Home / Poradniki / Powietrzem czy cieczą – jak schłodzić nasz procesor

Powietrzem czy cieczą – jak schłodzić nasz procesor

Spośród dwóch dostępnych na rynku rodzajów systemów chłodzenia procesora – systemów powietrznych i systemów chłodzenia cieczą, te drugie są coraz bardziej popularne ze względu na ich lepszą wydajność w odprowadzaniu ciepła. Prawda jest taka, że nie ma istotnej różnicy w wydajności pomiędzy tymi dwoma rodzajami technologii chłodzenia. Wybór którejś z nich zależy przede wszystkim od potrzeb lub preferencji użytkownika. Poniżej przedstawiamy kilka przydatnych wskazówek dotyczących obu rodzajów systemów chłodzenia i różnic jakie występują pomiędzy nimi.

Technologia chłodzenia powietrzem jest stosunkowo prosta. Jej działanie polega na przenoszeniu ciepła zaabsorbowanego od spodu do radiatora, a następnie „wydmuchiwaniu” go za pomocą wentylatorów. Dlatego system chłodzenia powietrzem może być skuteczny tylko wtedy, gdy wyposażono go w dobrze absorbującą ciepło płytę bazową, wykonaną zwykle z czystej miedzi ze względu na jej optymalną absorpcję ciepła i wysoką przewodność cieplną.

Płyta bazowa w systemach chłodzenia powietrzem wykonana jest zazwyczaj z litego kawałka czystej miedzi, ale niektórzy producenci wykorzystują tu technologię Heat Pipe Direct Touch (HPDT), czyli bezpośredniego styku ciepłowodów, która była dość popularna w latach 2007-2012. Zgodnie z ówczesnymi zasadami konstruowania tego typu systemów chłodzenia powietrzem, powierzchnia styku pomiędzy płytą bazową a ciepłowodem nie była idealna ze względu na ograniczenia procesu produkcji, co powodowało pewien spadek wydajności w rozpraszaniu ciepła. Umożliwienie bezpośredniego kontaktu ciepłowodu z górną powierzchnią procesora może zmniejszyć tę stratę. Koncepcja ta była bardzo popularna w tamtym czasie i wielu producentów coolerów wprowadziło na rynek szereg produktów wykorzystujących podobne rozwiązania konstrukcyjne.

 

Jednak po pewnym czasie zaczęto zauważać istotne wad bezpośredniego kontaktu procesora z ciepłowodem. Sam ciepłowód został zaprojektowany tak, aby działała jak próżnia, a jej grubość rurki ciepłowodu jest ograniczona. Obecnie w tego typu konstrukcjach mamy do czynienia z dwoma kluczowymi problemami związanymi z budową ciepłowodów. Po pierwsze, ciepłowód musi być spłaszczony tak, aby przylegał do powierzchni procesora. Zabieg ten obniża jednak sztywność ciepłowodu i po dłuższym czasie może ona ulec deformacji, co prowadzi do słabego kontaktu pomiędzy procesorem a radiatorem i zmniejsza wydajność rozpraszania ciepła. Po drugie, powierzchnia każdego procesora jest inna, a lokalizacja źródeł ciepła w układach nie jest dokładnie taka sama. Niektóre modele procesorów o dużej powierzchni mogą być całkowicie przykryte przez podstawę, ale w przypadku mniejszych układów ciepłowód może nie stykać się ze źródłem ciepła. Problem ten nie istnieje w wypadku coolerów wyposażonych w płytki bazowe wykonane z czystej, litej miedzi. To dlatego większość dostępnych obecnie na rynku modeli coolerów średniej i wyższej klasy wykorzystuje na powrót płytki bazowe z czystej miedzi.

Po zakończeniu procesu absorpcji ciepła przez płytę bazową, energia cieplna jest przekazywana do żeberek radiatora za pośrednictwem ciepłowodów z czystej miedzi. Na wydajność rozpraszania ciepła ma w tym wypadku wiele czynników, takich jak sposób realizacji kontaktu między radiatorem a ciepłowodem, w tym transport ciepła poprzez żeberka, klamrę na żeberkach i czy zastosowano tu lutowanie rozpływowe. Powszechnie uważa się, że lutowanie rozpływowe jest najlepsze, ale czy w ten sposób rzeczywiście wykonano luty to, zależy od założonego poziomu jakości wykonania.

