Kronos entwickelte Corona -Entladungskühler arbeitet auf folgende Weise: Ein hohes elektrisches Feld wird an der Spitze der Kathode erstellt, die auf einer Seite der CPU platziert ist. Das hohe Energiepotential führt dazu, dass die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Luft ionisiert (positiv geladen) werden und eine Korona (einen Heiligenschein von geladenen Partikeln) erzeugen. Durch das Platzieren einer geerdeten Anode am gegenüberliegenden Ende der CPU beschleunigt die geladenen Ionen in der Korona in Richtung der Anode und kollidiert mit neutralen Luftmolekülen auf dem Weg. Während dieser Kollisionen wird der Impuls vom ionisierten Gas auf die neutralen Luftmoleküle übertragen, was zur Bewegung von Gas in Richtung der Anode führt.

Die Vorteile des Corona-Basis-Kühlers sind das Fehlen beweglicher Teile, wodurch bestimmte Zuverlässigkeitsprobleme beseitigt und mit einem Rauschpegel nahe Null und einem moderaten Energieverbrauch betrieben werden.^[41]

Weiche Kühlung

Die weiche Kühlung ist die Praxis, Software zu nutzen, um es zu nutzen CPU -Stromspartechnologien So minimieren Sie den Energieverbrauch. Dies geschieht mit Verwendung Halt Anweisungen zum Ausschalten oder Einsetzen von Standby -Status -CPU -Unterabteilungen, die nicht verwendet werden oder von Untertaktung die CPU. Dies führt zwar zu niedrigeren Gesamtgeschwindigkeiten, kann dies sehr nützlich sein, wenn sie eine CPU zur Verbesserung übertaktet Benutzererfahrung Anstatt die Rohverarbeitungsleistung zu erhöhen, da dies die Notwendigkeit einer lauteren Kühlung verhindern kann. Im Gegensatz zu dem, was der Begriff darauf hindeutet, handelt es sich nicht um eine Form der Kühlung, sondern um die Verringerung der Wärmeerstellung.

Unterstreichen

Unterstreichen ist eine Praxis, die CPU oder eine andere Komponente mit Spannungen unterhalb der Gerätespezifikationen auszuführen. Eine unterbewertete Komponente zeichnet weniger Leistung und erzeugt somit weniger Wärme. Die Fähigkeit, dies zu tun, variiert je nach Hersteller, Produktlinien und sogar unterschiedlichen Produktionsläufen desselben Produkts (sowie der anderen Komponenten im System), aber Prozessoren werden häufig angegeben, um Spannungen zu verwenden, die höher als streng notwendig sind. Dies Toleranz stellt sicher, dass der Prozessor eine höhere Wahrscheinlichkeit hat, unter suboptimalen Bedingungen korrekt zu funktionieren, z. Unterhalb einer bestimmten Grenze funktioniert der Prozessor nicht korrekt, obwohl eine zu weit zu weit unterbezogene Untertreibung in der Regel nicht zu dauerhaften Hardwareschäden führt (im Gegensatz zu Überstörungen).

Untertiefung wird für verwendet Ruhige Systeme, da weniger Kühlung erforderlich ist, weil die Wärmeproduktion verringert wird und laute Fans weggelassen werden können. Es wird auch verwendet, wenn die Lebensdauer der Batterieladung maximiert werden muss.

Chipintegriert

Herkömmliche Kühltechniken befestigen ihre "Kühlkomponente" an der Außenseite des Computerchippakets. Diese "Bindungs" -Technik zeigt immer einen thermischen Widerstand und verringert ihre Wirksamkeit. Die Wärme kann effizienter und schneller sein, indem die lokalen Hotspots des Chips innerhalb des Pakets direkt abkühlen. An diesen Orten eine Stromversorgung von über 300 W/cm² (Die typische CPU beträgt weniger als 100 w/cm²) kann auftreten, obwohl zukünftige Systeme erwartet werden, dass sie 1000 W/cm überschreiten werden².^[42] Diese Form der lokalen Kühlung ist für die Entwicklung von Hochleistungsdichte -Chips unerlässlich. Diese Ideologie hat zu einer Untersuchung der Integration von Kühlelementen in den Computerchip geführt. Derzeit gibt es zwei Techniken: Micro-Kanal-Wärmeverbindungen und Kühlung von Jet-Impingement.

