[Tự build PC] Bài 2: Cơ chế hoạt động của tản nhiệt khí/nước và keo tản nhiệt

Hiện nay trên thị trường phổ biến 2 loại tản nhiệt: Air Cooler (tản nhiệt bằng hệ thống lá nhôm và quạt, hay tản nhiệt khí) và Liquid Cooler (tản nhiệt bằng chất lỏng hay tản nhiệt nước).

Về tản nhiệt khí:

Đầu tiên là tản nhiệt đi cùng CPU. Tản nhiệt này rất phổ biến, anh em mua CPU nếu mua dạng nguyên hộp (Box) thì thường sẽ được tặng kèm 1 cái tản nhiệt khí kiểu này. Nếu mua dạng không hộp (Tray) thì không có. Chiếc tản nhiệt khí tặng kèm CPU dù không đẹp nhưng nó đủ để làm mát cho con CPU đi kèm với nó. Vì vậy anh em muốn tiết kiệm chi phí có thể tận dụng chiếc tản nhiệt này, nếu có nhu cầu cao hơn chẳng hạn như OC nhẹ hay muốn CPU hoạt động ở hiệu năng cao nhất mà vẫn mát, dùng về lâu dài thì có thể đầu tư một chiếc tản nhiệt khí tốt hơn, mua rời.

Về cơ bản, tản nhiệt là một thiết bị giúp đưa nhiệt nóng từ CPU ra ngoài và để đưa luồng nhiệt này đi, tản nhiệt cần có các ống dẫn truyền nhiệt (heat pipe) thường là bằng đồng và có các lá tản nhiệt (heat sink) bằng nhôm để thấp thụ cũng như khuếch tán nhiệt. Để tăng tốc độ khuyết tán, tản nhiệt thường đi kèm với quạt. Đây là thiết kế cơ bản nhất của tản nhiệt làm mát bằng khí. Không chỉ tản nhiệt khí cỡ lớn dùng trên máy bàn, hệ thống tản nhiệt trên laptop cũng có thiết kế tương tự.

Cơ chế hoạt động của tản nhiệt khí như sau. À mà mình sẽ giải thích theo những thắc mắc của anh em nha!

*Với ống đồng và mấy cái lá nhôm đó, làm sao làm mát cho CPU?

Mình nghĩ đây là thắc mắc của rất nhiều anh em và tiện đây mình giải thích cụ thể hơn tí. Bên trong các ống đồng dẫn truyền nhiệt (heat pipe hay pipeline trên laptop) là một loại chất (coolant) có thể biến đổi trạng thái, thường là hợp chất amoni với ethanol hay nước cất. Chất này được cho vào ống đồng, chỉ một lượng vừa đủ không đầy, sau đó ống đồng được hút chân không và hàn kín lại.

Anh em để ý bên dưới mỗi cái tản nhiệt khí đều có một bề mặt tiếp xúc với CPU - bề mặt này được làm bằng vật liệu có tính dẫn nhiệt cao và bên trên CPU có 1 cái nắp vừa có chức năng bảo vệ cho con CPU bên trong, vừa có diện tích lớn để dẫn truyền nhiệt từ CPU ra ngoài nhanh hơn. Vậy nên, khi bắt tản nhiệt vào CPU, chúng ta sẽ cần phải bôi keo tản nhiệt lên phần nắp này, áp tản nhiệt lên và siết thật chặt để đảm bảo nắp CPU và bề mặt tiếp xúc của tản nhiệt được tiếp xúc với nhau tốt nhất có thể. Còn chức năng và cách trét keo tản nhiệt thì mình sẽ nói thêm bên dưới.

Nhiệt từ CPU khi hoạt động sẽ được nắp CPU hấp thụ và truyền lên bề mặt tiếp xúc của tản nhiệt. Từ đây nhiệt sẽ đưa nhiệt đến các ống đồng từ đó làm nóng chất lỏng bên trong ống đồng. Chất lỏng này khi nóng sẽ chuyển đổi trạng thái từ lỏng sang khí, một phần lớn năng lượng nhiệt sẽ được giải phóng ở quá trình chuyển đổi này và khí bắt đầu bay lên đầu kia của ống đồng, bước vào giai đoạn phân tán.

Khí nóng di chuyển lên đầu kia của ống đồng, tại đây nó sẽ được ngưng tụ. Khí nóng ở đây mát dần, chuyển thành trạng thái lỏng và theo các mao dẫn (thường thiết kế dạng các rãnh nhỏ quanh thành trong của ống đồng) trở lại vị trí ban đầu là nơi chúng tiếp xúc với nhiệt nóng từ CPU. Quá trình này cứ lặp đi lặp lại, lỏng > nóng > khí > ngưng tụ > mát > lỏng.

