Kjøling er noe som mange IT interesserte blir fascinert av. Spesielt de som har drevet med overklokking av CPU og GPU. Temperaturen til en CPU avhenger av hvor stor hastighet den kjører på. Jo større hastighet CPU kjører på, jo mer strøm vil den bruke og på den måten blir den varmere.

Jeg og mine venner drev litt med overklokking av våre gamle datamaskiner som tenåringer. Denne interessen for å lage smarte løsninger for avkjøling av datamaskiner var noe av det som fikk meg til å tilfeldigvis bli utdannet Kuldemontør, og etter hvert ingeniør i kulde faget.

Men hva er egentlig varme og kulde? I denne artikkelen skal jeg forsøke å gi en kort introduksjon i hvordan kjølesystemer fungerer, og samtidig forklare hvordan vannkjøling til datamaskiner fungerer.

For å skjønne hva som er forskjellen på varme og kulde må man skjønne hva som gjør at noe er varmt eller kaldt.

Når man tilfører energi til noe, vil det bli varmere. Fjerner man energi fra noe blir det kaldere. Eksempler på dette er an elektrisk varmeovn. Skrur man på varmeovnen i ett rom blir rommet oppvarmet fordi varmeovnen tilfører rommet elektrisk energi i form av varme. Åpner man ett vindu ut av det oppvarmede rommet om vinteren vil varmen strømme ut av rommet. Da blir rommet kaldere.

Forskjellen på om noe oppleves som varmt eller kaldt er relativt. Det vi si at hvis vi mennesker som har en kroppstemperatur på 37,5 grader C, putter hånden vår i en bekk som holder 10 grader kjennes bekken kald ut. Grunnen er at det kalde vannet vil ta til seg eller absorbere varmen fra kroppen vår, akkurat på samme måte som når man åpner vinduet ut av ett varmt rom. Hvis du holder hånden over en kjele med kokende vann oppleves den varm fordi dampen som ryker opp av kjelen holder en temperatur som er høyere enn hånden vår. Varmen fra dampen vil da varme opp hånden vår.

Man tilfører aldri kulde. Når noe blir kaldere vil det si at man fjerner varme. Når man åpner husdøra når det er kaldt ute er det ikke kulda som kommer inn i huset, det er varmen som fyker ut!

Energi kan ha flere former. I forbindelse med vannkjøling av datamaskiner er det viktig å vite at energi kan ha form som elektrisk energi og varme. Det er lett å gjøre om elektrisk energi til varme, men langt mer komplisert å gjøre om varme til elektrisk energi.

Forskjellige stoffer kan holde på ulike mengde energi. Det vil si at noen stoffer kan tilføres lite energi før temperaturen stiger, mens andre stoffer kan tilføres mye energi før temperaturen stiger. Ett godt eksempel på dette er forskjellen på luft og vann.

Luft har en såkalt spesifikk varmekapasitet på 1005 [Joule / kg * K] og vann har en spesifikk varmekapasitet på 4200 [Joule / kg * K].

Det vil si att 1 kg luft (omtrent en kubikk meter luft) kan ta til seg 1005 Joule med energi før temperaturen øker med 1 °C. Sammenlignet med 1kg (1 desiliter) vann kan ta til seg 4200 Joule med energi før temperaturen stiger med 1 °C. Sagt på en annen måte er det "tregere" å varme opp vann enn luft.

Dette er grunnen til at det er så effektivt å avkjøle noe ved å dyppe det i vann, eller spyle det med vann. Noe som er glovarmt og dyppet i kaldt vann vill bli avkjølt uten at temperaturen i vannet stiger noe særlig.

Nå vet du sammenhengen mellom energi og temperatur, og at den spesifikke varmekapasiteten påvirker hvor godt egnet et stoff er til å holde på energi.

Hvor raskt man tilfører energi er det vi kaller for effekt. Effekt brukes til å angi hvor raskt man tilfører eller fjerner alle typer energi. For eksempel elektrisk effekt eller varme effekt.

Effekt = Energi / tid (W=E/s) eller Effekt = Joule / sekund.

Det vil altså ta en varmeovn på 2 000W vil bruke 10 sekunder på å tilfører et rom 20 000 Joule, og en varmeovn på 1 000W vil bruke 20 sekunder på å tilføre rommet like mye energi. Det er størrelsen på rommet som avgjør hvor mye temperaturen steg på de 10 sekundene.

Ett annet eksempel på hva effekt betyr er hvis du skal fjerne 100W effekt fra en CPU med et kjølesystem, må du fjerne 100 Joule i sekundet.

Nå som du har fått en liten introduksjon til termodynamikk, og fått ett innblikk i at vann er mye mer effektivt til avkjøling og oppvarming enn luft, og at effekt er hvor raskt man tilfører eller fjernet energi har du kanskje fått en viss følelse på hvorfor overklokkings entusiaster liker vannkjølings løsninger for CPU og skjermkort.

Siden vann har en større tetthet enn luft og en større varmekapasitet enn luft er det mindre volum vann som må flyte over noe som skal avkjøles sammenlignet med luft.