In Mikrokanal-Kühlkörper werden Kanäle in den Siliziumchip (CPU) hergestellt und Kühlmittel durch sie gepumpt. Die Kanäle sind mit einer sehr großen Oberfläche ausgelegt, was zu großen Wärmeübertragungen führt. Wärmeabteilung von 3000 W/cm² wurde mit dieser Technik gemeldet.^[43] Die Wärmeableitung kann weiter erhöht werden, wenn die Zweiphasenströmungskühlung angewendet wird. Leider erfordert das System aufgrund der kleinen Kanäle große Druckabfälle und die Wärmefluss ist niedriger mit dielektrischen Kühlmitteln, die bei der elektronischen Kühlung verwendet werden.

Eine weitere lokale Chipkühlungstechnik ist die Kühlung von Jet Impingement. In dieser Technik wird ein Kühlmittel durch eine kleine Öffnung geflossen, um einen Jet zu bilden. Der Strahl wird in Richtung der Oberfläche des CPU -Chips gerichtet und kann große Wärmeflüsse effektiv entfernen. Wärmeabteilung von über 1000 w/cm² wurde gemeldet.^[44] Das System kann im Vergleich zur Mikrokanalmethode mit niedrigerem Druck betrieben werden. Die Wärmeübertragung kann mit zwei Phasenflusskühlung und durch Integration von Rückflusskanälen (Hybrid zwischen Mikrokanalwärmwärme und Düsen-Impingement-Kühlung) weiter erhöht werden.

Phasenwechselkühlung

Die Phasenwechselkühlung ist eine äußerst effektive Möglichkeit, den Prozessor zu kühlen. Ein Phasenwechselkühler der Dampfkompression ist ein Gerät, das normalerweise unter dem PC sitzt und ein Röhrchen zum Prozessor führt. Innerhalb des Geräts befindet sich ein Kompressor des gleichen Typs wie in einem Klimaanlage. Der Kompressor komprimiert ein Gas (oder ein Gemisch von Gasen), das vom Verdampfer stammt (CPU -Kühler unten). Dann wird der sehr heiße Hochdruckdampf in den Kondensator (Wärmeableitungsvorrichtung) gedrückt, wo es von einem heißen Gas in eine Flüssigkeit kondensiert, die normalerweise am Ausgang des Kondensators unterkühlt ist, dann wird die Flüssigkeit an eine Ausdehnungsvorrichtung (Beschränkung in das System), um einen Druckabfall A zu verursachen, verdampft die Flüssigkeit (verursacht einen Druck, bei dem es bei der gewünschten Temperatur kochen kann); Das verwendete Erweiterungsgerät kann ein einfaches Kapillarrohr für ein aufwändigeres Wärmeausdehnungsventil sein. Die Flüssigkeit verdunstet (wechselnde Phase) und absorbiert die Wärme vom Prozessor, wenn sie zusätzliche Energie aus seiner Umgebung zeichnet, um diese Änderung zu berücksichtigen (siehe latente Hitze). Die Verdunstung kann Temperaturen erzeugen, die etwa –15 bis –150 ° C (5 bis –238 ° F) erreichen. Die Flüssigkeit fließt in den Verdampfer, der die CPU abkühlt, und verwandelt sich bei niedrigem Druck in einen Dampf. Am Ende des Verdampfers fließt dieses Gas zum Kompressor hinunter und der Zyklus beginnt wieder von vorne. Auf diese Weise kann der Prozessor auf Temperaturen im Bereich von –15 bis –150 ° C (5 bis –238 ° F) abgekühlt werden Kühlung) und das verwendete Gasgemisch. Diese Art von System leidet unter einer Reihe von Problemen (Kosten, Gewicht, Größe, Vibration, Wartung, Stromkosten, Rauschen, Bedarf an einem spezialisierten Computerturm), aber hauptsächlich muss man sich mit Taupunkt und der ordnungsgemäßen Isolierung befassen Alle unterbrochenen Oberflächen, die durchgeführt werden müssen (die Rohre schwitzen und tropfen Wasser auf empfindliche Elektronik).

