Varför kylning?

Många saker i världen behöver kylas av olika anledningar. Ibland har material och ämnen egenskaper som fungerar bäst i vissa temperaturintervaller, och därför krävs kylning av materialet för att få optimala resultat. Det kan vara kylning av ångan i ett kraftverk genom en värmeväxlare eller elektronisk utrustning som kyls med flänsar och fläktar. Luftkylning är i sig vanligt, men mycket mindre effektivt än vattenkylning. Om exempelvis datorutrustning inte har tillräcklig kylning för sin kapacitet kan det skada komponenterna och göra dem oanvändbara, därför är kylningen en viktig del av att planera exempelvis ett datorbygge.

Vatten

Vatten är både grundläggande för allt liv och har intressanta fysikaliska egenskaper. Vätskan har som högst densitet vid 4 grader Celsius och temperaturer både under och över detta har lägre täthet. De flesta känner till att vatten kokar vid 100 grader Celsius under normala tryckförhållanden, men färre känner till hur hög värmekapacitet vatten har. Värmekapacitet innebär hur mycket ett ämne måste hettas upp för att ändra fas, alltså gå från vätska till gas, solid till flytande eller tvärtom. Dess höga värmekapacitet innebär att det krävs mycket energi för att värma upp vatten, vilket i sin tur innebär att det blir ett mycket effektivt kylmedel då det tar värme från ett annat material och denna kan ledas bort genom cirkulation och värmeväxling. Detta är hela den grundläggande filosofin bakom vattenkylning.

Värmeväxlare

Eftersom vi befinner oss i en atmosfär som består av de olika gaserna som utgör luft finns det utmaningar med vattenkylning. Vattnet måste ledas mot en kontaktyta som effektivt överför värmeenergin till vattnet som cirkuleras i slangar, men för att kylningen ska fungera optimalt måste vattnet också kunna göra sig av med denna energi. Detta sker vanligtvis till den omgivande luften. Kontaktytan som värmen leds bort ifrån är mycket mindre än den där vattnet kyls ner igen, vilket sker genom luftcirkulation. Detta är också basen till hur ett kylskåp fungerar, men i dem används olika gaser istället för vatten, eftersom tryckförändringar av en gas skapar temperaturförändringar och därför kan “skapa” kyla. En komponent som är vattenkyld blir aldrig svalare än den omgivande luften för vattnets värmeväxlare.

Termisk konduktivitet

Ett materials förmåga att jämna ut temperatur kallas bland annat för termisk konduktivitet. Vakuum har en mycket dålig termisk konduktivitet, och är alltså isolerande, medan silver har mycket bra både elektrisk och termisk konduktivitet. Denna egenskap är en nyckelfaktor för effektiv kylning, eftersom det möjliggör ledning av värmeenergi från ett material till ett annat. Till exempel är ett datachip tillverkat av kisel inte särskilt bra på att leda bort värmeenergi, men med silverpasta som ett lager mellan chippet och exempelvis en kylfläns av metall kan värmeenergin som chippet genererar snabbt ledas till kylflänsen och det resterande kylsystemet och man kan därmed undvika skador på elektroniken.

En vattenkylare fungerar genom att ha ett slutet system av slangar där vatten cirkulerar och för bort överskottsvärme. Materialvalen är mycket viktiga, då det ofta handlar om att kyla elektronik, som man definitivt inte vill utsätta för potentiella vätskeläckage. Även kombinationen av vilka material som är värmeledande och vilka som är isolerande är viktigt. Några system har också vattenreservoarer medan andra inte har detta, det varierar mellan olika tillverkare och modeller av vattenkylningssystem.

Processor

En processor består av en kombination av halvledare såsom kisel och elektriskt högkonduktiva metaller och är det datorchip som utför majoriteten av alla beräkningar som en dator kräver för att fungera. Den är därför den datorkomponent som blir varmast och därmed också behöver effektivast kylning. En processors temperatur behöver hållas inom ett visst intervall för optimal funktion och därför är det bäst om kylsystemet har en funktion för att känna av komponentens temperatur så att det automatiskt kan justera fläkt- och pumphastigheterna. Det finns också komponenter för vattenkylning av grafikkort.

Kontakten med processorn

Första fasen av vattenkylning av en dator är att överföra värmeenergin från processorn till vattnet i kylsystemet. Detta görs genom att först applicera kylpasta för att skapa tät kontakt mellan processorn och den kontaktplatta som är fäst till kylsystemets slangar. Denna platta består av metall, ofta koppar eftersom denna är en relativt billig metall med hög värmekonduktivitet, som är i direkt kontakt med vattnet inuti kylsystemet och därigenom överför värmen från processorn till vattnet.

Kylfläktarnas roll

Nästa steg är att cirkulera vattnet och leda det genom ytterligare en värmeväxlare så att värmeenergin kan överföras till kringluften. Detta sker ofta genom tunna slangar, eller en radiator, monterade på baksidan av en serie fläktar. Slangens skillnad i tjocklek mellan när den går mellan processorn och fläktarna där vattnet kyls gör så att mer “yta” exponeras för luftströmmen som fläktarna skapar och därför kyls någorlunda effektivt (för att vara luftkylning). Materialet som de tunnare slangarna består av bör också vara effektivt värmeledande för att optimera kylningseffekten.

