آشنایی با سیستم های خنک کننده مایع

همه‌ی خنک‌کننده‌‌های حلقه‌ی بسته‌ی مایع (Closed Loop Liquid Cooling) که به اختصار CLC نامیده می‌شوند، دارای یک پمپ برای گردش مایع از سطح داغ پردازنده به رادیاتور هستند. پس از انتقال آب به رادیاتور، خنک‌ سازی به‌وسیله‌ی جریان هوای ایجادشده از فن‌های پشت رادیاتور انجام می‌شود. اگرچه خنک‌کننده‌های مایع از طراحی یکسانی استفاده نمی‌کنند؛ اما مبنای همه‌ی آن‌ها استفاده از آب (به دلیل ظرفیت گرمایی بالای آن) برای جذب «افزایش حرارت ناگهانی حرارت» از سطح گرما (مکان اتصال خنک‌کننده به پردازنده) است.

شرکت‌های تولیدکننده‌ی سیستم‌های خنک‌کننده‌‌ی مایع به دو دسته تقسیم می‌شوند؛ دسته‌ی اول شرکت‌هایی مانند Asetek ،CoolIT ،Dynatron و Apaltek هستند که قطعاتی شامل پمپ، شلنگ، رادیاتور و مایع خنک‌کننده‌ را به شرکت‌های تولیدکننده ارائه می‌دهند و دسته‌ی دوم، تولیدکننده‌های پکیج کامل خنک‌کننده‌‌ی مایع مانند شرکت‌های شناخته‌شده‌ی DeepCool ،Thermaltake ،EVGA ،Corsair و NZXT هستند.

Asetek یکی از بزرگ ترین تأمین‌کننده‌های قطعات سیستم‌های خنک‌کننده‌‌ی مایع است که از قطعات آن در محصولات شرکت NZXT در سری کراکن (Kraken)، مدل‌های H100iV2 و H115i شرکت Corsair، محصولات شرکت Thermaltake ،Antec ،EVGA و سری جدید سلسیوس (Celsius) شرکت Fractal استفاده شده است. پس از Asetek، که بیش از نیمی از سهم بازار تأمین قطعات سیستم‌های خنک‌کننده‌ را در اختیار دارد، شرکت‌هایCoolIT (که تأمین‌کننده‌ی نیمی از محصولات Corsair است) و تأمین‌کننده‌های کوچکی مانند Dynatron و Apaltek برای به دست آوردن بقیه‌ی سهم بازار در رقابت هستند.

در جدول زیر برخی از شرکت‌های سازنده خنک‌کننده‌‌های مایع همراه با تأمین‌کننده‌های آن‌ها آمده است.

برای فهم کامل سیستم داخلی، خنک‌کننده‌ مایع Kraken X42 ساخت شرکت NZXT را بررسی می‌کنیم.

دما در هسته‌ی CPU از طریق «لایه انتقال‌دهنده حرارت (TIM)» و «لایه‌ی نازک لحیم‌شده به بدنه پردازنده»، به پوسته‌ی پردازنده (IHS) انتقال داده می‌شود. این گرما سپس از طریق مواد انتقال‌دهنده‌ی حرارت از بدنه پردازنده به خنک‌کننده‌ منتقل می‌شود.

ماده انتقال‌دهنده‌ی حرارت بین سطح پوسته‌ی پردازنده و خنک‌کننده‌، باعث می‌شود که گپ‌های هوایی میکروسکوپی روی سطح پوسته‌ی پردازنده و خنک‌کننده‌ گرفته شود. در غیر این صورت، ضریب انتقال حرارت از پردازنده به خنک‌کننده‌ بسیار کاهش پیدا می‌کند. نمونه‌های قدیمی‌تر خنک‌کننده‌ها دارای سطحی خشن بودند؛ اما در حال حاضر با بهینه‌سازی در طراحی، روند تولید و ریخته‌گری، خنک‌کننده‌‌ها با سطحی صیقلی‌تر تولید می‌شود.

در گذشته برخی از تولیدکننده‌ها، داخل سطح خنک‌کننده‌ یک فرورفتگی (به‌قرینه‌ی شکل سطح پردازنده) ایجاد می‌کردند تا سطح اتصال خنک‌کننده و پردازنده افزایش پیدا کند؛ اما ازآنجایی که پیچیدگی تولید چنین سطوحی بسیار بالا است و هزینه‌ی ناشی از آن ارزش افزایش اندک انتقال حرارت را ندارد، بیشتر خنک‌کننده‌‌های مایع امروزی سطحی کاملا تخت دارند.

پشت سطح انتقال‌دهنده‌ی حرارت، لبه‌های شیارداری از جنس مس وجود دارد. وجود این شیارها باعث می‌شود سطح تماس با مایعِ درحال جریان، چندین برابر افزایش پیدا کند و درنتیجه انتقال حرارت با سرعت بالاتری انجام بگیرد. حجم و تراکم این لبه‌ها به سرعت پمپ و طراحی رادیاتور بستگی دارد. 

همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، برخی از خنک‌کننده‌‌ها از یک واشر لاستیکی بین سطح خنک‌کننده‌ و محل حرکت مایع استفاده می‌کنند. این تکنیک که به «جریان دوگانه» شهرت دارد باعث می‌شود تا مایع بتواند در همه‌ی قسمت‌های سطح خنک‌کننده‌ جریان داشته باشد و تمام نقاط یک‌سان خنک شوند. درمقابل جریان دوگانه، سیستم انتقال مایع غیر بهینه‌ی «جریان مستقیم» قرار دارد که همچنان می‌توان آن را در بسیاری از خنک‌کننده‌ها یافت.

