Hűtési eljárások Készítette: Pál Viktor levelezős programtervező informatikus PAVNADT.SZE Manapság a számítógépek chipjeinek hőmérsékletét leginkább léghűtéssel hűtik, de emellett léteznek más elvre épülő megoldások is. Ezért most a különbözőféle chiphűtési megoldásokról lesz szó. A léghűtés aránylag egyszerűen működik. Ebben az esetben a melegedő alkatrész által termelt hőt a hőleadó felülethez képest nagy felületen kell elvezetni, ahonnan ezt végül a környezet veszi át. A működési elvből következik, hogy a processzor környezetének hőmérsékletének jóval alacsonyabbnak kell lenni ahhoz, hogy a hűtés hatékony legyen. Emiatt a léghűtéses chiphűtő nem teljesen önálló egység, csak része a számítógép teljes szellőzőrendszerének. Ez azt is jelenti, hogy ugyanaz a hűtő egy másik számítógépben máshogy teljesít. Mivel ennek a hűtőegységnek az előállításához nem nagyon van szükség bonyolult technológiára és speciális alapanyagokra, a gyártási költségek aránylag alacsonyak. A kevés alkatrész miatt a meghibásodás esélye elég kicsi, felszerelésük egyszerű és a fogyasztás elég alacsony. Van viszont egy nagy hátrány, ez a zaj. Még egy nagyon ügyesen megépített rendszernek is tartalmaznia kell legalább egy ventilátort, amennyiben léghűtéses technikára épül. Másik hátrány a működési elvből adódó viszonylag gyenge teljesítmény. A vízhűtés alapú rendszerek nem oszlatják el a felvett hőt a környező légtérbe, hanem elvezetik. Egy átlagos vízhűtő négy fő alkatrészből áll. A blokk, amit a melegedő egységre kell helyezni, és anyaga leginkább vörösréz és néha alumínium. Ezen kívül van még a pumpa, amely keringeti a vizet, a hőleadó egység (radiátor), amely a folyadék által szállított hőt adja le a környezetnek, és a csövek, amik a pumpa segítségével a blokkból szállítják a folyadékot a hőleadó egységbe. A folyamat a léghűtésnél nem sokkal bonyolultabb. A folyadék felveszi a hőt, amit a processzor továbbított blokknak és ezt továbbítja a radiátornak, ami leadja a hőt a környezetnek, és a lehűtött folyadék visszatér a pumpába, és onnét a blokkba. Mivel ezek a szerkezetek elég összetettek, minden elemük kihat a hatékonyságra. A blokknál nagyon fontos a talp vastagsága és a folyadék járatának alakja, hossza és keresztmetszete. A csöveknél fontos az átmérő, és a folyadékra gyakorolt ellenálláson is sok múlhat. A pumpánál fontos lehet, hogy halk legyen és érdemes annak teljesítményét a blokkhoz és a radiátorhoz igazítani. A kontinuitási egyenlet (I=q * v, ahol q az cső keresztmetszete, v a folyadék sebessége, I pedig az áramerősség) fényt vet arra, hogy hiába egy erős pumpa, ha túl kicsi a csőkeresztmetszet. A radiátor mérete sem elhanyagolható. Ha túl hosszú a járata, akkor a belső falának ellenállása lelassíthatja a folyadékáramlást, viszont ha rövid a járat, akkor a folyadék nem tud elég hőt leadni. A rendszer karbantartása végett nem tiszta vizet használnak ezekben a rendszerekben, hanem desztillált vizet különböző adalékokkal. E nélkül nem is igazán lehet biztonságos üzemeltetni ezeket a szerkezeteket. A vízhűtéses rendszerek teljesítménye bizonyos esetekben igencsak meghaladja a léghűtéses változatokét, és sokszor egy-egy alkatrész cseréjével is nagy teljesítménynövekedést lehet elérni. Fontos azonban az, hogy
következetesen kell megtervezni ezeket a rendszereket a nagy teljesítmény érdekében, mert sok olyan termék van a piacon aminek teljesítménye nem igazán különbözik a középkategóriás léghűtésekénél. A vízhűtések is rendelkeznek azzal a kellemetlen tulajdonsággal, hogy zajosak, bár vannak ventilátor nélküli passzív vízhűtések is, de ezek teljesítménye nem éri el a felsőkatagóriás léghűtők teljesítményét. Az is negatívum, hogy ezek a rendszerek dupla annyiba kerülnek, mint a megfelelő teljesítményű léghűtéses rendszerek. A Peltier-elemes hűtést (thermoelectric cooling)viszonylag ritkán használják a számítástechnikában, de egyébként nagyon elterjedt a használata (szerv- és vérszállítás, autós hűtők stb.). A technológia összetettsége miatt az informatikában való használata nem egyszerű. A szerkezet lényege, hogy az egyik oldala felmelegszik, a másik pedig lehűl (hőszivattyú). A meleg oldalról mindenképpen lég vagy vízhűtéssel kell elvezetni az ott keletkezett hőt. A léghűtés használata ebben az esetben elég drága és nem elég hatékony. A Peltier-elemek speciális félvezető anyagból készülnek, leggyakrabban bizmuttellridból (Bi2Te3), ezt gyakran ötvözik még szelénnel és antimonnal. Ezekből bonyolult