コンピュータ冷却システム: パッシブ、アクティブ、液体、フレオン、水冷、開放蒸発、カスケード、ペルチェ冷却

コンピュータの動作中、一部のコンポーネントは非常に熱くなり、発生した熱が十分に早く除去されないと、主要な半導体コンポーネントの通常の特性に違反するため、コンピュータは動作できなくなります。

コンピューターの発熱部分から熱を除去することは、コンピューター冷却システムが解決する最も重要なタスクです。コンピューター冷却システムは、コンピューターがアクティブに使用されている間、継続的、系統的かつ調和的に機能する一連の専用ツールです。

コンピュータ冷却システムの動作中、コンピュータの主要な要素、特にシステム ユニットの要素に動作電流が流れることによって発生する熱が利用されます。この場合に発生する熱の量は、コンピューターのコンピューティング リソースと、マシンで利用可能なすべてのリソースに対する現在の負荷によって異なります。

いずれの場合も熱は大気中で回収されます。受動冷却では、従来の対流と赤外線により、加熱された部品からラジエーターを介して周囲の空気に熱が直接除去されます。アクティブ冷却では、対流と赤外線放射に加えて、ファンによる送風が使用され、対流の強度が増加します（このソリューションは「クーラー」と呼ばれます）。

熱が最初に熱媒体によって伝達され、次に大気中で再利用される液体冷却システムもあります。冷却剤の相転移により熱が除去される開放蒸発システムがあります。

したがって、コンピュータの加熱部分から熱を除去する原理に従って、空冷、液体冷却、フレオン、開放蒸発、および組み合わせ（ペルチェ素子と水冷却器に基づく）という冷却システムがあります。

パッシブ空冷システム

熱負荷のない機器には特別な冷却システムはまったく必要ありません。非熱負荷機器とは、加熱面の平方センチメートルあたりの熱流束 (熱流束密度) が 0.5 mW を超えない機器です。これらの条件下では、周囲の空気に対する加熱された表面の過熱は0.5℃を超えず、そのような場合の通常の最大値は+60℃です。

ただし、通常の動作モードでのコンポーネントの熱パラメータがこれらの値を超える場合（ただし、発熱は比較的低く保たれていますが）、そのようなコンポーネントにはラジエーター、つまり受動的熱除去用のデバイスのみが取り付けられます。いわゆるパッシブ冷却システムです。

チップの電力が低い場合、またはシステムのコンピューティング能力要件が常に制限されている場合は、原則として、ファンがなくてもヒートシンクのみで十分です。ラジエーターはそれぞれの場合に個別に選択されます。

基本的に、受動的冷却システムは次のように動作します. 熱は、材料の熱伝導率により、またはヒートパイプの助けにより、加熱コンポーネント (チップ) からヒートシンクに直接伝達されます (熱サイフォンまたは蒸発チャンバーは基本的に異なります)。ヒートパイプを使用したソリューション)。

ラジエーターの機能は、赤外線放射によって周囲の空間に熱を放射し、自然対流の発生に寄与する周囲の空気の熱伝導率によって熱を伝達することです。ラジエター全体にできるだけ集中的に熱を放射するため、ラジエーターの表面は黒くなっています。

特に今日では (コンピューターを含むさまざまな機器で)、パッシブ冷却システムが普及しています。このようなシステムは、ラジエーターをほとんどの熱集約的なコンポーネントに簡単に取り付けることができるため、非常に柔軟です。ラジエーターからの熱放散の有効面積が大きいほど、冷却効率が高くなります。

冷却効率に影響を与える重要な要素は、ヒートシンクを通過する空気流の速度と温度 (特に環境との温度差) です。

ヒートシンクをコンポーネントに取り付ける前に、合わせ面にサーマル ペースト (KPT-8 など) を塗布する必要があることは多くの人が知っています。これは、コンポーネント間の空間の熱伝導率を高めるために行われます。

当初の問題は、ラジエーターとそれが取り付けられるコンポーネントの表面が、工場で生産され研磨された後でもまだ10ミクロン程度の粗さがあり、研磨後でも約5ミクロンの粗さが残ることです。これらの凹凸により、接続面が隙間なくできるだけしっかりと押し付けられることが妨げられ、その結果、熱伝導率の低い空隙が生じます。