*Vai trò của các lá nhôm khuếch tán (heatsink) là gì? Tại sao nó lại có thiết kế lớn như vậy và cả cái quạt nữa?

Anh em để ý nha, 1 cái tản nhiệt có nhiều ống đồng và chúng thường rất dài và dài đến đâu thì heatsink cũng dày theo đến đó. Heatsink gồm rất nhiều lá nhôm mỏng, xếp rất gần nhau với mật độ dày và bề mặt các lá nhôm rất lớn. Trong quá trình khí nóng di chuyển lên trên đầu kia của ống đồng để ngưng tụ, nhiệt được hấp thụ và khuếch tán bởi các lá nhôm này. Luồng khí được làm mát nhờ dòng khí mát được đưa vào từ quạt. Thành ra trên đường đi, khí nóng được làm mát dần và khi đến đầu ngưng tụ của ống đồng, khí ngưng tụ đã đạt được nhiệt độ mát hơn, đủ để trở lại trạng thái lỏng và chảy xuống lại.

*Tản nhiệt khí có nhiều cỡ, vậy có phải càng to càng tốt không?

Anh em nên nhớ rằng hiệu quả khuếch tán nhiệt của một chiếc tản nhiệt, tản khí hay tản nước đều phụ thuộc vào diện tích bề mặt - ở đây chính là heatsink với hàng tá lá nhôm với bề mặt lớn, đối với tản nhiệt nước chính là cái rad mà lát nữa mình nói kỹ hơn tí. Vì vậy, các nhà sản xuất tản nhiệt thường tìm cách tối ưu diện tích bề mặt, càng nhiều diện tích bề mặt, càng nhiều diện tích khuếch tán nhiệt. Nhiều hệ thống tản nhiệt với bề mặt khuếch tán lớn thậm chí không cần dùng đến quạt.

Thế nhưng một chiếc tản nhiệt tốt cũng có thể có thiết kế nhỏ. Khác biệt nằm ở vật liệu, ống đồng xịn hơn với chất coolant cao cấp hơn, thiết kế rảnh mao dẫn tối ưu hơn, bề mặt tiếp xúc giữa tản nhiệt và CPU mượt mà hơn với độ gồ ghề cực thấp để tăng tối đa khả năng dẫn truyền nhiệt cũng như chất liệu làm heatsink cao cấp hơn.

Hiện tại những chiếc tản nhiệt khí hiệu năng cao vẫn có thiết kế truyền thống, ống đồng chi chít, heatsink cỡ lớn, có 2 hay thậm chí 3 quạt, rất hầm hố.

Về tản nhiệt nước:

Hay gọi là tản nhiệt nước (Liquid Cooler) và có 2 dạng, 1 là loại tản nước kit (hồi xưa hay gọi là closed loop) và loại tản nước custom (open loop). Khác biệt cơ bản của 2 loại này là tản nước kit là sản phẩm có thể dùng ngay, tức anh em mua cái tản nước kit về thì nó đã được thiết kế hoàn tất, lắp đặt đơn giản mà không cần nhiều kỹ thuật hay kinh nghiệm. Tản custom thì anh em sẽ cần có kiến thức nhiều hơn, phải mua nhiều thành phần như block, rad, ống nước, đầu fit, quạt tản, máy bơm, tank .... nghe tới đây đủ thấy phức tạp. Thành ra trong một bài hướng dẫn cho anh em mới toanh về PC thì mình chỉ nói về tản nước kit, dễ gắn dễ dùng.

Cá nhân mình thích dùng tản nước kit hơn bởi nó rẻ tiền, đỡ tốn công bảo trì và hạn chế rủi ro rò rỉ nước so với các hệ thống tản nước custom tự làm. Có điều nó không được đẹp theo đúng ý mình như tản nước custom, chúng ta buộc phải hy sinh thôi.

Hiện tại có rất nhiều thương hiệu tản nhiệt nước kit bán chính hãng trên thị trường, CoolerMaster với dòng MasterLiquid, IDCooling, NZXT với dòng Kraken nổi tiếng, DeepCooler có dòng Captain, Antec thì Kuhler, ... rất nhiều thương hiệu, đủ loại thiết kế và các tính năng màu mè mà anh em có thể chọn lựa nhưng tựu chung đều có thiết kế cơ bản như nhau:

Đầu tiên tản nhiệt nước cũng có một bề mặt tiếp xúc với CPU để lấy nhiệt tương tự như tản nhiệt khí mình nói ở trên và thường có hình tròn. Nhiệt được hấp thụ bởi bề mặt này sẽ khuếch tán bằng một hệ thống các lá đồng nhỏ, mật độ dày nằm ở mặt kia. Tại đây, nhiệt sẽ được đưa vào chất lỏng bên trong hệ thống tản nhiệt nước, thường là hỗn hợp nước cất và ethanol.

