كيف يعمل نظام التبريد بالماء في الكمبيوتر?

DARKMAN X · 01:54 PM

من الطبيعي ان كل واحد منا يستخدم كمبيوتر محمول أو كمبيوتر عادي ولعل صوت الكمبيوتر المستمر يسبب لنا ازعاج خصوصاً اذا كنا نعمل في جو من السكون والصمت، وفي الكثير من الأحيان يصبح مصدر ازعاج وخصوصاً عندما يصبح الكمبيوتر قديماً، ان هذا الصوت يصدر من مراوح التهوية المثبتة في الجهاز وقد تكون اكثر من مروحة بالاضافة إلى المروحة المستخدمة لتبريد المعالج نفسه ومروحة اخرى لتبريد كرت الفيديو. هذه المراوح تعمل باستمرار للحفاظ على درجة حرارة ثابتة من خلال التبريد وسحب الهواء من داخل الجهاز إلى الخارج.
ولقد عملت هذه المراوح واثبتت كفاءتها على مدار الاعوام السابقة ولكن مع تطور سرعة المعالج اصبحت المروحة لا تفي بغرض التبريد والحفاظ على درجة حرارة مناسبة لعمل المعالج، واي ارتفاع في درجة حرارة المعالج عن الحد المسموح به فأن الجهاز يتوقف فجأة كنوع من الحماية حتى لا تحترق مكوناته. ولذلك اتجهت انظار مطوري أجهزة الحاسوب إلى استخدام التبريد بواسطة الماء water cooling. ولربما قد لا يخطر على بالنا ان يكون هناك نظام تبريد يعمل بواسطة الماء بجوار معدات واجهزة الكترونية دقيقة، ولكن وجد ان التبريد بواسطة الماء اكثر كفاءة من التبريد بالهواء.

جهاز كمبيوتر يعمل بواسطة التبريد بالماء ويتضح في الصورة انابيب الماء المستخدمة في تبريد مكونات الجهاز الرئيسية

نظام التبريد بالماء للكمبيوتر يعمل بنفس الية عمل نظام تبريد محرك السيارة. حيث ان كلا النظامين يستفيد من مبادئ الديناميكا الحرارية البسيطة في أن الحرارة تنتقل من الاجسام الحارة إلى الاجسام الباردة. وعندما ترتفع درجة حرارة الجسم البارد فان درجة حرارة الجسم الحار تصبح اقل مثلما يحدث لو انك قمت بوضع يدك على جسم بارد مثل سطح المكتب وبعد فترة من الزمن سوف تجد ان يدك اصبحت باردة لانها فقدت حرارة إلى سطح المكتب، وهذا بالضبط ما نريد عمله وهو نقل الحرارة المنبعثة من المعالج إلى جسم بارد وهو الماء.
إن نظام التبريد باستخدام الماء هو نظام شائع فمثلاً نظام التبريد في السيارة يستخدم الماء في عملية التبريد من خلال تمريره في دائرة مغلقة تمر بجوار الاجزاء المراد تبريدها في المحرك فتنتقل الحرارة الصادرة من الاجزاء الساخنة إلى الماء وبالتالي ترتفع درجة حرارة الماء مسببة في انخفاض حرارة اجزاء محرك السيارة كما ويستخدم نظام التبريد بالماء في المفاعلات النووية التي تولد الطاقة الكهربية.