Alternativ wird eine neue Rasse des Kühlsystems entwickelt, die eine Pumpe in die einfügt Thermosiphon Schleife. Dies fügt dem Konstrukteur einen weiteren Grad an Flexibilität hinzu, da die Wärme nun effektiv von der Wärmequelle entfernt und entweder zurückgefordert oder auf Umgebung abgeleitet wird. Die Übergangstemperatur kann durch Einstellen des Systemdrucks eingestellt werden. Ein höherer Druck entspricht höhere Flüssigkeitssättigungstemperaturen. Dies ermöglicht kleinere Kondensatoren, kleinere Lüfter und/oder die effektive Ablassung von Wärme in einer Umgebung mit hoher Umgebungstemperatur. Diese Systeme sind im Wesentlichen das Fluidkühlungsparadigma der nächsten Generation, da sie ungefähr 10-mal effizienter sind als einphasige Wasser. Da das System ein Dielektrikum als Wärmetransportmedium verwendet, verursachen Lecks keinen katastrophalen Fehler des elektrischen Systems.

Diese Art der Kühlung wird als extremere Möglichkeit für kühlende Komponenten angesehen, da die Einheiten im Vergleich zum durchschnittlichen Desktop relativ teuer sind. Sie erzeugen auch eine erhebliche Menge an Lärm, da sie im Wesentlichen Kühlschränke sind. Das Kompressorauswahl und das Luftkühlsystem sind jedoch die Hauptdeterminante dafür und ermöglichen die Flexibilität für die Rauschreduzierung basierend auf den gewählten Teilen.

Ein "Thermosiphon" bezieht sich traditionell auf ein geschlossenes System, das aus mehreren Rohren und/oder Kammern besteht, mit einer größeren Kammer mit einem kleinen Flüssigkeitsreservoir (häufig einen Siedepunkt direkt über der Umgebungstemperatur, jedoch nicht unbedingt). Die größere Kammer ist so nah an der Wärmequelle und so konzipiert, dass sie so viel Wärme in die Flüssigkeit wie möglich leitet, beispielsweise eine CPU -Kaltplatte mit der mit der Flüssigkeit gefüllten Kammer. Ein oder mehrere Rohre erstrecken sich nach oben in eine Art Kühler- oder ähnliche Wärmeableitungsfläche, und dies ist alles eingerichtet, dass die CPU das Reservoir und die Flüssigkeit erhitzt, die mit dem Kochen beginnt, und der Dampf in den Röhrchen steigt (s) in die Höhe Der Kühler-/Wärmeableitungsbereich und dann nach dem Kondenseln tropft wieder in das Reservoir oder läuft die Seiten des Rohrs hinunter. Dies erfordert keine beweglichen Teile und ähnelt einer Wärmepumpe etwas, außer dass Kapillarwirkung nicht verwendet wird, was sie in gewissem Sinne möglicherweise besser macht Spezifische Anwendungsfälle und der Fluss von Kühlmittel/Dampf können in einer viel größeren Vielfalt von Positionen und Entfernungen angeordnet werden und haben im Vergleich zu Wärmerohren, die durch die Menge des anwesenden Kühlmittels begrenzt sind, eine weitaus größere Wärmemasse und maximale Kapazität. Rate des Kühlmittels, die Kapillarwirkung mit dem verwendeten Dochte erreichen kann, oft gesintertes Kupferpulver an den Wänden des Röhrchens, die eine begrenzte Durchflussrate und Kapazität haben.)

Flüssigstickstoff

Flüssigstickstoff kann verwendet werden, um übertaktete Komponenten abzukühlen

Wie Flüssigstickstoff kocht bei –196 ° C (–320,8 ° F), weit unter dem Gefrierpunkt des Wassers, und ist als extremes Kühlmittel für kurze Übertaktungssitzungen wertvoll.

