Kaskadikompressorilla prosessori kylmäksi
Muropaketissa jahdattiin viime keväänä neliosaisen ”3DMark06-ennätyksen metsästys” -artikkelisarjan parissa kovia tuloksia Intelin neliytimisellä Core 2 Extreme QX6700 -prosessorilla ja GeForce 8800 GTX SLI -konfiguraatiolla. Maailmanennätyksiä ei valitettavasti saatu aikaiseksi, mutta hupia riitti kuivajään, nestemäisen typen, jännitemodifikaatioiden, onnistumisten ja epäonnistumisten parissa. Testien tiimellyksessä kuivajäätä kului lähes sata kiloa ja nestemäistä typpeä kymmeniä litroja.
Optimaalisten asetusten ja maksimikellotaajuuksien hakemiseen vierähtää helposti useampi tunti, joten kalliit ja lämpökuormalla nopeasti haihtuvat kuivajää ja nestemäinen typpi eivät ole parhaita mahdollisia jäähdytyskeinoja kyseiseen puuhaan. Kevään aikana testilabrassa haudottiinkin pitkään ja hartaasti ajatusta kaskadikompressorijäähdytyksestä, jonka avulla prosessori saataisiin -100 astetta pakkaselle ja haluttuja parametreja voitaisiin viilailla kaikessa rauhassa.
Kaskadikompressorijäähdytyksiä ei valitettavasti kauppojen hyllyiltä löydy. Niiden ongelmana on tavallisille kuluttajille liian korkea hinta, vähäiset markkinat ja työläs valmistus. Koska kaupallisia vaihtoehtoja ei ole saatavilla, täytyy kaskadikompressorijäähdytyksestä haaveilevien rakentaa sellainen itse tai tilata valmis järjestelmä mittatilaustyönä.
Tanskalainen Asetek on nykyään ainoa valmistaja, joka tarjoaa kaupallisia kompressorijäähdytyksiä kuluttajille. Yrityksen tehokkain Vapochill LightSpeed testattiin Muropaketissa heinäkuussa 2004 eikä uusia malleja ole sen jälkeen julkaistu. Asetek on viime vuosina keskittynyt enemmän vesijäähdytykseen ja kauppaamaan tuotteitaan OEM-valmistajille. Vuosien varrella markkinoilla on ollut myös muutama muu kompressorijäähdytyksiä valmistava yritys. 2000-luvun alkupuolella KryoTech tarjosi kompressorijäähdytettyjä Athlon-kokoonpanoja (yllä olevassa kuvassa vasemmalla), mutta järjestelmien hinnat liikkuivat useissa tuhansissa dollareissa ja jäähdytysteho ei ollut päätä huimaava. Tee-se-itse-henkinen Chip-con tarjosi jonkin aikaa Prometeia-järjestelmiä (yllä olevassa kuvassa oikealla), mutta yritys ajautui kuitenkin parissa vuodessa konkurssiin. Chip-conin taustahenkilöt perustivat vielä uuden nVentiv-nimisen yrityksen, joka kauppasi Prometeiasta kehittyneempää Mach 2 -järjestelmää. Myös nVentivin elinkaari loppui lyhyeen.
Kesäkuussa otimme yhteyttä itävaltalaiseen Patrick ”cold_ice” Troschliin, joka on XtremeSystems.org -sivuston keskustelupalstalla tunnettu kompressorijäähdytysten rakentaja. Patrick oli helmikuussa rakentanut saksalaiselle ylikellottajalle joe_coolille rotaatiokompressoreista kaskadin, joka kykeni yli 300 watin lämpökuormalla pitämään höyrystimen lämpötilan alle -100 asteessa. Toiveena oli vastaavanlaisen järjestelmän hankkiminen, joka kasattaisiin metallikotelon sisälle. Kotelo olisi oiva apu suojaamaan laitetta kuljetuksissa ja näyttäisi samalla Muropaketin artikkelikuvissa tyylikkäämmältä. Patrick vastasi kyselyihin nopealla aikataululla ja kertoi kaskadikompressorijärjestelmän hinnaksi noin 1750 euroa, kotelon hinnaksi 150 euroa ja arveli kuljetuksineen kokonaiskustannukseksi 2000 euroa.