Następnym istotnym elementem jest konstrukcja systemu ciepłowodów. Grubość rurek i liczba użytych ciepłowodów to podstawowe elementy wpływające na przewodność cieplną. Ogólnie rzecz biorąc, w coolerach średniej klasy jest 6 ciepłowodów, a w zaawansowanych konstrukcjach od 7 do 8. Im więcej ciepłowodów, tym lepsze jest przewodnictwo cieplne. Przewodnictwo to, zależy też od wykorzystanej metody gięcia i rozmieszczenia ciepłowodów.

Ostatnim etapem procesu chłodzenia powietrzem jest odprowadzanie ciepła na zewnątrz coolera, przy czym wentylator odpowiada za odprowadzanie ciepła zgromadzonego na radiatorze. Wydajność wentylatora zależy od konstrukcji łopatek i prędkości obrotowej. Niektóre wentylatory są ciche, mają niską prędkość obrotową i charakteryzują się niewielkim ciśnienie tłoczonego powietrza. Inne kładą nacisk na generowane ciśnienie oraz na to, aby chłodzący strumień powietrza trafiał na żeberka radiatora od przodu, a w razie potrzeby, z tyłu można było dodać wentylator odsysający powietrze. Wentylator pomaga w odprowadzaniu ciepła z żeberek radiatora, obniżając w ten sposób temperaturę procesora.

Aby chłodzenie powietrzem było skuteczne, powierzchnia rozpraszania ciepła musi być duża. Z tego powodu wiele systemów chłodzenia powietrzem średniej i wyższej klasy przyjmuje formę dużej, pojedynczej wieży lub dwóch wież z 14-centymetrowymi wentylatorami. Wydaje się jednak, że systemy chłodzenia powietrzem osiągnęły już szczyt możliwości swojego rozwoju. Głównym powodem jest to, że powierzchnia radiatora jest ograniczona szerokością obudowy komputera, rozmiarami radiatora chłodzącego moduł PWM na płycie głównej, rozmiarami modułów pamięci i rozmiarami karty graficznej. Jak zatem zmaksymalizować wydajność w ograniczonej przestrzeni – to kierunek badań prowadzonych przez firmy zajmujące się systemami chłodzenia powietrzem.

 

MEG CORELIQUID S360

Systemy chłodzenia cieczą, nazywane również systemami chłodzenia cieczą All-in-One (AiO) lub systemami chłodzenia wodą, wypełnione są specjalnym płynem chłodzącym. Zasada działania mechanizmu chłodzenia cieczą nie różni się zbytnio od zasady działania chłodzenia powietrzem. Ciepło generowane przez procesor jest przenoszone z górnej pokrywy układu do wnętrza głowicy bloku wodnego poprzez miedzianą płytę bazową i rurki wodne.

Ciecz chłodząca przekazuje ciepło odebrane z procesora do oddalonego, zamontowanego z przodu, tyłu lub u góry obudowy, radiatora za pośrednictwem przewodów wodnych. Następnie wentylator „wydmuchuje” ciepło z radiatora na zewnątrz komputera. Największą zaletą systemów chłodzenia wodą jest to, że ciecz ma znacznie większą pojemność cieplną. Dzięki dużej powierzchni rozpraszania można zaś osiągnąć znaczne lepsze odprowadzanie ciepła niż w przypadku systemów chłodzenia powietrzem.

 

Ogólnie rzecz biorąc, przewodność cieplna ciekłego czynnika chłodzącego jest około 4 razy większa niż powietrza, a przepływ chłodziwa pozwala na szybki transport ciepła. Problem związany z powierzchnią rozpraszania ciepła w systemach chłodzenia powietrzem został opisany powyżej. Przy zastosowaniu chłodzenia wodą z radiatorami o rozmiarach 240, 280 i 360 mm, powierzchnia, którą można wykorzystać do wymiany ciepła, jest znacznie większa niż w przypadku standardowych coolerów powietrznych. Ponadto radiatory nie są ograniczone przestrzenią, w której można je zamontować, a więc efekt rozpraszania ciepła jest znacznie lepszy. Oczywiście, jeśli system chłodzenia wodą wyposażony jest w 120-milimetrowy radiator, jego wydajność nie będzie tak dobra, jak wydajność średniej klasy coolera.