Den praktiske forskjellen på luftkjøling og vannkjøling er man kan sette på en vifte som blåser luft over kjøleribbene til en CPU, og med vannkjøling må vannet pumpes igjennom slanger eller rør til en kjøleblokk som er montert på CPU'en.

Til tross for at man kan oppnå en større kjøle effekt ved å ha en vannkjølt CPU fremfor en luftkjølt CPU vil man i realiteten oppnå å få en like kald CPU om kjøle systemet er vannbasert eller luftbasert - så lenge det er dimensjonert til å ha samme effekt eller ytelse. Effekten er lik ansett hvilken måte men fjerner den.

Uansett om systemet er luft eller vannbasert og uansett hvor stor effekt kjølesystemet er dimensjonert til å kunne fjerne vil man aldri klare å avkjøle CPU til en lavere temperatur enn det er i rommet datamaskinen står. Derfor blir spørsmålet: hvorfor er det egentlig populært med vannkjølte datamaskiner?

En av hovedårsaken til at vannkjøling er populært er at det er mer stillegående sammenlignet med viftekjølte datamaskiner. I tillegg kan man lage ganske kule systemer som er pene å se på.

Årsaken til at man kan lage så stillegående vannkjølings systemer et at man bytter ut en liten, rask og bråkete vifte som blåser luft over kjøleribber montert på en CPU med flere store, trege og stillegående vifter som blåser luft over en stor radiator.

Et vannkjølingssystem har fire hovedkomponenter: Pumpe, kjøleblokk, radiator og vann. Hvis en av disse slutter å fungere eller ikke er der, vil vannkjølings systemet slutte å fungere. Ett vannkjølingssystem er med andre ord veldig enkelt oppbygd, men som med all annen teknologi må skjønne funksjonen til disse komponentene for å kunne bygge og vedlikeholde de.

For å få denne forståelsen kan vi ta utgangspunkt i ett enkelt vannkjølings system som kun har som oppgave å avkjøle en CPU. Se figur 1 for skisse over systemet.

Her har vi ett system som består av en radiator, kjøleblokk og pumpe. Alle disse komponentene er koblet sammen i en loop ved hjelp av slanger og rør som rører sirkulerer gjennom.

Vann strømmer ut av radiatoren og inn i kjøleblokken. Kjøleblokken er varm fordi den blir varmet opp av CPU. Når det kalde vannet fra radiatoren kommer inn i kjøleblokken vil vannet bli oppvarmet før det strømmer videre. Når vannet blir oppvarmet av kjøleblokken skjer det en overføring av varme fra kjøleblokken til vannet. Når kjøleblokken overføre energi til vannet blir kjøleblokken kaldere.

Kjøleblokken vil hele tiden bli tilført varme av CPU, og få fjernet varme av vannet som strømmer igjennom. Kjøleblokken er med andre ord en varmeveksler, og har som oppgave å overfører varme fra noe til noe annet. I dette tilfellet fra CPU til vannet i vannkjølings systemet.

Når vannkjølings systemet klarer å fjerne like mye effekt som det CPU avgir vil ikke temperaturen i CPU forandre seg. Hvis CPU avgir mer effekt enn det kjøle systemet klarer å fjerne vil temperaturen i CPU stige, og hvis CPU avgir mindre effekt enn det kjøle systemet klarer å fjerne vil temperaturen i CPU synke.

Det oppvarmede vannet strømmer så videre til radiatoren for å bli avkjølt. Siden vannet har en høyere temperatur enn rommet datamaskinen er plassert i vil luften som blåser over radiatoren oppta varmen fra radiatoren. Når energien i vannet overføres til luften synker temperaturen på vannet.

Pumpen er plassert på den varme delen av vannkjølings systemet og har som oppgave å sirkulere vannet. Siden pumpen blir tilført energi i form av strøm for å pumpe vann, vil noe av energien bli overført til vannet den sirkulerer i form av varme. For at kjøleblokken ikke skal bli påvirket av denne energitilførselen plasseres pumpen på den varme delen av systemet.

Ytelsen til radiatoren er derfor summen av avgitt effekt fra CPU og tilført effekt til pumpen.

Med de fire hovedkomponentene har vi ett teoretisk minimum av komponenter for at kjøle systemet skal fungere. Men i realiteten må vi ha noen flere komponenter. Se figur 2 for ett komplett vannkjølings system

Alle materialer som varmes opp bil utvides. Dette gjelder også vann. Det vil si at vann 1kg med vann som holder 40 grader vil ha ett større volum enn 1kg med vann som holder 20 grader. I ett vannkjølings system må vi ha en måte som gjør at ikke rørene og de andre kompentene blir skadet av at vannet utvider seg. Dette løses enkelt med en liten tank. Når vannet varmes opp og avkjøles vil vann nivået i tanken øke eller minke.

For å forhindre algevekst i vannet og korrosjon av komponenter tilfører vi kjemikalier som dreper bakterier og stopper korrosjon. For vannkjølings systemer til datamaskiner har man mulighet til å kjøpe slike stoff som har den fargen du måtte ønske. Dermed kan du få ett kult system du kan stolt vise frem til venner.