نظام التبريد في محرك السيارة

تتكون الدائرة المغلقة لنظام التبريد في محرك السيارة من انابيب متصلة مع الراديتور radiator وهو عبارة عن مجموعة من الاسطح المعدنية المتجاورة التي تتخللها انابيب الماء، تعمل على مساعدة الماء في التحلص من الحرارة الزائدة من خلال نقل الحرارة من الماء الحار إلى الراديوتر مما يتسبب في تبريد الماء. يعود الماء مرة اخرى إلى اجزاء المحرك. وفي نفس الوقت من الممكن ان تعمل مروحة على احداث تيار هوائي يساعد الراديوتور في التخلص من الحرارة إلى الهواء المحيط. بهذه الطريقة تنتقل حرارة المحرك إلى الخارج.
إن الحرارة المنبعثة من المحرك هي نتاج طبيعي من احتراق الوقود. اما في الكمبيوتر فإن الحرارة تحدث بسبب حركة الالكترونات، فالشرائح الالكترونية الدقيقة microchips تحتوي على ملايين الترنسستورات التي تعمل عمل المفاتيح الكهربية switches لتتبدل وضعيتها بين الفتح والاغلاق والتي ترمز للحالة 1 والحالة 0 وهي لغة الكمبيوتر. عندما تعمل هذه الترنزيستورات معاً فإن الكثير من الالكترونات تتحرك داخل هذه الشريحة مما يعمل على رفع درجة حرارتهاـ واذا استمرت الزيادة في ارتفاع درجة الحرارة فإن هذا سوف يتسبب في خلل في عمل المعالج وربما اتلافه.
تستخدم الكمبيوترات في التبريد مروحة ومبدد حرارة heat sink وهو عبارة عن قطعة معدنية تحتوي على شرائح معدنية رقيقة تعمل على المساعدة في فقد الحرارة.

الشرائح المعدنية في الصورة عبارة عن شرائح التبريد heat sink

إن انظمة التبريد بالهواء للقطع الالكترونية التي تحتوي على العديد من الشرائح الرقيقة قد لا تفي بالغرض خصوصاً عندما تحتوي هذه الشرائح على ملايين الترنسيستور مثل المعالجات الحديثة التي تعمل بسرعات كبيرة تصل إلى 2GHz ولذلك يصبح اداء هذه الاجهزة اقل من المعدل المطلوب. ولهذا بدأ التفكير في استخدام التبريد بالماء لان الماء له معامل توصيل حراري اكبر من الهواء مما يعمل على نقل الحرارة بمعدل اكبر كما ان الماء له سعة حرارية كبيرة مما يكسب الماء خاصية فريدة وهي ان درجة حرارة الماء لا تتغير بسرعة عند امتصاص الحرارة الناتجة عن عمل الاجهزة ولهذا يعمل الماء على امتصاص اكبر قدر من الحرارة قبل ان تبدأ درجة حرارته بالارتفاع.
لذلك استخدام الماء لتبريد اجهزة الكمبيوتر يتفوق على استخدام الهواء حيث لم يعد الهواء كافي لتبريد الجهاز نتيجة لكمية الحرارة الناتجة هذا بالاضافة إلى الصوت المزعج الصادر عن مراوح التبريد فأجهزة الكمبيوتر التي تستخدم الماء لايصدر عنها اي صوت.

مكونات نظام التبريد بالماء
يعتمد نظام تبريد اجهزة الكمبيوتر بالماء على معدات تشبه معدات نظام تبريد محرك السيارة حيث يتطلب تمرير الماء خلال قنوات حاصة بالاضافة إلى المتطلبات التالية:
(1) مضخة مائية تعمل على تحريك الماء في دائرة من الانابيب المغلقة باستمرار.
(2) مبدد حرارة يعمل على مساعدة الماء التخلص من الحرارة التي اكتسبها ليتمكن من تبريد اجزاء الكمبيوتر في كل دورة.
(3) مروحة مثبتة فوق مبدد الحرارة تعمل اذا ارتفعت درجة حرارة الماء عن الحد الذي يفوق قدرة المبدد.
(4) مستودع تخزين للماء للاحتفاظ بكمية الماء اللازمة.
(5) أنابيب موزعة بدقة على الاجزاء التي يجب ان تبرد في جهاز الكمبيوتر.

هذه الاجزاء الملاصقة لمعالج الكمبيوتر بالاضافة لمعالج كرت الفيديو وغيره

يتم تبريد الشرائح الإلكترونية الرقيقة بواسطة الماء من خلال استخدام صندوق صغير يثبت على على الشريحة المراد تبريدها ويكون اسفل الصندوق من الالومنيوم او اي مادة لها معامل توصيل حراري كبير ويوصل بالصندوق انبوبان للماء احدهما يسمح للماء بالدخول والاخر للخروج. كما يفضل ان تستخدم مادة لاصقة حرارية بين الصندوق والشريحة الالكترونية لنضمن اكبر درجة من التوصيل الحراري.

