Pull to refresh

Системы охлаждения — от радиатора до жидкого азота! Часть 2

Computer hardware
Продолжение статьи о системах охлаждения. Часть 1.

image

Много текста, трафик.

Система жидкостного охлаждения


Третий в моем обзоре тип системы охлаждения, пожалуй, один из самых интересных, эффектных и эффективных.

Как я уже говорил, с законами физики не поспоришь. Рост тактовых частот и производительности современного компьютера неизбежно сопровождается повышением энергопотребления его элементов, следствием этого является увеличение тепловыделения. В свою очередь, это заставляет производителей создавать все новые и все более эффективные системы охлаждения.

Первый раз с такой системой я познакомился поздно – в конце 2006 года на выставке Home Interactive Technologies (HIT) в Питере. Тогда я участвовал в конкурсе моддинга и рядом с моим модом стоял мод парня, который сделал шикарнейший мод с применениям водяного охлаждения.

image

image

Система жидкостного охлаждения – это такая система охлаждения, в качестве теплоносителя в которой выступает какая-либо жидкость.
Вода в чистом виде редко используется в качестве теплоносителя (связано это с электропроводностью и коррозионной активностью воды), чаще это дистиллированная вода (с различными добавками антикоррозийного характера), иногда — масло, другие специальные жидкости.

image

Главная разница в использовании воздушного и жидкостного охлаждения заключается в том, что во втором случае для переноса тепла вместо нетеплоемкого воздуха используется жидкость, обладающая гораздо большей, по сравнению с воздухом, теплоемкостью.

Принцип действия системы жидкостного охлаждения отдаленно напоминает систему охлаждения в двигателях автомобиля — через радиатор вместо воздуха, прокачивается жидкость, что обеспечивает гораздо лучший теплоотвод. В радиаторах охлаждаемого объекта вода нагревается, после чего вода из этого места циркулирует в более холодное, т.е. отводит тепло.

Журчит ручей


Типичная система состоит из водоблока, в котором происходит передача тепла от процессора теплоносителю, помпы, прокачивающей воду по замкнутому контуру системы, радиатора, где происходит отдача тепла от теплоносителя воздуху, резервуара (служит для заполнения системы водой и прочих сервисных нужд) и соединительных шлангов.

image

Поверхность соприкосновения водоблока с процессором обычно отполирована до зеркального отражения, по уже озвученным мною причинам. Через знакомый термоинтерфейс водоблок крепится на охлаждаемый объект. Обычно он крепится с помощью специальных скоб, что исключает его возможность двигаться. Бывают водоблоки и для видеокарт, но явных отличий от принципа действия процессорных водоблоков нет – все различия в креплении и форме радиатора.

Одна из частых проблем обладателей систем жидкостного охлаждения это перегрев околопроцессорно-сокетных элементов материнской платы, которые могут греться ни чуть не хуже своего старшего брата. Связано это с тем, что обычно в таких системах отсутствует циркуляция холодного воздуха. Как этого избежать? Совет, пожалуй, один – выбирайте системы (совмещайте) с дополнительным кулером, который будет охлаждать остальные греющиеся силовые элементы.

Водоблок через специальные трубки соединяется с радиатором, крепиться который может как внутри системного блока, так и снаружи (например, с задней стороны системника). Второй вариант, пожалуй, предпочтительнее. Судите сами: больше свободного места внутри системного блока, более низкая температура окружающей среды положительно влияет на радиатор. Плюс он дополнительно обдувается корпусным вентилятором.

image

image

Резервуар для жидкости, или иначе, расширительный бачок, так же может находиться снаружи системного блока. Его объем в штатных системах варьируется от 200мл до литра.

Производители систем охлаждения стараются заботиться о своих пользователях и прекрасно понимают, что для хорошей системы охлаждения место найдется внутри не каждого системного блока. Тем более, нужно учитывать, что каждый производитель как-то хочет выделиться на фоне других. Поэтому существует огромный выбор внешних систем жидкостного охлаждения (понятное дело, что без соединительных трубок с радиатором на конце никак не пренебречь). Их не стыдно выставить напоказ; обычно внутри таких систем скрывается сразу все – помпа, резервуар, продуваемый вентиляторами радиатор. Но и стоят они, обычно, демонстративно дорого.

image

image

image

Итог по системам водяного охлаждения


Для чего же применять жидкостные системы охлаждения? Ведь если посудить строго, то обычных штатных кулеров всегда достаточно, в обычных условиях работы ПК (если бы это было не так, то их бы не ставили, а ставили системы жидкостного охлаждения). Поэтому чаще всего такую систему следует рассматривать с позиции разгона – тогда, когда возможностей воздушной системы охлаждения будет не хватать.

Другим плюсом жидкостной системы охлаждения является возможность ее установки в ограниченном пространстве корпуса. В отличие от воздуха, трубки с жидкостью можно задать практически любые направления.

Ну и еще один плюс такой системы – ее беззвучность. Чаще всего помпы заставляют циркулировать поток воды по системе, не создавая шума больше значения в 25 дБ.

Минус, как я уже отметил – зачастую, дороговизна установки.

Система охлаждения на элементах Пельтье


Среди нестандартных систем охлаждения можно отметить одну очень эффективную систему – на основе элементов Пельтье. Жан Шарль Атаназ — французский физик, открывший и изучивший явление выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Устройства, принцип работы которых использует данный эффект, называются элементы Пельтье.

image

В основе работы таких элементов лежит контакт двух проводников с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт этих материалов, электрону необходимо приобрести энергию, чтобы он мог перейти в зону с бОльшей энергией проводимости другого полупроводника. Охлаждение места контакта полупроводников происходит при поглощении этой энергии. Нагревание же места контакта происходит при протекании тока в обратном направление.