Bei einer typischen Installation der Flüssigstickstoffkühlung wird ein Kupfer- oder Aluminiumrohr über der Prozessor- oder Grafikkarte montiert. Nachdem das System gegen Kondensation stark isoliert wurde, wird der flüssige Stickstoff in das Rohr gegossen, was zu Temperaturen weit unter –100 ° C (–148 ° F) führt.

Verdunstungsgeräte, die von Ausschnitten des Kühlkörpers mit Rohren an benutzerdefinierten gemahlenen Kupferbehältern reichen, werden verwendet, um den Stickstoff zu halten und große Temperaturänderungen zu verhindern. Nach dem Verdampfen des Stickstoffs muss er jedoch nachgefüllt werden. Im Bereich der Personalcomputer wird diese Kühlmethode in anderen Kontexten als selten verwendet Übertakten Versuche mit Versuch und Aufzeichnungen, da die CPU normalerweise innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums aufgrund der Temperatur abläuft betonen verursacht durch Änderungen der Innentemperatur.

Obwohl flüssiger Stickstoff nicht flammbar ist, kann er kondensieren Sauerstoff direkt aus der Luft. Gemische von flüssiger Sauerstoff und brennbare Materialien können sein gefährlich explosiv.

Die Kühlung von flüssigem Stickstoff wird im Allgemeinen nur für das Verarbeitungsbenchmarking verwendet, da die kontinuierliche Verwendung einen oder mehrere Teile des Computers dauerhaft beschädigt und, wenn sie auf unachtsame Weise gehandhabt wird, dem Benutzer sogar schaden kann, was zu verursachen ist Erfrierung.

Flüssiges Helium

Flüssiges Helium, kälter als flüssiger Stickstoff, wurde auch zum Abkühlen verwendet. Flüssiges Helium kocht bei –269 ° C (–452,20 ° F) und die Temperaturen im Bereich von –230 bis –240 ° C (–382,0 bis –400,0 ° F) wurden aus dem Heizkörper gemessen.^[45] Flüssiges Helium ist jedoch teurer und schwieriger zu speichern und zu verwenden als flüssiger Stickstoff. Außerdem können extrem niedrige Temperaturen integrierte Schaltkreise beenden, um zu funktionieren. Siliziumbasierte Halbleiter werden beispielsweise bei etwa –233 ° C (–387,4 ° F) einfrieren.^[46]

Optimierung

Das Abkühlen kann durch verschiedene Techniken verbessert werden, die zusätzliche Kosten oder Aufwand beinhalten können. Diese Techniken werden häufig von denjenigen verwendet, die Teile ihres Computers (z.Übertakten), was die Wärmeerzeugung erhöht.

Die Installation mit höherer Leistung, Nicht-Spielerkühlung kann ebenfalls berücksichtigt werden Modding. Viele Overtrockler kaufen einfach effizientere und oft teurere Lüfter- und Kühlkombinationen, während andere auf exotischere Wege der Computerkühlung zurückgreifen, wie z.

Es gibt auch einige verwandte Praktiken, die sich positiv auf die Reduzierung der Systemtemperaturen auswirken:

Thermisch leitende Verbindungen

Oft als thermisches Grenzflächenmaterial (TIM) bezeichnet.^[47]

Die thermische Verbindung wird üblicherweise verwendet, um die thermische Leitfähigkeit der CPU, der GPU oder der Wärmeproduzierungskomponenten zum Wärmekühler zu verbessern. (Gegen den Uhrzeigersinn von oben links: Arktis MX-2, Arktis MX-4, TUNIQ TX-4, Antec Formel 7, Noctua nt-H1)

Perfekt flache Kontaktflächen in Kontakt bieten optimale Kühlung, aber perfekte Flachheit und Abwesenheit von mikroskopischen Luftlücken ist praktisch nicht möglich, insbesondere in Massenproduktion Ausrüstung. Ein sehr dünner Mager von Wärmeleitpaste, was viel thermisch leitender ist als Luft, wenn auch viel weniger als Metall, kann den thermischen Kontakt und die Abkühlung verbessern, indem sie die Luftlücken füllen. Wenn nur eine kleine Menge an Verbindung ausreicht, die ausreicht, um die Lücken zu schließen, wird die beste Temperaturreduktion erhalten.