Jak wspomniano powyżej, systemy chłodzenia powietrzem i cieczą mają swoje wady i zalety. Mocną stroną coolerów jest ich trwałość. Mogą one pracować przez bardzo długi okres czasu. Jednak ich wadą jest duża przestrzeń, którą zajmują, potencjalnie blokując sloty pamięci, a także utrudniając demontaż karty graficznej i napędów M.2. Również wydajność rozpraszania ciepła nie jest tak dobra, jak w przypadku chłodzenia cieczą. Co do systemów chłodzenia wodą, to możesz się zastanawiać, jaki ich rodzaj jest lepszy: AIO czy niestandardowy system chłodzenia cieczą? W rzeczywistości, oba te rozwiązania mimo, że do chłodzenia wykorzystują ciecz, to są przeznaczone dla innych grup odbiorców i stosowane są do różnych celów. Przyjrzyjmy się różnicom pomiędzy nimi.

 

Jak zaznaczono wcześniej, zasada działania systemu chłodzenia cieczą polega na wykorzystaniu do odprowadzaniu ciepła przepływu ciekłego czynnika chłodzącego. Ze względu na większą pojemność cieplną chłodziwa, tak długo, jak płynny czynnik chłodzący można schłodzić w odpowiednim czasie, może ono zapewnić doskonałą wydajność rozpraszania ciepła. Jeśli chodzi o zasadę działania systemów AIO i niestandardowych, autorskich rozwiązań chłodzenia wodą, zasada ich pracy jest taka sama, a główną różnicą jest architektura i zastosowane wyposażenie dodatkowe.

 

Chłodzenie powietrzem powraca dzięki ciepłowodom

Opinia, że chłodzenie cieczą całkowicie zastąpi chłodzenie powietrzem, pojawia się od wielu lat. Ze względu na rosnącą wydajność i liczbę rdzeni procesorów, coolerom coraz trudniej jest schłodzić coraz to potężniejsze układy. Wcześniejsza strategia, która polegała na stosowaniu do budowy radiatorów czystej miedzi przestała się sprawdzać. Wiadomo, że przewodność cieplna miedzi jest o wiele lepsza niż aluminium, ale miedź jest też znacznie cięższa, co sprawia z kolei szereg problemów konstrukcyjnych.

Jednak, gdy udoskonalono technologię ciepłowodów, wydajność systemów chłodzenia powietrzem znacznie się poprawiła. Zasada działania ciepłowodu polega na tym, że ciekły czynnik chłodzący na końcu grzewczym odparowuje, gdy jest podgrzewany, i przechodzi w postaci pary do końca kondensacyjnego. Po schłodzeniu wraca do postaci ciekłej i przepływa z powrotem do części grzewczej, gdzie cykl się powtarza. Wydajność ciepłowodów jest tak wysoka, że większość dostępnych na rynku coolerów wykorzystuje je. Co więcej, wydajność rozpraszania ciepła jest związana (ale nie bezwzględnie) z liczbą zastosowanych ciepłowodów.

 

W czasach, gdy najbardziej rozpowszechnione są procesory 4-rdzeniowe, a częstotliwość pracy nie przekracza zazwyczaj 3GHz, zaś podkręcanie nie ma nic wspólnego z ekstremalnym overclockingiem, pobór mocy i ilość wydzielanego ciepła nie są zbyt wysokie. To dlatego systemy chłodzenia powietrzem z technologią ciepłowodów radzą sobie doskonale, a wiodący segment rynku nie dostrzegł jeszcze zalet systemów chłodzenia cieczą. Jednak w ostatnich latach, gdy wymagania dotyczące wydajności, liczba rdzeni procesora i częstotliwości pracy zaczęły rosnąć, systemy chłodzenia cieczą stają się coraz bardziej doceniane.