Reservoar eller ej

Det kylda vattnet kan sedan antingen ledas till en reservoar eller cirkuleras tillbaka direkt till processorn, beroende på systemets design. En reservoar kan hjälpa till att reducera mängden luft i kylsystemet när det installeras och utgör också lite av en buffert då det finns mer kylt vatten tillgängligt vid värmespikar i systemet som kan ske vid högintensiva processer. Färdigmonterade vattenkylningssystem saknar ofta reservoar eftersom de redan i fabriken kan göras helt luftfria.

Vilket medium och ämne som väljs för ett kylsystem beror mest på systemets syfte. I kylskåp och luftkonditioneringsaggregat används gaser, eftersom kompression och expansion av gaser orsakar stora temperaturskillnader, i form av värmeutsöndring vid kompression och värmeabsorption, alltså kylning, vid expansion. Olika gaser har använts genom åren, och under ett tag var freoner mycket vanliga i både kylskåp och som drivmedel i sprayburkar. Det tog många år av undersökning för att avgöra att freonerna som var så frekvent använda skadade ozonlagret som är nödvändigt för all flora och fauna på jordens yta. Då tvingades man övergå till andra gaser att ersätta dessa med, och efter årtionden av förbud mot dessa ämnen har ozonlagret börjat återhämta sig.

Luftkylning handlar också till viss del om att skapa tryckskillnader mellan framsidan och baksidan av en fläkt, eftersom luft, som är en sammansättning av ett flertal gaser, följer samma termodynamiska regler som gaserna i ett slutet kylsystem och alltså får lägre temperatur vid lägre tryck. Men eftersom lufttrycksskillnaden är liten i förhållande till den i ett slutet system handlar luftkylning mestadels om att cirkulera en tillräckligt stor mängd luft genom en uppsättning kylflänsar, som ofta består av en effektiv termiskt ledande metall. Kylflänsar är utformade som en slags kam vars tänder är extremt “djupa” och därmed bildar ett block fyllt med upphöjningar. Dessa skapar större yta som luften kan komma i kontakt med och därmed göra kylningen mer effektiv.

Om man använder vätskor kan man inte använda en kompressor för kylning som man gör i ett kylskåp, utan måste istället förlita sig på simpel cirkulation av kylmedlet mellan värmekällan och en värmeväxlare som kan kyla ner det uppvärmda kylmedlet. Vatten är ett mycket vanligt kylmedel eftersom vi har mycket av det och det har hög värmekapacitet och därmed kylförmåga. Ammoniak är också ett effektivt kylmedel men är mycket mer korrosivt och därför svårare att använda.

Det är inte alltid alldeles självklart föra alla varför det är en bra idé att kyla ned datorn. För att kunna få ut maximal prestanda, måste datorn kylas ned – något som olika fläktsystem länge hanterat på ett bra sätt. Olika tillverkare av datorchipp och processorer kräver dock att dessa nedkylningsprocesser blir effektivare, för att kunna använda de nyare och snabbare hastigheterna.

[IMAGE=dp8z7xb91KM1.jpg]

Varför är temperaturen så viktig?

Förenklat så blir datorns kretsar och elektroniska chipp betydligt varmare då de måste arbeta med högre beräkningar och hastigheter. När chippen blir överhettade kan de orsaka att datorn arbetar betydligt långsammare, vilket de flesta användare nog upplevt någon gång. Datorn känns “seg” eller kan till och med låsa sig eller i värsta fall krascha. För att undvika dessa scenarion används olika system för att kyla ned datorns inre kretsar och kort. Många tillverkare av processorer som Intel och AMD, förser sina produkter med egna nedkylningsverktyg, såsom fläktar, för att kyla ned systemet och möjliggöra en bättre prestanda. För att klämma ut den maximala kapaciteten är det dock bäst att komplettera dessa med andra nedkylningssystem, och även kontrollera att datorn är placerad i en lämplig inomhusmiljö. Är man i färd med att renovera sin bostad kan det löna sig att utforma just arbetsrummet utifrån att datorn ska kunna kylas så effektivt som möjligt. Ett bra exempel är att integrera fläktar i arbetsrummet med bostadens befintliga fläktsystem. Man kan hitta prisvärda och effektiva takläggare i Göteborg som arbetar med helhetslösningar.

Nedkylning av skalet

Om luften som kommer in i datorn inte kyler ned komponenterna, gör en fläkt väldigt liten nytta. Det vill säga, är luften varm från början, så åstadkommer den ingen större nedkylningseffekt. De flesta skal kommer med en standarduppsättning på två fläktar, vilka blåser luften genom datorn, för att kyla ned innandömet. På stationära datorer finns ofta uttag för att kunna komplettera med en tredje fläkt som rejält kommer att utöka datorns förmåga att kyla ned sig.

Andra komponenter

Det är inte bara datorns “hjärna” eller processor som behöver kyla ned sig. Olika grafikkort hör även till komponenter som riskerar att bli överhettade och behöver minst lika stor nedkylning. Särskilt olika 3D-videokort, kan vara i riskzonen för att inte utvinna tillräckligt med nedkylning av en standardlösning. Det här är extra viktigt att tänka på om man i efterhand lägger till komponenter, vilka förväntas kylas ned av samma antal fläktar. Märker man att datorns allmänna prestanda dras ned märkbart, kan det alltså vara en god idé att se över antalet fläktar man har i bruk. En del datortillverkare tillverkar datorer med metallskal, som ett försöka att ytterligare få ned temperaturen i enheterna. I framtiden kommer vi se nya skal som har nya egenskaper för nedkylning.