Patrick on itse aikoinaan kiinnostunut tietokoneiden ylikellottamisesta ja niiden jäähdytyksestä. Ajan myötä hän kuitenkin totesi, ettei nestekierto ollut riittävä jäähdytysratkaisu. Kompressorijäähdytykseen liittyviä artikkeleita netistä luettuaan Patrick alkoi rakentaa omia projektejaan. Ajan myötä kiinnostus ylikellottamiseen väheni ja kylmäkoneisiin kasvoi, joten Patrick alkoi valmistaa harrastusmielessä jäähdytysjärjestelmiä halukkaille korvausta vastaan. Alkuun hän lähinnä modifioi Vapochill- ja Mach-kompressorijäähdytyksiä tehokkaammiksi, mutta siirtyi pian rakentamaan mittatilaustyönä järeämpiä järjestelmiä asiakkaille. Nykyisin Patrick pyörittää omaa yritystä, joka myy kompressorijärjestelmien osia ja tarvittavia työkaluja.
Kaskadikompressorin toimintaperiaate
(Kuva: Refrigerationbasics.com)
Prosessorin kompressorijäähdytyksen juuret juontavat pakastimeen. Pakastimen kierto on täytetty kaasumaisella kylmäaineella, jonka kompressori puristaa korkeaan paineeseen. Lauhduttimessa kompressorilta tuleva kaasu muuttuu nesteeksi ja se luovuttaa lämpöä ympäristöön. Lauhduttimelta nestemäinen kylmäaine kulkeutuu kosteuden poistavan kuivaimen ja kapilaariputken kautta höyrystimelle, jossa se alkaa kiehua ja muuttuu takaisin kaasuksi. Tämän seurauksena lämpö siirtyy höyrystimen ympäristöstä höyrystimeen. Lopulta kylmäaineen kiehuessa syntynyt höyry palaa takaisin kompressorille puristettavaksi.
Hieman kehittyneemmässä ja prosessorin jäähdytykseen soveltuvassa kompressorijärjestelmässä on mukana muutamia lisäkomponentteja, sillä jäähdytystarve on erilainen kuin pakastimessa puolukoiden jäädyttäminen. Prosessorin tuottama lämpökuorma vaihtelee rasituksen mukaan ja tästä syystä järjestelmässä on hyvä olla termostaattisen paisuntaventtiili, jonka anturi tunnustelee imulinjan tulistusta. Tulistus on mittauskohdassa vallitseva höyryn lämpötilan ja höyrystymispaineen/-lämpötilan välinen ero. Mitattava tulistus ohjaa paisuntaventtiilin kautta tapahtuvaa kylmäaineen sisäänruiskutusta. Paisuntaventtiili on tarpeellinen, sillä jos kaikki kylmäaine ei muuttuisi höyrystimessä nesteestä höyryksi, kompressorille palaisi höyryn sijaan nestettä, joka koituisi sen kohtaloksi.
Lauhduttimen jatkeena painepuolella on kylmäainesäiliö, johon kerätään paisuntaventtiilin säädön seurauksena ylimääräiseksi jäävää kylmäainetta. Kylmäainesäiliön ja paisuntaventtiilin välissä käytetään usein tarkastuslasia, josta voidaan todeta, että kylmäaine kulkee nestelinjassa nestemäisenä.
(Kuva: XtremeSystems.org)
Kaskadikompressorijärjestelmässä on kytkettynä kaksi kylmäprosessia sarjaan. Ensimmäisen vaiheen kompressorin imupuoli (suction line) jäähdyttää toisen vaiheen kompressorin painepuolta (discharge line). Käytännössä tämä tapahtuu toisen vaiheen painepuolelle asennetun lämmönvaihtimen avulla, jota ensimmäisen vaiheen kylmäaine jäähdyttää.
Toisessa vaiheessa kompressorin puristama kylmäaine kulkeutuu kaasumaisena jäähdyttimelle, josta se jatkaa kulkuaan edelleen kaasumaisena öljyn erottimen kautta lämmönvaihtimeen. Ensimmäisen vaiheen imupuolen jäähdyttämässä lämmönvaihtimessa toisen vaiheen kaasumainen kylmäaine muuttuu nesteeksi. Nestemäinen kylmäaine kulkeutuu kapilaariputkea pitkin prosessorille asennettavalle höyrystimelle, josta se kiehuttuaan imetään höyrymäisenä takaisin kompressorille. Tarpeeksi tehokkailla kompressoreilla ja oikeilla kylmäaineilla höyrystimen lämpötila saadaan laskemaan alle -100 asteeseen.