حرکت مایع درون خنک‌کننده با استفاده از یک پروانه‌ی دوار صورت می‌گیرد. خنک‌کننده‌های جدید Corsair، NZXT و EVGA همگی از پروانه‌های ۸ قطبی استفاده می‌کنند. ازآنجایی که اکثر بایوس‌ها برای اندازه‌گیری سرعت پروانه‌های ۴ قطبی برنامه‌ریزی شده‌اند؛ درصورت استفاده از سیستم خنک‌کننده با پروانه‌ی ۸ قطبی، سرعت نشان داده‌شده (بر حسب RPM) در بایوس سیستم نادرست خواهد بود. البته برخی مادربرد‌های جدید از هدرهای مخصوصی با عنوان «AIO Header» یا «pump Header» استفاده می‌کنند که در صورت استفاده از آن‌ها، محاسبات اندازه گیری سرعت پمپ متناسب با قطب‌های موتور اصلاح می‌شود.

حداکثر سرعت چرخش پمپ‌های بهترین خنک‌کننده‌های مایع ۱۲ ولتی، بین ۲۸۰۰ تا ۳۰۰۰ دور بر دقیقه است. برخی از تأمین‌کننده‌ها برای کاهش سر و صدای پمپ در این سرعت از یک لایه فوم بین موتور پمپ و پوسته خارجی استفاده کرده‌اند. همان‌طور که در تصاویر مشاهده می‌کنید، در بازگشایی Kraken X42 شاهد استفاده از یک فوم نسبتا بزرگ برای کاهش صدا و لرزش پمپ هستیم.

فرآیند خنک‌کنندگی به این صورت است که مایع پمپ‌شده به سمت رادیاتور، ابتدا به نیمه‌ی بالایی آن وارد می‌شود و سپس در مسیری U شکل وارد نیمه‌ی پایینی می‌شود. مایع در نیمه‌ی بالایی بیشترین حرارت را دارد که با استفاده از جریان هوا در اطراف باله‌های آلومینیومی رادیاتور، دمای آن کاهش پیدا می‌کند. درنهایت دمای مایع هنگام خروج از رادیاتور با توجه به ترکیبات شیمیایی آن و میزان گرمای پردازنده بین ۲۶ تا ۳۲ درجه سانتی‌گراد خواهد بود.

مایع استفاده‌شده در سیستم‌های خنک‌کننده‌ی مایع ترکیبی از پروپیلن گلیکول (Propylene glycol) و آب مقطر است. بعضی از تولیدکننده‌ها، درصد بیشتری از گلیکول در این ترکیب استفاده می‌کنند تا از انجماد مایع در دماهایی حتی نزدیک به ۴۰- درجه نیز جلوگیری شود؛ اما بیشتر تولیدکننده‌ها ترجیح می‌دهند درصد گلیکول و آب مقطر را به‌گونه‌ای تنظیم کنند تا مایع بتواند دمای ۲۰- درجه را تحمل کند. این درصد، تعادل مناسبی بین منجمد نشدن مایع در طول مسیر ارسال کالا و غلظت آب مقطر برای افزایش ضریب انتقال گرما ایجاد می‌کند.

شیلنگ‌های استفاده‌شده در خنک‌کننده‌های مایع معمولا از جنس FEP یا EPDM هستند. شیلنگ‌های FEP استحکام بالا و نشتی بسیار کمی دارند؛ اما به دلیل انعطاف‌پذیری پایین، در هنگام نصب مشکل ساز هستند. خم شدن زیاد شیلنگ‌ها FEP باعث ترک خوردگی لایه داخلی PTFE شیلنگ‌ می‌شود و در نتیجه حرکت مایع را مختل می‌کند. شیلنگ‌های EPDM انعطاف‌پذیر هستند و به دلیل خم شدن خراب نمی‌شوند؛ اما هزینه‌ی تحقیق و توسعه‌ی (R&D) آن‌ها برای دستیابی به ترکیبی که مانع نشتی شود، بسیار بالا است. تمامی این شیلنگ‌ها دارای استهلاک هستند و بعد از مدتی نشتی‌های خفیفی در آن‌ها ایجاد می‌شود. اکثر خنک‌کننده‌‌های مایع عمری در حدود ۴ تا ۶ سال دارند و معمولا پس از ۴ تا ۵ سال به دلیل هوا کشیدن شیلنگ‌ها، سر و صدای آن‌ها افزایش پیدا می‌کند. کاربران با نصب افقی خنک‌کننده‌ می‌توانند از این مشکل تا حدی جلوگیری کنند.

تمامی خنک‌کننده‌‌های مایع صرف‌ نظر از تولیدکننده، دارای یک بورد الکترونیکی کوچک هستند. وظیفه‌ی اصلی این بورد راه‌اندازی و کنترل موتور پمپ است؛ اما در برخی محصولات وظیفه‌ی کنترل نور پردازی، تنظیم سرعت پمپ و ذخیره تنظیمات کاربران نیز بر عهده‌ی همین بورد است. برخی تولیدکنندگان مانند NZXT از بوردهای اختصاصی خود استفاده می‌کنند؛ اما بیشتر شرکت‌ها از بوردهای از پیش آماده‌ی تأمین‌کننده‌هایی مانند Asetek استفاده می‌کنند. برای مثال بورد اکثر خنک‌کننده‌های EVGA و Corsair یکسان و ساخت Asetek است و تنها فرم‌ور آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارد. 

با مشاهده‌ی ویدئوی زیر می‌توانید با قطعات مختلف خنک‌کننده‌های مایع بیشتر آشنا شوید.