 

Niestandardowe, autorskie systemy chłodzenia wodą

Po omówieniu rozwoju rynku i zmian technologicznych dotyczących systemów chłodzenia powietrzem i systemów chłodzenia cieczą, wróćmy do tematu AIO i systemów chłodzenia z otwartym obiegiem cieczy chłodzącej. Otwarte systemy chłodzenia cieczą, jak sama nazwa wskazuje, mają rozdzielone i niezależne części pętli obwodu chłodzenia i elementy chłodzące i odprowadzające ciepło, a użytkownicy muszą samodzielnie złożyć system chłodzenia w jedną całość. Najważniejsze komponenty takiego systemu to: blok wodny, zbiornik wyrównawczy, pompa, radiator nazywany też chłodnicą, wentylatory, złączki, rurki i płyn chłodzący. Należy pamiętać, że niektóre zbiorniki i pompy wodne są ze sobą połączone. Systemy chłodzenia wodą różnych marek z otwartym obiegiem cieczy sprzedawane są zazwyczaj jako kompletne zestawy do samodzielnej instalacji. Oczywiście, użytkownicy mogą też samodzielnie dobierać elementy i montować je zgodnie z własną inwencją. Oprócz zbiornika, pompy, bloku wodnego i chłodnicy należy zakupić wówczas zawór wodny, głowicę przyłączeniową, przepływomierz wody, głowicę przedłużającą, zawór wylotowy, zawór spustowy i termometr.

Po złożeniu i zamontowaniu w komputerze systemu chłodzenia cieczą należy pomyśleć jeszcze o uchwytach na rurki wodne i inne akcesoria tak, aby zapobiec ich wypadaniu i pojawianiu się przecieków. Przed użyciem, układ chłodzenia cieczą należy napełnić płynem chłodzącym. Trzeba go także odpowietrzyć i przeprowadzić kontrolę jego działania. Wyciek chłodziwa z systemu chłodzenia wodą podczas pracy komputera może spowodować uszkodzenie płyty głównej , karta graficznej, a nawet napędów M.2.

 

Elastyczne i sztywne rurki wodne

 

W systemach chłodzenia cieczą z otwartym obiegiem wykorzystuje się dwa rodzaje rurek: elastyczne i sztywne. Rurki elastyczne wykonane są zwykle z polichlorku winylu, poliuretanu lub innego, miękkiego plastiku. Ich zaletą jest to, że rurki te są dużo bardziej elastyczne i podatne na zginanie. Sztywne rurki to zwyczaj takie tworzywa, jak: PETG, akryl lub inny twardy materiał. Rurki sztywne wymagają więc wcześniejszego zaplanowania ich układu oraz zakupu odpowiednich narożników. Rurki twarde charakteryzują się o wiele ładniejszym wyglądem, a także można je znacznie lepiej dopasować do różnych akcesoriów, takich jak przepływomierze czy zbiorniki wody. Instalacja jest jednak dużo bardziej kłopotliwa w montażu i zazwyczaj wykonywana jest przez profesjonalne firmy. Rurki miękkie są dużo łatwiejsze w użyciu, a zatem większość użytkowników może je bez problemu samodzielnie zainstalować.

 

Systemy chłodzenia cieczą typu All-in-One

Po przedstawieniu systemów chłodzenia cieczą z otwartym obiegiem, przyjrzyjmy się chłodzeniu AIO. Około 2011 roku na rynku zaczęła pojawiać się pierwsza generacja systemów chłodzenia cieczą typu All-in-One (AIO). Modułowa konstrukcja głowicy bloku i chłodnicy upraszcza proces instalacji. Po ponad dziesięciu latach rozwoju, dzisiejsze systemy chłodzenia cieczą AIO stały się dojrzałe, a rozwiązanie ze zintegrowaną pompą wodną jest podstawowym typem konstrukcji. Użytkownicy muszą jedynie zainstalować wentylator na chłodnicy, a następnie przykręcić ją do obudowy komputera. Największą zaletą chłodzenia cieczą AIO jest to, że jest ono łatwe w instalacji i nie wymaga skomplikowanych narzędzi i dużych umiejętności.

