Freezer PC: «Vogliamo mantenere la CPU a 20 °C costanti»
Un sistema di raffreddamento a compressione per PC? Sarebbe una tecnologia da congelatore in un computer. Gli specialisti del raffreddamento di ThermodynamX costruiscono un dispositivo simile.
Nel dicembre 2019, ho costruito un PC raffreddato ad acqua per il collega Simon Balissat. La cosa speciale del dispositivo: io uso tubi di rame invece di tubi di plastica. Qualche giorno dopo ho una mail di Bernhard Vetsch nella mia casella di posta elettronica. È uno sviluppatore di tecnologie di raffreddamento e Chief Technology Officer presso ThermodynamX. Deve sapere come installare i sistemi di raffreddamento e mi dà un feedback costruttivo sul mio approccio. Ma, cosa molto più importante: mi fa una proposta che io, come fan del PC, non posso rifiutare. Vuole costruire un sistema di raffreddamento a compressione per una CPU.
Ciao Bernhard. Prima di tutto: cos'è un sistema di raffreddamento a compressione?
In una macchina di refrigerazione a compressione, un refrigerante passa attraverso diversi stati aggregati in un circuito chiuso. Il refrigerante, inizialmente gassoso, viene compresso in un compressore. Nel processo, viene riscaldato e passa in uno scambiatore di calore dove rilascia il calore e si liquefa. Il compressore spinge il liquido attraverso una costrizione nel circuito di refrigerazione – il cambiamento di pressione fa sì che il refrigerante si raffreddi notevolmente. Da qui passa a un secondo scambiatore di calore dove il refrigerante assorbe il calore ed evapora. Diventa quindi di nuovo gassoso e può entrare di nuovo nel compressore. Questo fa sì che il processo continui. Intendiamo l'assorbimento di calore nel secondo scambiatore di calore come capacità di raffreddamento. Quindi in questo caso si tratta di un raffreddamento attivo.
«Quindi in questo caso si tratta di un raffreddamento attivo».
Questo è il tipo di sistema che voi di ThermodynamX intendete costruire in un PC. In che modo il progetto è diverso dal tuo lavoro quotidiano?
Nel nostro lavoro, ci occupiamo soprattutto di raffreddare qualcosa a una certa temperatura, per conservare o per permettere un determinato processo.
«Più calore viene dissipato, più potenza può essere estratta. Di questo non ci siamo ancora occupati».
Cosa c'è di diverso nella CPU?
La generazione di calore limita le prestazioni e l'usabilità. Quindi è tutta una questione di dissipazione del calore affinché il processore possa lavorare in modo potente e affidabile. Più calore viene dissipato, più potenza può essere estratta. Di questo non ci siamo ancora occupati.
In che misura i sistemi di raffreddamento ad acqua per PC entrano nelle vostre considerazioni?
Un sistema di raffreddamento ad acqua per PC ha componenti simili installati come una macchina di refrigerazione a compressione: un radiatore che rilascia il calore all'aria ambientale, un accoppiamento termico alla CPU che assorbe il calore residuo dalla CPU e una pompa che mantiene il ciclo.
Si possono usare componenti di raffreddamento ad acqua per PC?
A causa della pressione di lavoro dei refrigeranti, i componenti speciali di raffreddamento ad acqua per il PC sono limitati. Per esempio, l'elemento di raffreddamento della CPU o il radiatore. Poi ho scoperto che per i componenti speciali di raffreddamento ad acqua, è consentito un massimo di otto bar per il radiatore. Nel caso dei dissipatori di calore per CPU, di solito solo due bar. Ed è per questo che ho abbandonato l'idea. Quindi non siamo limitati nella scelta del refrigerante.
Quale refrigerante è adatto?
All'inizio ho pensato all'isobutano. La pressione di lavoro di questo refrigerante naturale è relativamente bassa, ma ancora nell'intervallo di cinque bar di sovrappressione. Tuttavia, la capacità di raffreddamento è limitata. Nel propano, le pressioni sono circa 2,5 volte superiori a quelle dell'isobutano. È anche più potente e i componenti necessari, come il compressore, sono più piccoli a causa delle pressioni più elevate. Quindi questo refrigerante è il più adatto per un sistema compatto e performante.
In che modo il sistema di refrigerazione a compressione è più efficiente del classico raffreddamento ad acqua?
Con il raffreddamento ad acqua, l'acqua nel circuito raffredda la CPU e si riscalda nel processo. L'acqua riscaldata viene raffreddata di nuovo alla temperatura ambiente nel radiatore. L'acqua di raffreddamento della CPU non può quindi essere più fredda della temperatura ambiente. Questo limita la capacità di raffreddamento.
Esistono anche sistemi di raffreddamento speciali per i PC, come il raffreddamento Peltier? In che modo il raffreddamento previsto differisce da questo?
Peltier è un sistema di raffreddamento termoelettrico. L'applicazione più conosciuta è probabilmente nei raffreddatori termoelettrici. Applicando una tensione a un elemento, un lato dell'elemento diventa più freddo e l'altro più caldo dell'ambiente circostante. Il lato freddo è accoppiato alla CPU. Il calore sull'altro lato deve essere dissipato, per esempio con alette di raffreddamento e ventilatori. L'assorbimento e la dissipazione del calore su un'area così piccola come una CPU, è difficile. Si verificano grandi differenze di temperatura e questo degrada rapidamente le prestazioni dell'elemento Peltier.
Cioè?
Funziona bene per mantenere piccole differenze di temperatura nell'intervallo di 15 gradi Kelvin. Ma vogliamo provare a raffreddare una CPU sotto carico a circa 20 °C, invece di 90 °C con i comuni sistemi di raffreddamento. Per questo, ci affidiamo a un refrigerante che può essere raffreddato fino a -40 °C. Un circuito di refrigerazione è più potente ed efficiente nel raffreddamento di un elemento di Peltier. D'altra parte, l'elemento Peltier è molto più compatto.
«La nostra aspirazione è che abbia spazio nel case senza modifiche».
Un Threadripper 3970X su una scheda madre Asus in un case Define 7 di Fractal Design deve essere raffreddato. Il sistema è da voi da poco tempo. Qual è stato il tuo pensiero quando l'hai visto?
Le dimensioni mi hanno sorpreso, ha più spazio del previsto. Il componente di raffreddamento più grande sarà il compressore. La nostra aspirazione è che abbia spazio nel case senza modifiche.
Quindi ci dovrebbe essere abbastanza spazio?
Sì, dovrebbe essere sufficiente. Al momento, siamo più preoccupati per la condensa che viene prodotta nella zona della CPU durante il raffreddamento attivo con il sistema di refrigerazione a compressione. Qui dobbiamo fare attenzione che non arrivi ai componenti elettronici. Potremmo dover allineare il case in modo diverso e usare Plasti Dip in gomma liquida sulla scheda madre, come gli overclocker estremi. Questi lubrificano la scheda madre per proteggere i componenti dalla condensa.
A cosa lavorate attualmente?
Abbiamo scoperto che non possiamo utilizzare i componenti di raffreddamento ad acqua per PC esistenti a causa delle pressioni. Dopo aver fatto delle ricerche sul radiatore, abbiamo deciso per uno dell'industria della refrigerazione e l'abbiamo dimensionato in modo che si adattasse al case. Nel caso della CPU, dividiamo: prendiamo la piastra di contatto della CPU da un componente di raffreddamento ad acqua esistente. Rimuoviamo la piastra di copertura in polimetilmetacrilato e ne installiamo una nuova in acciaio inossidabile. Quindi tutto dovrebbe resistere all'alta pressione del propano.
«Abbiamo scoperto che non possiamo utilizzare i componenti di raffreddamento ad acqua per PC esistenti a causa delle pressioni».
Anche l'uso della piastra di contatto della CPU potrebbe causare problemi?
È possibile. La piastra di contatto è lavorata molto finemente, con molti canali di flusso progettati per l'acqua come refrigerante. Il lavoro di sviluppo che sta dietro è parecchio. Ora la questione è quanto bene il refrigerante possa penetrare nei condotti. Il solo refrigerante non dovrebbe essere un problema. Ma con il sistema di refrigerazione a compressione, ci scappa anche un po' di olio. Speriamo che questo non si accumuli nei condotti e riducendo la capacità di raffreddamento. La distribuzione del flusso è stata ottimizzata anche per l'acqua. Dato che stiamo sostituendo il polimetilmetacrilato con l'acciaio inossidabile, non vedremo come se la cava con il refrigerante.
Dove sono gli altri ostacoli?
Per noi, questa applicazione è un nuovo territorio con alcune incognite. Dobbiamo provare. Nella progettazione iniziale, cerchiamo sempre di creare un sistema che possa reagire a più imprevisti possibili. In questo caso, ciò include l'uso di un compressore a velocità variabile. In questo modo possiamo fare aggiustamenti velocemente.
«Per noi, questa applicazione è un nuovo territorio con alcune incognite. Dobbiamo provare».
Cioè?
Il radiatore è piuttosto piccolo a causa delle condizioni di spazio ristretto nel case. Può diventare un collo di bottiglia per la dissipazione del calore. Dovremmo compensarlo con il compressore a velocità variabile. Come suggerisce il nome, la velocità e quindi la capacità di raffreddamento possono essere variate.
E per il resto?
La regolamentazione è certamente un problema. Non sappiamo abbastanza bene come si comporta la CPU sotto carico. Cosa succede quando la CPU e il circuito di refrigerazione diventano pieni e poi la CPU va in idle da un secondo all'altro? Quindi improvvisamente ha bisogno di meno potenza di raffreddamento. Quanto velocemente deve reagire il circuito di refrigerazione? Se reagisce troppo lentamente, c'è il rischio di contrazione del liquido nel compressore.
Che cosa significa?
Nel caso della contrazione del liquido, il compressore non solo riceve il refrigerante come gas, ma anche con goccioline liquide che non possono essere compresse. Possono danneggiare il compressore.
Quali sono i prossimi passi ora?
Tutti i componenti di refrigerazione sono stati ordinati. Non appena arrivano, costruiamo l'intero sistema. Possibilmente fuori dal case e lontano dai componenti del PC per un primo test. Se qualcosa non funziona, non vogliamo danneggiare i componenti. Stiamo anche lavorando sul controllo della velocità e sulle tecniche di misurazione corrispondenti.
Quando il sistema di refrigerazione a compressione sarà impostato e testato per la prima volta, io ci sarò. Se non vuoi perderti il progetto, clicca sul pulsante «Segui l'autore».
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Kevin Hofer
Senior Editor
kevin.hofer@digitecgalaxus.chTecnologia e società mi affascinano. Combinarle entrambe e osservarle da punti di vista differenti sono la mia passione.