Es gibt viele Debatten über die Verdienste von Verbindungen, und Übertakter betrachten einige Verbindungen oft als überlegen gegenüber anderen. Die Hauptüberlegung besteht darin, die minimale Menge an thermischer Verbindung zu verwenden, die erforderlich ist, um Oberflächen auszugleichen, da die thermische Leitfähigkeit der Verbindung typischerweise 1/3 bis 1/400 der von Metall beträgt, wenn auch viel besser als Luft. Die Leitfähigkeit der Heizkühlverbindung reicht von etwa 0,5 bis 80 W/mk^[48] (Siehe Artikel); Das von Aluminium beträgt ungefähr 200, das von Luft etwa 0,02. Hitzelöderte Pads werden auch verwendet, oft von Herstellern zum Kühlkörper ausgestattet. Sie sind weniger effektiv als ordnungsgemäß angelegte Wärmeverbindung, aber einfacher zu bewerben und können, wenn sie am Wärmekühlkörper befestigt sind, nicht von Benutzern weggelassen werden, die nicht wissen, wie wichtig ein guter thermischer Kontakt ist, oder durch eine dicke und ineffektive Verbindung ersetzt werden.

Im Gegensatz zu einigen hier diskutierten Techniken ist die Verwendung von Wärmeverbindungen oder Polsterung bei der Ablassung erheblicher Wärme nahezu universell.

Kühlkörpern Läsionen

Massenproduzierte CPU-Wärmeverteiler und Kühlkörperbasen sind niemals perfekt flach oder glatt. Wenn diese Oberflächen in den bestmöglichen Kontakt platziert werden, werden Luftlücken geliefert, die die Wärmeleitung verringern. Dies kann leicht durch die Verwendung einer thermischen Verbindung gemindert werden, aber für die bestmöglichen Ergebnisse müssen Oberflächen so flach wie möglich sein. Dies kann durch einen mühsamen Prozess erreicht werden Länen, die die CPU -Temperatur typischerweise um 2 ° C (4 ° F) reduzieren können.^[49]

Abgerundete Kabel

Die meisten älteren PCs verwenden flach Bandkabel zum Verbinden von Speicherfahrten (Ide oder Scsi). Diese großen flachen Kabel behindern den Luftstrom erheblich, indem sie Luftwiderstand und Turbulenzen verursachen. Overtrockler und Modder ersetzen diese häufig durch abgerundete Kabel, wobei die leitenden Drähte eng zusammengebunden sind, um die Oberfläche zu reduzieren. Theoretisch dienen die parallelen Stränge von Leitern in einem Bandkabel zur Reduzierung Übersprechen (Signaltransporter induzieren Signale in nahe gelegenen Leitern), aber es gibt keine empirischen Hinweise darauf, dass Rundkabel die Leistung verringern. Dies kann daran liegen, dass die Länge des Kabels kurz genug ist, so dass die Wirkung des Übersprechens vernachlässigbar ist. Probleme treten normalerweise auf, wenn das Kabel nicht ist elektromagnetisch geschützt und die Länge ist beträchtlich, ein häufigeres Auftreten bei älteren Netzwerkkabeln.

Diese Computerkabel können dann an das Chassis oder andere Kabel gebunden sein, um den Luftstrom weiter zu erhöhen.

Dies ist weniger ein Problem mit neuen Computern, die verwenden Serielle ATA Das hat ein viel schmaleres Kabel.