eljárással meghatározott orientációjú, polikristályos, anizotóp termoelektrikus tulajdonságú p és n típusú cellák készülnek. A cellákat előre kialakított, vezető-fémezéssel ellátott (alumínium-oxid) kerámialapok közé forrasztják, amelyek kellő szilárdságot adnak az elemnek, jó hőszigetelők, mégis megfelelő a hővezetésük. Ha egyenáramot vezetünk keresztül a Peltier-elemen, akkor az elektronok az alcsony energiaszintű vezetési sávú, p típusú cellából csak akkor tudnak átlépni a magas energiaszntű vezetési sávval ellátott n típusú cellába, ha közben energiát vonnak el a környezetüktől, tehát hűtik a csatlakozási pontot. Ha elektromosan sorba, termikusan párhuzamos módon helyezünk el több ilyen cellapárt a kerámialapok közé, akkor az áramirány szerinti következő csatlakozásnál pont fordítva játszódik le a folyamat, tehát az elemek fűteni fogják a másik oldalt. A Peltier-elemek teljesítményének mérése: 1. Qmax: ez jelöli azt a hőmérsékletet, amit az elem maximálisan át tud pumpálni 2. d'tmax: ez a két oldal között elérhető maximális hőmérsékletkülönbséget jelzi 3. COP (coefficient of performance): teljesítmény együttható, ez mutatja meg a Peltier-elem hatásfokát, és a hideg oldalról elszállított hő mennyisége és a bevitt villamos teljesítmény hányadosaként lehet kiszámolni Peltier-elemekel a processzort tartósan a környezeti hőmérséklet alá csökkenthetjük, ami vízhűtéssel és léghűtéssel sem lenne lehetséges. Gyakran előfordul, hogy nem a Peltier-elemet szolgálja ki a vízhűtés, hanem fordítva, Peltier-elemeket használnak a vízhűtéses rendszerek hatásfokának javítására. Ez a megoldás nem éri el a Peltier-elemek hűtés hatásfokát, de kisebb teljesítményű Peltier-elem is elég, és az elem meghibásodása esetén sem szenved kárt a számítógép. A Peltier-elemek fogyasztása elég magas (gyakran a 100 Wattot is meghaladja), és önálló tápegységet is igényelnek. Emellett elég kényes is. Ha rögzítésnél megsérül, megégetheti a processzort, és a fagypont alatti hőmérsékletek miatt gondos szigetelésre is szükség van annak érdekében, hogy ne kerüljön víz a processzorra és az alaplapra.
A kompresszoros hűtés szintén nagyon ismert technológia, de a számítástechnikában nem igazán elterjedt főként, mert az általa nyújtott hűtési teljesítményre nincs szüksége az átlagfelhasználónak. A működési elve teljesen ugyanaz, mint a hűtőszekrényé, csupán a méret és néhány alkatrész különbözik. A kompresszor első fázisban összenyomja a gázt, ami ettől felmelegszik az egyesített gáztörvénynek megfelelően. Ezután a hőcserélőben (csőrendszer a hűtőszekrény hátulján) a gáz leadja a hőt, aminek hatására halmazállapot változáson megy keresztül, és cseppfolyóssá válik. A kapilláris (kellően vékony) csőhöz érve a nyomás emelkedik, a cső másik végén pedig alacsony nyomás uralkodik, mivel onnan a kompresszor folyamatosan szivattyúzza kifelé a gázt. Amikor a folyékony halmazállapotú a gáz átjut a kapilláris csövön, a hirtelen kis nyomás és nagy térfogat hatására légneművé alakul át, ami hőelvonással jár. A technnológia közel 100 év óta tartó használata miatt mondhatjuk, hogy az eljárás jól működik. Gyári kompresszoros processzorhűtésből nincs nagy választék, de a híresebb gyártók termékei (pl.: a Dán Asetek cég Vapochill nevű rendszerei) biztos garanciát jelentenek. A kompresszoros hűtők az eddíg említettek közül a leghatékonyabbak. Ezzel az eljárással egy átlagos CPU hőmérsékletét -30-40 fokra is csökkenthetjük, de emellet egy nagy teljesítményű erősen melegedő processzor (100 W fölötti hőleadással) is könnyen -10 és -20 fok között tartható. Ezzel a hűtési formával minden tartalék kihozható a processzorból. Mindemellett a hasonló fagypont alatti eljárásokkal (pl.: folyékony nitrogén, szárazjég) szemben ez technológia teljesen állandó felügyelet nélkül és megbízhatóan használható. A kompresszoros hűtők ára mondhatni nem éppen felhasználóbarát. Egy komplett kompresszoros számítógépház körülbelül 230 000 Forintba kerül. Házilag viszont nem érdemes próbálkozni, mert egy kisebb illesztési hiba is a processzorunk és alaplapunk halálát jelentheti. Az előző ismertetőkből látszik, hogy manapság két eljárásnak van helye az informatikában, ez a kettő a léghűtés és a vízhűtés. Ezek közül a vízhűtés a fejlesztések eredményének köszönhetően egyre egyszerűbb, biztonságosabb és hatékonyabb lesz, és így közelebb kerül az átlagfelhasználóhoz is.
Példa léghűtésre: Példa vízhűtésre:
Példa Peltier-elemes hűtésre: Példa kompresszoros hűtésre: