Freezer PC: "We willen de CPU koelen tot een constante 20 graden Celsius"

Kevin Hofer

5/4/2022

Vertaling: machinaal vertaald

Foto's: Thomas Kunz

Een compressiekoelsysteem voor de PC? Dat zou vriestechnologie in een pc zijn. De koelspecialisten van ThermodynamX bouwen zo'n onderdeel.

In december 2019 bouw ik een watergekoelde pc voor collega . Het bijzondere van het onderdeel: Ik gebruik koperen buizen in plaats van plastic buizen. Een paar dagen later heb ik een e-mail van Bernhard Vetsch in mijn inbox. Hij is ontwikkelaar van koeltechnologie en Chief Technology Officer bijThermodynamX. Hij moet weten hoe hij koelsystemen moet installeren en geeft me constructieve feedback op mijn aanpak. Maar belangrijker is dat hij me een voorstel doet dat ik, als PC-fan, niet kan weigeren. Hij wil een compressiekoelsysteem bouwen voor een CPU.

Hi Bernhard. Allereerst: Wat is een compressiekoelinstallatie eigenlijk?
In een compressiekoelsysteem doorloopt een koelmiddel verschillende aggregatietoestanden in een gesloten circuit. Het aanvankelijk gasvormige koelmiddel wordt samengeperst in een compressor. Daarbij wordt het sterk verhit en gaat het een warmtewisselaar in, waar het de warmte afgeeft en daarbij vloeibaar wordt. De compressor duwt de vloeistof door een vernauwing in het koelcircuit - door de drukverandering koelt het koelmiddel aanzienlijk af. Van hieruit gaat het naar een tweede warmtewisselaar waar het koelmiddel warmte opneemt en verdampt. Zo wordt het weer gasvormig en kan het de compressor weer in. Dit houdt het proces op gang. De warmteopname in de tweede warmtewisselaar vatten we op als koelvermogen. In dit geval gaat het dus om actieve koeling.

Jullie van ThermodynamX willen nu zo'n systeem inbouwen in een PC. Hoe verschilt dit project van je dagelijkse werk?
In ons werk gaat het meestal om het koelen van iets tot een bepaalde temperatuur. Zo hoort het bewaard te blijven of een proces mogelijk te maken.

Wat is er anders aan de CPU?
Warmteontwikkeling beperkt de prestaties en bruikbaarheid. Daar gaat het dus om warmteafvoer, zodat de processor krachtig en betrouwbaar kan werken. Hoe meer warmte wordt afgevoerd, hoe meer vermogen kan worden onttrokken. Dat hebben we nog niet behandeld.

In hoeverre spelen waterkoelsystemen voor pc's een rol in je overwegingen?
Een waterkoelsysteem voor een pc heeft soortgelijke onderdelen geïnstalleerd als een compressiekoelmachine: een radiator die warmte afgeeft aan de omgevingslucht, een thermische koppeling aan de CPU die de afvalwarmte van de CPU absorbeert, en een pomp die de cyclus op gang houdt.