Luftzug

Je kälter das Kühlmedium (die Luft), desto effektiver das Kühlung. Die Kühllufttemperatur kann mit diesen Richtlinien verbessert werden:

• Versorgen Sie den heißen Komponenten so direkt wie möglich. Beispiele sind Luftschnöckchen und Tunnel, die die Außenluft direkt und ausschließlich zum CPU- oder GPU -Kühler ernähren. Zum Beispiel die BTX Case Design beschreibt einen CPU -Lufttunnel.
• Wärme Luft so direkt wie möglich auslegen. Beispiele sind: herkömmlicher PC (ATX) Stromversorgungen blasen die warme Luft auf der Rückseite des Gehäuses. Viele Dual-Slot Grafikkarte Entwürfe blasen die warme Luft durch die Abdeckung des angrenzenden Schlitzes. Es gibt auch einige Verbrauchermarkt Kühler, die das tun. Einige CPU -Kühlungsdesigns blasen die warme Luft direkt nach hinten im Gehäuse, wo sie von einem Falllüfter ausgeworfen werden kann.
• Luft, die bereits verwendet wurde, um eine Komponente zu kühlen, sollte nicht wiederverwendet werden, um eine andere Komponente zu entdecken (dies folgt aus den vorherigen Elementen). Das BTX -Fall -Design verstößt gegen diese Regel, da der Auspuff des CPU -Kühlers zum Abkühlen des Chipsatzes und häufig mit der Grafikkarte verwendet wird. Man kann auf alte oder Ultra-Low-Budget-ATX-Fälle stoßen, die eine PSU-Halterung im Oberteil enthalten. Die meisten modernen ATX -Fälle haben jedoch eine PSU -Halterung im Boden des Gehäuses mit einer gefilterten Luftauslagerung direkt unter dem PSU.
• Bevorzugen Sie die Kühlluft, vermeiden Sie das Einatmen der Abgaseluft (Außenluft über oder in der Nähe der Abgas). Beispielsweise würde ein CPU -Kühlluftkanal an der Rückseite eines Turmgehäuses warme Luft aus einem Grafikkartenabzug einatmen. Wenn Sie alle Auspuffanlagen auf eine Seite des Gehäuses bewegen, üblicherweise die Rückseite/Oberseite, hilft die Einlassluft.
• Kabel hinter dem Motherboard -Tablett verstecken oder einfach Ziptie auftragen und Kabel stecken, um einen ungehinderten Luftstrom bereitzustellen.

Weniger Lüfter, aber strategisch platziert, verbessert den Luftstrom intern innerhalb des PCs und senkt somit die Gesamt -Innentemperatur in Bezug auf Umgebungsbedingungen. Die Verwendung größerer Lüfter verbessert auch die Effizienz und senkt die Menge an Abwärme zusammen mit der Menge an Geräuschen, die von den Ventilatoren im Betrieb erzeugt werden.

Es besteht wenig Einigung über die Wirksamkeit verschiedener Konfigurationen für Lüfterplatzierungskonfigurationen, und es wurde nur wenig systematische Tests durchgeführt. Für einen rechteckigen PC (ATX) -Fall hat sich ein Lüfter vorne mit einem Lüfter hinten und eines oben als geeignete Konfiguration befunden. Die Kühlungsrichtlinien des AMD -Systems (etwas veraltet) Systeme stellt jedoch fest, dass "ein Frontkühlungslüfter nicht unerlässlich zu sein scheint. In einigen extremen Situationen zeigten die Tests in der Tat, dass diese Lüfter die Hot Air nicht rezirkulieren, anstatt kühle Luft einzuführen."^[50] Es kann sein, dass Lüfter in den Seitenpaneele einen ähnlichen schädlichen Effekt haben könnten - möglicherweise durch Störung des normalen Luftstroms durch den Fall. Dies ist jedoch nicht bestätigt und variiert wahrscheinlich mit der Konfiguration.