W systemach chłodzenia wodą AIO wykorzystuje się dwa popularne rozwiązania dotyczące pompy wodnej. W pierwszym z nich, tak jak w modelu MAG CORELIQUID C360/P360, pompa chłodzenia wodnego zamontowana jest na kanale wodnym radiatora i umieszczana w jego wnętrzu. W mniejszym lub większym stopniu wpływa to na przestrzeń i wydajność odprowadzania ciepła, ale taka konstrukcja pozwala utrzymać wibracje podczas pracy z dala od głowicy bloku wodnego, zmniejszając tym samym prawdopodobieństwo wycieku cieczy chłodzącej i umożliwiając tym samym zmniejszenie grubości bloku głowicy.


Innym rozwiązaniem stosowanym w systemach AIO jest zintegrowanie pompy wodnej z głowicą bloku wodnego. Systemy chłodzenia produkowane przez firmę Asetek mają właśnie taką konstrukcję. Ponieważ pompa nie jest tu wbudowana w chłodnicę, można zmaksymalizować przestrzeń odprowadzania ciepła i zapewnić lepszy efekt chłodzenia.

Ponadto, aby zapewnić większą funkcjonalność, nowa generacja systemów chłodzenia cieczą wyposażona jest w podświetlenie ARGB, które oferuje unikatowe efekty świetlne. Innym, często stosowanym usprawnieniem jest montaż ekranu LCD, na którym mogą być wyświetlane parametry pracy komputera lub wybrane przez użytkownika filmy bądź animacje.

Przykładem takiego systemu jest przedstawiony na zdjęciu powyżej MEG CORELIQUID S360. Blok wodny wyposażony jest w 2,4-calowy wyświetlacz IPS, na którym można wyświetlać takie informacje jak częstotliwość pracy procesora, temperaturę i odtwarzać animowane GIF-y. Ponadto blok wodny jest wyposażony w 6-centymetrowy wentylator, który może odprowadzać nadmiar ciepła z radiatora zamontowanego w obszarze zasilacza PWM i pomóc w schłodzeniu płyty głównej.

 

Podsumowanie

Zaletą układów chłodzenia wodą z otwartą pętlą jest to, że droga cieczy chłodzącej w systemie jest długa, co oznacza większą ilość ciekłego czynnika chłodzącego i lepszą wydajność odprowadzania ciepła. Średnica rurek może tu wynosić nawet 14 mm lub więcej. Dzięki szybkiej pompie, ciepło może być szybko odprowadzane z procesora. Niektóre bloki wodne można dostosować do własnych potrzeb.

Na przykład, płyta główna MPG Z690 CARBON EK X, przedstawiona na zdjęciu powyżej, ma ponadwymiarową płytę rozprowadzającą, która pomaga rozprowadzić ciepło za pomocą chłodziwa. Ze względu na rozmiary systemów AIO, mniejszej wydajności pompy, mniejszej pojemności cieczy chłodzącej i mniejszego systemu cyrkulacji, wydajność urządzeń AIO nie jest tak wysoka, jak w przypadku systemów z otwartą pętlą chłodzenia.

Mocną stroną systemów chłodzenia cieczą AIO jest wygoda. Można go używać pod warunkiem, że wentylator jest przymocowany za pomocą śrubek, a płyta główna jest przymocowana za pomocą uchwytu. Co najwyżej konieczne jest podłączenie kilku wentylatorów i kabli ARGB. Mimo że wydajność nie jest porównywalna z wydajnością układów pracujących w otwartej pętli, to i tak jest ona bardziej niż wystarczająca w porównaniu z większością systemów chłodzenia powietrzem.

 

Poradnik powstał z wykorzystaniem produktów marki MSI ale nie oznacza to, że jesteśmy zmuszeni do ich wykorzystania w naszym komputerze.

 

O użytkowniku Grzegorz Szałas

Entuzjasta nowych technologii i założyciel portalu Tech Dice. Poza technologią uwielbiam dobry film, dawkę muzyki oraz aktywności na świeżym powietrzu.