Koelsystemen zijn niet ontworpen om op dezelfde manier gebruikt te worden als een compressiekoelmachine.Zo kun je PC waterkoelingscomponenten gebruiken? Vanwege de werkdruk van de koelmiddelen ben je beperkt als het gaat om speciale waterkoelingscomponenten voor de PC. Bijvoorbeeld het koelelement op de CPU of de radiator. Toen ontdekte ik dat voor speciale waterkoelingscomponenten maximaal acht bar is toegestaan voor de radiator. Voor CPU koellichamen meestal maar twee bar. Maar daarom heb ik het idee laten varen. Zo worden we niet beperkt in onze keuze van koelmiddel.[[image:47848077 "Eine erste Projektskizze von Bernhard."]]Welk koelmiddel komt in het geding? Eerst dacht ik aan isobutaan. De werkdruk van dit natuurlijke koudemiddel is betrekkelijk laag, maar toch in het bereik van vijf bar overdruk. De koelcapaciteit is echter beperkt. Bij propaan zijn de drukken ongeveer 2,5 keer zo hoog als bij isobutaan. Bovendien is hij krachtiger en zijn de benodigde onderdelen, zoals de compressor, kleiner door de hogere druk. Dit koudemiddel is dus het meest geschikt voor een compact, krachtig systeem. Op afstand is propaan het meest geschikte koudemiddel voor een compact, krachtig systeem.In welk opzicht is het compressiekoelsysteem efficiënter dan een klassiek waterkoelsysteem? Bij waterkoeling koelt het water in het circuit de CPU en warmt daarbij op. Het opgewarmde water wordt in de radiator teruggekoeld tot de omgevingstemperatuur. Het koelwater van de CPU mag daarom niet kouder zijn dan de omgevingstemperatuur. Dit beperkt de koelcapaciteit.Er zijn ook speciale koelsystemen voor pc's, zoals Peltier koeling? Hoe verschilt de geplande koeling hiervan? Peltier is een thermo-elektrische koeling. De bekendste toepassing is waarschijnlijk in thermo-elektrische koelers. Door een spanning op een element aan te brengen wordt de ene kant van het element kouder en de andere warmer dan de omgeving. De koude kant is gekoppeld aan de CPU. De warmte aan de andere kant moet worden afgevoerd, bijvoorbeeld door koelribben en ventilatoren. Warmte-absorptie en -afvoer over zo'n klein oppervlak als een CPU is moeilijk. Er ontstaan grote temperatuurverschillen en dat tast de prestaties van het Peltier-element snel aan.Dat is? Het werkt goed om kleine temperatuurverschillen in het bereik van 15 graden Kelvin te handhaven. Maar we willen proberen een CPU te koelen tot ongeveer 20 graden Celsius onder belasting, in plaats van 90°C met gewone koelsystemen. Daarvoor gebruiken we een koelmiddel dat tot -40 graden Celsius gekoeld kan worden. Een koelcircuit koelt krachtiger en efficiënter dan een Peltier-element. Anderzijds is het Peltier-element veel compacter.[[pullquote:«Unser Anspruch ist es, dass er im Gehäuse Platz hat, ohne dieses zu modifizieren.»]]De koeling moet worden verzorgd door een Threadripper 3970X op een Asus moederbord in een Define 7 kast van Fractal Design. Het systeem is nog maar kort bij je. Wat dacht je toen je het zag? Het formaat verraste me, het heeft meer ruimte dan verwacht. De grootste koelcomponent zal de compressor zijn. Onze eis is dat het ruimte heeft in de zaak zonder deze te wijzigen..Dus er moet genoeg ruimte zijn? Ja, het zou voldoende moeten zijn. Op dit moment maken we ons meer zorgen over het condensaat dat in de CPU-ruimte ontstaat bij actieve koeling met het compressiekoelsysteem. Hier moeten we oppassen dat het niet bij de elektronische componenten komt. Misschien moeten we de kast anders uitlijnen en, net als de extreme overklokkers, vloeibare rubber Plasti Dip gebruiken op het moederbord. Ze smeren het moederbord ermee in om de componenten te beschermen tegen de condensatie.[[image:47847239 "Kondensat ist die grösste Gefahr für das Projekt."]]Waar werken jullie momenteel aan? We hebben gemerkt dat we bestaande PC waterkoelingscomponenten voor het grootste deel niet kunnen gebruiken vanwege de druk. Na onderzoek van de radiator kozen we er een uit de koelindustrie en maakten we hem zo groot dat hij net in de koffer past. Voor de CPU splitsen we het op: We nemen de CPU-contactplaat van een bestaande waterkoelingscomponent. We verwijderen de acryl afdekplaat en laten een nieuwe maken van roestvast staal. Zo zou alles bestand moeten zijn tegen de hoge druk van propaan.[[pullquote:«Wir haben festgestellt, dass wir aufgrund der Drücke grösstenteils nicht auf bestehende PC-Wasserkühlungskomponenten setzen können.»]]Kan het gebruik van de CPU-contactplaat ook tot problemen leiden? . Dat is heel goed mogelijk. De contactplaat is zeer fijn bewerkt, met veel stromingskanalen ontworpen voor water als koelmiddel. Er is veel ontwikkelingswerk in gaan zitten. De vraag is nu hoe goed het koelmiddel in de kanalen kan doordringen. Het koelmiddel alleen zou geen probleem moeten zijn. Maar in het compressiekoelsysteem stroomt altijd wat olie mee. We hopen dat dit niet neerslaat in de kanalen en zo de koelcapaciteit vermindert. Ook voor water werd de stroomverdeling geoptimaliseerd. Omdat we de acrylcomponent vervangen door roestvrij staal, zullen we niet zien hoe het met het koelmiddel gaat.[[image:47847138 "Soll das Gehäuse liegend oder stehend verbaut werden? Welcher Kompressor soll rein? Fragen, die sich das Team von ThermodyamX zurzeit stellen muss."]]Waar zie je nog meer struikelblokken? Voor ons is deze toepassing nieuw terrein met enkele onbekenden. We moeten onze weg naar binnen voelen. Tijdens het eerste ontwerp proberen we altijd een systeem te maken dat op zoveel mogelijk onvoorziene gebeurtenissen kan reageren. In dit geval betekent dat ook het gebruik van een compressor met variabele snelheid. Zo kunnen we snel aanpassingen maken.[[pullquote:«Für uns ist diese Anwendung Neuland mit einigen Unbekannten. Wir müssen uns herantasten.»]]Op welke manier? De radiator is nogal klein vanwege de krappe ruimte in de behuizing. Het kan een knelpunt worden voor de warmteafvoer. Dat zouden we moeten compenseren met de compressor met variabele snelheid. Zoals de naam al aangeeft, kan de snelheid en daarmee het koelvermogen worden gevarieerd.En anders? Regelgeving is zeker een probleem. We weten niet goed genoeg hoe de CPU zich gedraagt onder belasting. Wat gebeurt er als de CPU en het koelcircuit op volle toeren draaien en de CPU dan van de ene op de andere seconde in rust gaat? Hij heeft dus ineens minder koelvermogen nodig. Hoe snel moet het koelcircuit hierop reageren? Als het te langzaam reageert, bestaat het risico van een vloeistofhamer in de compressor.Wat betekent dat? Bij een vloeistofhamer krijgt de compressor het koelmiddel niet alleen als gas, maar ook met vloeibare druppels die niet gecomprimeerd kunnen worden. Deze kunnen de compressor beschadigen.[[image:47847170 "Diskussionen zu den nächsten Schritten."]]Wat zijn nu de volgende stappen? Alle koelcomponenten zijn besteld. Zodra ze er zijn, bouwen we het hele systeem op. Eventueel eerst buiten de behuizing en uit de buurt van de PC-componenten voor een test. Als iets niet werkt, willen we de onderdelen niet beschadigen. We werken momenteel ook aan de snelheidsregeling en bijbehorende meettechnieken daarvoor.Als het compressiekoelsysteem voor het eerst wordt opgesteld en getest, zal ik erbij zijn. Als je het niet wilt missen, klik dan op de knop "Volg auteur". <p

Kevin Hofer

Senior Editor

kevin.hofer@digitecgalaxus.ch

Technologie en maatschappij fascineren me. Beide combineren en vanuit verschillende perspectieven observeren is mijn passie.

Deze artikelen kunnen je ook interesseren