Luftdruck

1) Unterdruck 2) Überdruck

Loses ist, dass der Überdruck die Aufnahme in den Fall bedeutet, dass es aus dem Fall stärker ist als der Auspuff. Diese Konfiguration führt dazu, dass der Druck innerhalb des Falls höher ist als in ihrer Umgebung. Negativdruck bedeutet, dass der Abgase stärker ist als die Aufnahme. Dies führt dazu, dass der interne Luftdruck niedriger ist als in der Umwelt. Beide Konfigurationen haben Vorteile und Nachteile, wobei der positive Druck der beiden Konfigurationen beliebt ist. Der Unterdruck führt im Fall, das Luft durch Löcher und Lüftungsschlitze zieht, die von den Lüftern getrennt sind, da die inneren Gase versuchen, mit der Umwelt einen Gleichgewichtsdruck zu erreichen. Infolgedessen führt dies dazu, dass Staub an allen Standorten den Computer betritt. Der positive Druck in Kombination mit gefilterter Aufnahme löst dieses Problem, da Luft nur dazu neigt, durch diese Löcher und Lüftungsschlitze erschöpft zu werden, um ein Gleichgewicht mit seiner Umgebung zu erreichen. Staub kann dann den Fall nur durch die Einlassfans eingeben, die Staubfilter besitzen müssen.

Computertypen

Desktops

Illustration des Luftstroms der Kühlluft in einem Computergehäuse während der Computerkühlung

Desktop-Computer Verwenden Sie normalerweise einen oder mehrere Lüfter zum Abkühlen. Während fast alle Desktop-Stromversorgungen mindestens einen eingebauten Lüfter haben, sollten Netzteile niemals erhitzte Luft aus dem Fall ziehen, da dies zu höheren PSU-Betriebstemperaturen führt, die die Energieeffizienz, die Zuverlässigkeit und die Gesamtfähigkeit des PSU, eine konstante Bereitstellung Versorgung der internen Komponenten des Computers. Aus diesem Grund haben alle modernen ATX-Fälle (mit einigen Ausnahmen in Ultra-Low-Budget-Fällen) eine Stromversorgungsmontage im Boden, wobei eine dedizierte PSU-Luftaufnahme (häufig mit einem eigenen Filter) unter dem Montagortort ermöglicht wird, um die zu ermöglichen PSU zeichnen kühle Luft unter dem Gehäuse.

Die meisten Hersteller empfehlen, kühle, frische Luft in der unteren Vorderseite des Gehäuses und die anstrengende warme Luft von oben hinten zu bringen. Wenn die Lüfter dazu gebracht werden, Luft in den Fall effektiver zu zwingen als entfernt, wird der Druck innen höher als außen und als "positiver" Luftstrom bezeichnet (der entgegengesetzte Fall wird als "negativer" Luftstrom bezeichnet). Erwähnenswert ist, dass ein positiver Innendruck nur verhindert, dass sich ein Staub ansammelt, wenn die Luftaufnahme mit Staubfiltern ausgestattet ist.^[51] Ein Fall mit negativem Innendruck erleidet eine höhere Staubansammlung, selbst wenn die Aufnahme gefiltert wird, da der Unterdruck durch eine verfügbare Öffnung im Fall Staub einzieht

Der Luftstrom im typischen Desktop -Gehäuse ist normalerweise nicht stark genug für einen passiven CPU -Kühlkörper. Die meisten Desktop -Kühlkörper sind aktiv, einschließlich eines oder sogar mehrere direkt angeschlossene Lüfter oder Gebläse.

Server

Ein Server mit sieben Fans in der Mitte des Chassis, zwischen Laufwerken auf der rechten und dem Hauptmotherboard auf der linken Seite

Gene Ansicht von Serverkühler

Serverkühler

Jeder Server kann ein unabhängiges internes kühleres System haben. Serverkühlungslüfter in (1 U) Gehäuse befinden sich normalerweise in der Mitte des Gehäuses, zwischen den Festplatten vorne und passiver CPU -Kühlkörper hinten. Größere (höhere) Gehäuse haben auch Ableitungsventilatoren, und von ungefähr 4U können sie aktiven Kühlkörper haben. Netzteile haben im Allgemeinen ihre eigenen Rückgreiferlüfter.

Rack montierte Kühler

Rackschrank ist ein typisches Gehäuse für horizontal montierte Server. Luft in der Vorderseite des Gestells typischerweise Luft und hinten erschöpft. Jeder Schrank kann zusätzliche Kühloptionen haben. Zum Beispiel können sie eine haben Schließende gekoppelte Kühlung Anhangsmodul oder in Schrankelemente integriert (wie Kühltüren in Idataplex Server-Rack).