通常、最大のサイズとアクティブ領域を備えたヒートシンクが CPU と GPU に取り付けられます。サイレントコンピュータを組み立てる必要がある場合、空気の通過速度が遅いため、熱放散効率の向上を特徴とする特別な非常に大きなラジエーターが必要になります。

アクティブ空冷システム

冷却を改善し、ラジエーターを通る空気の流れをより強力にするために、ファンも追加で使用されます。ファンを備えたラジエーターをクーラーと呼びます。クーラーは、コンピュータのグラフィックスおよび中央プロセッサに取り付けられています。ハードドライブなどの一部のコンポーネントにヒートシンクを取り付けることができない場合、またはそれが推奨されない場合は、ヒートシンクなしの単純なファンブローアウトが使用されます。それで十分です。

液冷システム

液体冷却システムは、システム内を循環する作動流体の助けを借りて、冷却されたコンポーネントからラジエーターに熱を伝達するという原理に基づいて動作します。このような液体は、通常、殺菌および抗ガルバニック添加剤を加えた蒸留水、または不凍液、油、その他の特殊な液体、場合によっては液体金属です。

このようなシステムには、流体を循環させるポンプと、発熱体から熱を奪い作動流体に伝達するラジエーター（ウォーターブロック、冷却ヘッド）が必ず含まれます。その後、熱はヒートシンク (アクティブまたはパッシブ システム) によって放散されます。

さらに、液冷システムには作動流体のリザーバーがあり、これにより熱膨張が補償され、システムの熱慣性が増加します。タンクは充填するのに便利であり、作動流体をタンクから排出するのにも便利です。このようなシステムでは、必要なホースとパイプが必要です。液体流量センサーをオプションで利用できます。

作動流体は十分に高い熱容量を備えているため、低い循環速度でも高い冷却効率が得られ、熱伝導率も高く、蒸発面とパイプ壁の温度差が最小限に抑えられます。

フロン冷却システム

プロセッサーを極端にオーバークロックするには、連続動作中に冷却要素の温度がマイナスになる必要があります。このためにはフロンの設置が必要です。これらのシステムは、熱を非常に高速で除去する必要があるコンポーネントに蒸発器が直接取り付けられた冷凍ユニットです。

フレオンシステムの欠点は、その複雑さに加えて、断熱の必要性、凝縮水との格闘が必須であること、複数のコンポーネントを同時に冷却することが難しいこと、エネルギー消費が高いこと、価格が高いことです。

ウォーターチラー

Waterchillerはフロンユニットと液冷を組み合わせた冷却システムです。ここで、システム内を循環する不凍液は、フロンブロックを使用した熱交換器でさらに冷却されます。

このようなシステムでは、フレオンユニットの助けを借りて負の温度が得られ、液体は複数のコンポーネントを同時に冷却できます。従来のフロン冷却システムではこれは不可能です。ウォータークーラーの欠点は、システム全体の断熱が必要であること、および複雑さとコストが高いことです。

オープン蒸発冷却システム

開放蒸気冷却システムは、ヘリウム、液体窒素、ドライアイスなどの冷媒である作動流体を使用します。作動流体は、非常に急速に冷却する必要がある発熱体に直接取り付けられた開いたガラス内で蒸発します。

この方法はアマチュアのものであり、主に利用可能な機器の極端なオーバークロック (「オーバークロック」) を必要とする愛好家によって使用されます。この方法を使用すると、最低温度を得ることができますが、冷媒の入ったガラスを定期的に補充する必要があります。つまり、システムには時間制限があり、常に注意を払う必要があります。

カスケード冷却システム

カスケード冷却システムとは、2 つ以上のフレオンを同時に連続して導入することを意味します。より低い温度を実現するために、沸点を下げたフロンが使用されます。フレオン機械が単段式の場合、強力なコンプレッサーで作動圧力を高める必要があります。

しかし、代替手段があります。フロンブロックのラジエーターを別の同様のブロックで冷却するというものです。したがって、システム内の動作圧力を下げることができ、コンプレッサーに高出力が不要になり、従来のコンプレッサーを使用できます。カスケード システムは、その複雑さにもかかわらず、従来のフロン設備よりも低い温度を達成することができ、開放型蒸発システムと比較して、このような設備は連続的に動作することができます。

ペルチェ冷却システム

冷却システム内 ペルチェ素子を搭載した エレメントの低温側が冷却対象の表面になるように取り付けられますが、エレメントの高温側は動作中に別のシステムからの集中的な冷却を必要とします。システムは比較的コンパクトです。