مضخة تعمل بالطرد المركزي في نظام تبريد الكمبيوتر بالماء

تعمل المضخة بطريقة الطرد المركزي والتي تشبه مضخة التبريد لمحرك السيارة وبعض المضخات يتم غمرها في المستودع المائي والبعض الاخر تثبت خارج المستودع. وتعتبر المضخة من احد اهم الاجزاء في نظام التبريد التي تتحكم في سرعة تدفق الماء في النظام وكلما كانت سرعة الماء كبيرة كلما قل مقدار الامتصاص للحرارة واذا كانت سرعة التدفق قليلة فإن هذا يؤدي الى ان تنتشر الحرارة إلى الاجزاء المجاورة وقد تتسبب في خلل ولذلك فإن ضبط مقدار تدفق الماء ضروري جداً وتتحكم فيه عدة عوامل بالاضافة إلى قوة المضخة نفسها فمقاومة انابيب التوصيل والمبدد الحراري كلها تؤثر في معدل تدفق الماء. هذا بالاضافة إلى أقصى ارتفاع يجب ان يصل اليه الماء في تبريد اجزاء الكمبيوتر وخصوصاً في اجهزة الخادمات المرتفعة فان قوة مضخة الماء تعتبر امراً مهماً.

مضخة مع المستودع في نظام تبريد الكمبيوتر بالماء

يتخلص الماء من الحرارة التي يكتسبها من تبريد اجزاء الكمبيوتر عن طريق المبدد الحراري radiator وفي بعض الاحيان يتم استخدام مروحة اضافية ملاصقة للمبدد الحراري تعمل عند ارتفاع درجة حرارة الماء إلى درجة يتطلب فيها التبريد بمعدل اسرع.

يتم تثبيت مستودع الماء في حاوية مشغل الاسطوانات

اما الانابيب فيجب ان تكون مرنة بالقدر الذي يسمح لها بالمرور في الفراغات بين الأجزاء وتعمل الانابيب على توصيل المستودع المائي بالمضخة المتصلة بواسطة انابيب في صناديق التبريد الملاصقة للشرائح الالكترونية ومنها إلى المبدد الحراري وتعود مرة اخر الى المستودع، ويتم تثبيت المستودع المائي في الحاوية المخصصة لتشغيل الاقراص المدمجة.
يتم ملء المستودع المائي بماء مقطر لضمان عدم وجود املاح تسبب في خلل في المضخة او المبدد الحراري مع مرور الوقت. كما يتم في بعض الاحيان اضافة صبغة ملونة للماء لتعطي منظرا جذاباً وخصوصا في الاجهزة التي تظهر اجزاء الجهاز من الداخل كما يتم اضافة بعض المحاليل للماء التي تعمل على تقليل درجة التجمد للماء وتزيد من التوتر السطحي له لتجعل من المحلول اكثر قدرة على التوصيل الحراري.

شكل انابيب التبريد بالماء في جهاز كمبيوتر مضافاً اليها الصبغة الملونة

اذا قررت عزيزي القارئ ان تستخدم نظام التبريد بالماء لكمبيوترك فإنه من المفيد ان تقوم بتشغيل المضخة ومراقبة تدفق الماء في الانابيب لفترة من الزمن حتى تتأكد تماماً انه لايوجد تسرب قد يسبب خلل في بعض مكوناته. واذا تأكدت من ان كل شيء يعمل كما تريد يفضل ان تستخدم اي من البرامج التي تعطي لك معلومات عن درجة حرارة مكونات الجهاز اثناء العمل بالتبريد بواسطة الماء.
ليس نظام التبريد بالماء المستخدم فقط فهناك انظمة تعمل بالتبريد بواسطة النيتروجين السائل الذي تصل درجة حرارته إلى 210 تحت الصفر هذا بالاضافة الى ان بعض الافكار توصلت إلى وضع اجزاء الكمبيوتر في حوض به زيت طعام كسائل عازل للكهرباء للتبريد.