Eine andere Möglichkeit, eine große Anzahl von Systemen auf kleinem Raum zu berücksichtigen, besteht darin Klingen -Chassis, eher vertikal als horizontal ausgerichtet, um zu erleichtern Konvektion. Luft, die von den heißen Komponenten erhitzt wird, steigt tendenziell an und erzeugt einen natürlichen Luftstrom entlang der Bretter (Kamineffekt), kühlen sie. Einige Hersteller nutzen diesen Effekt.^[52][53]

Rechenzentrumskühlung

Da Daten Center In der Regel enthält eine große Anzahl von Computern und andere Stromversorgungsgeräte, sie riskieren eine Überhitzung von Geräten. umfangreich HVAC Systeme werden verwendet, um dies zu verhindern. Oft wird ein erhöhter Boden verwendet, damit der Bereich unter dem Boden als groß verwendet werden kann Plenum Für gekühlte Luft- und Stromverkabelung.

Direkte Kontaktflüssigkeitskühlung hat sich effizienter als Luftkühloptionen entwickelt, was zu geringeren Fußabdruck, geringeren Kapitalanforderungen und niedrigeren Betriebskosten als zu Luftkühlung führte. Es verwendet warme Flüssigkeit anstelle von Luft, um die Wärme von den heißesten Komponenten abzubauen. Die Energieeffizienzgewinne durch Flüssigkühlung treiben ebenfalls die Einführung.^[54][55]

Laptops

Laptops präsentieren eine schwierige mechanische Luftstromdesign, eine Stromversorgung und eine kühlende Herausforderung. Zu den Laptops spezifischen Einschränkungen gehören: Das Gerät als Ganzes muss so leicht wie möglich sein; Der Formfaktor muss um das Standard -Tastaturlayout basieren. Die Benutzer sind sehr nahe, daher muss das Geräusch auf ein Minimum gehalten werden, und die Außentemperatur muss niedrig genug gehalten werden, um auf einer Runde verwendet zu werden. Das Abkühlen wird im Allgemeinen erzwungene Luftkühlung verwendet, aber Wärmerohre, und die Verwendung des Metallkörs oder des Passivem Kühlkörper sind ebenfalls häufig. Lösungen zur Reduzierung der Wärme umfassen die Verwendung niedrigerer Stromverbrauchs ARM oder Intel Atom Prozessoren.

• 

  Die CPU- und GPU -Kühlverbindungen eines Laptop -Computers und Kupferwärmerohre übertragen Wärme auf eine heiße Luftlüfterluftluft

• 

  Die funktionierende Flüssigkeit in den Wärmespitzen überträgt die Wärme von der CPU und dem Videoverarbeitungsprozessor des Laptops auf den Flossenstapel. Die Wärme wird durch Methode der konvektiven Wärmeübertragung von einem Lüfter aus dem Flossenstapel abgeleitet. Dieser Flossenstapel stammt aus einem HP ZBook Mobiler Workstation Laptop.

• 

  Die Wärme wird von einem Laptop von einem Abgaszentrifugalventilator ausgestoßen.

Mobile Geräte

Mobile Geräte haben normalerweise keine diskreten Kühlsysteme, da mobile CPU- und GPU -Chips aufgrund der Einschränkungen des Akkus des Geräts für die maximale Leistungseffizienz ausgelegt sind. Einige höhere Leistungsgeräte können einen Wärmespreader umfassen, der die Übertragung von Wärme in den externen Fall eines Telefons oder Tablets hilft.

Siehe auch

• CPU -Leistungsdissipation
• Wärmekonstruktionskraft
• Wärmeverwaltung elektronischer Geräte und Systeme

Verweise

Externe Links

• CPU -kühlere Faustregeln
• Patentanmeldung eintauchen
• DIY -Tauchkühlung (Fischtank + Mineralöl) Gametrailers.com Forum - Videos [1]. [2], [3].
• "Microsofts neue Art, seine Rechenzentren abzukühlen: Wirf sie ins Meer.". Februar 2016.