Bên trong cái cục to đùng này là cả một hệ thống gồm máy bơm với chân vịt và hệ thống phân dòng, tất cả được đóng kín nhờ các ron cao su dày. Máy bơm làm quay chân vịt, cũng giống như máy bơm nước mà anh em dùng ở nhà để đẩy dòng nước lên một bộ phận giống như cái két làm mát trên xe máy hay xe hơi, gọi là radiator hay rad.

Sẽ có 2 ống nối giữa cụm hấp thụ nhiệt, máy bơm với rad, một ống sẽ đưa dòng chất lỏng nóng từ CPU lên rad.

Từ đây luồng nước nóng chảy vào các ống siêu mỏng bên trong rad, cần lưu ý là cái rad này chia làm đôi nha anh em, một nửa trên sẽ là đường đi của nước nóng, nước nóng chảy vào các ống siêu nhỏ bên trong rad và trên đường chảy dọc theo chiều dài của rad, nhiệt sẽ được khuếch tán bằng hệ thống heatsink gồm các lá nhôm hay đồng xếp hình mang cá. Nghe tới đây thì anh em có thể liên tưởng tới cơ chế tản nhiệt của tản khí hen.

Và cũng tương tự, nước nóng giảm dần nhiệt độ nhờ hệ thống quạt tản nhiệt. Hiện tại có 3 cỡ rad tiêu chuẩn là 120 mm, 240 mm và 360 mm tương ứng với 3 cỡ này là 1 quạt, 2 quạt và 3 quạt. Thường khi anh em mua tản nhiệt nước kit sẽ được tặng kèm 2 quạt 120 mm, anh em có thể gắn quạt cả 2 mặt. Chi tiết hơn về cách lắp đặt tản nhiệt nước kit thì mình sẽ nói cụ thể trong một bài khác.

Khi chảy xuống tới đáy rad, áp lực từ máy bơm tiếp tục đẩy nước quay ngược trở lại, đánh vòng U turn như khi anh em quay đầu xe và lần này nước chảy vào các ống siêu nhỏ thuộc nửa kia của rad. Nhiệt độ của nước một lần nữa được giảm xuống theo cơ chế tương tự, tức làm mát 2 lần, 1 lần chảy đi 1 lần chảy về. Khi về tới đầu rad thì nước tập trung vào tank và đưa vào ống nước lạnh chạy về CPU. Nói là lạnh nhưng thực chất nhiệt độ của nước không phải lạnh như nước đá, nó vào khoảng 20 - 30 độ C. Chu kỳ này diễn ra liên tục và CPU được làm mát liên tục, cũng giống như cơ chế của tản khí.

Về keo tản nhiệt:

Dù là tản nhiệt gì đi nữa thì keo tản nhiệt (thermal paste) là một thành phần không thể thiếu và rất quan trọng đối với hiệu quả tản nhiệt của mọi hệ thống. Bạn dùng tản nhiệt khí hay tản nhiệt nước thì bạn vẫn phải trét keo tản nhiệt lên nắp CPU rồi mới đè chặt cái tản nhiệt lên trên. Tại sao vậy?

Như đã nói ở trên, CPU dẫn nhiệt lên tản nhiệt khí hay tản nhiệt nước thông qua một bề mặt tiếp xúc có tính dẫn nhiệt rất cao. Nắp CPU được làm bằng kim loại và bề mặt tiếp xúc này cũng được làm bằng kim loại, nhìn bằng mắt thường thì có vẻ mịn màng láng o nhưng nếu đặt dưới kính hiển vi, chúng ta sẽ thấy bề mặt này không đều. Bề mặt kim loại không thể phẳng tuyệt đối, bản chất chúng luôn có những rảnh hay lỗ siêu siêu nhỏ và để đảm bảo mặt tiếp xúc của tản nhiệt và nắp CPU tiếp xúc tốt nhất, chặt nhất thì chúng ta cần phải có keo tản nhiệt.

Keo tản nhiệt hay vật liệu dẫn truyền nhiệt bề mặt có chức năng dẫn nhiệt và cũng có chức năng lấp vào khoảng trống do sự thiếu hoàn hảo của bề mặt kim loại giữa nắp CPU và bề mặt tiếp xúc của tản nhiệt, từ đó tạo ra một tiếp xúc phẳng, diện tích tiếp xúc được khai thác tối đa, mang lại hiệu quả dẫn truyền nhiệt tối đa.

Keo tản nhiệt thường được làm bằng các hợp chất từ silicon, carbon, gốm (phổ biến) cho đến keo tản nhiệt dạng kim loại lỏng như bạc hay thậm chí là trộn mạt kim cương bên trong để tăng hiệu quả tản nhiệt.

Trong bài tới, mình sẽ hướng dẫn anh em cách trét keo tản nhiệt và lắp tản nhiệt. Anh em đó xem nhé 😁