На практике используются только контакт двух полупроводников, т.к. при контакте металлов эффект настолько мал, что незаметен на фоне явления теплопроводности и омического нагрева.

Элемент Пельтье содержит одну или несколько пар небольших (не больше 60х60 мм) полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре [обычно теллурида висмута (Bi2Te3) и германида кремния (SiGe)]. Они попарно соединены металлическими перемычками, которые служат термическими контактами и изолированы не проводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединены так, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости — протекающий электрический ток протекает последовательно через всю цепь. В зависимости от того, в каком направлении течет электрический ток, верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом переносится тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаётся разность температур.

image

При охлаждении нагревающейся стороны элемента Пельтье (радиатором или вентилятором) температура холодной стороны становится ещё ниже.

image

Итог по элементам Пельтье


К достоинствам такой системы охлаждения можно отнести небольшие размеры и отсутствие каких-либо подвижных частей, а также газов и жидкостей.
Ложкой дегтя является очень низкий коэффициент полезного действия, что приводит к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Если включить термоэлектрическую пластинку без нагрузки (процессор не будет греться), то Вы рискуете стать свидетелем интересной картины – на элементе Пельтье, при охлаждении до точки росы, появится иней, который хлебом не корми – дай закоротить контакты.

Так же, если элемент Пельтье выйдет из строя, то будет еще одно зрелище – из-за отсутствия контакта между радиатором (или кулером) и процессора, последний моментально нагреется и может выйти из строя.

Элементы Пельтье еще обязательно найдут широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств они легко позволяют получить температуры ниже 0°C.

Системы фазового перехода (фреоновые установки)


Чувствуете, как читая текст, становится все холоднее и холоднее? Еще бы – медленно, но верно спускаемся в диапазон низких температур.
Сейчас мы рассмотрим не очень распространенный, но очень эффективный класс систем охлаждения – системы, хладагентом в которой выступают фреоны. Отсюда и название – фреоновые устанвоки. Но более правильно было бы называть такие системы системами фазового перехода. На принципе действия таких систем работают практически все современные бытовые холодильники.

Но давайте по-порядку. Один из вариантов охладить тело — заставить вскипеть на нем жидкость. Для перехода жидкости в пар, необходимо затратить энергию (энергия фазового перехода) – то есть закипая, жидкость отбирает тепловую энергию от окружающих ее предметов. Но мысленно возвращаясь в стены школьного кабинета физики, мы вспомним, что при текущем давлении мы не сможем нагреть жидкость выше температуры ее кипения. Кто из нас показывали друзьям такой фокус – наливая сок в пластиковый стаканчик и держа под дном стакана пламя? Можете попробовать — никаких катаклизмов не произойдет, пока весь сок не выкипит ;)

Всем известная Википедия трактует слово «Фреоны» как галогеноалканы, фторсодержащие производные насыщенных углеводородов (главным образом метана и этана), используемые как хладагенты. Кроме атомов фтора, в молекулах фреонов содержатся обычно атомы хлора, реже — брома. Известно более 40 различных фреонов; большинство из них выпускается промышленностью. Фреоны — бесцветные газы или жидкости, без запаха.

image

Если же взять такую жидкость, которая будет закипать, скажем, при -40°С, то сосуд, в котором свободно кипит эта жидкость (такой сосуд называют испарителем), будет очень сложно нагреть. Его температура будет стремиться к -40°С. А поставив такой сосуд на нужный нам объект охлаждения (например, на процессор), мы сможем добиться того, чего и хотели – охладить систему.

Но понятное дело, лазить с определенным интервалом под стол и заливать жидкость в испаритель никто не будет – нужно из пара жидкости опять получить саму жидкость, которая будет снова подаваться в испаритель. Вот Вам пища для самостоятельных размышлений.

image

Ладно-ладно. В результате размышлений вы должны прийти к схеме следующего вида: мощный компрессор после испарителя качает газ и подает его под большим давлением в конденсор. Там газ конденсируется в жидкость и отдает тепло. Конденсор, выполненный в виде радиатора, рассеивает тепло в атмосферу – этот этап мы уже хорошенько рассмотрели в предыдущих системах. Далее жидкий фреон поступает к испарителю, где выкипая, отбирает тепло – вот и весь замкнутый цикл. Цикл «фазовых переходов» потому так и назван — фреон попеременно меняет свое агрегатное состояние.

Системы фазового перехода, испарители (холодильники) которых устанавливаются непосредственно на охлаждаемые элементы, называются системами «Direct Die». Холодными в такой системе являются только сам испаритель и отсасывающая трубка, остальные же элементы могут иметь комнатную температуру или выше. Холодные элементы нужно тщательно теплоизолировать для предотвращения образования конденсата.

image

Минусом фреонок является относительная громоздкость испарителя и отсасывающей трубки, поэтому объектом охлаждения выбираются лишь процессор и видеокарта.

image

Есть и еще одна разновидность систем охлаждения, о которой я пока не упомянул – чиллеры. Этот класс систем состоит в основном из систем жидкостного охлаждения, отличием же является наличие второй части (холодильника теплоносителя), которая работает вместо радиатора – зачастую эта часть является той самой системой фазового перехода. Достоинством такой системой является то, что ей можно охладить все элементы системника, а не только видеокарту и процессор (в отличие от «direct die»-систем). Система фазового перехода чиллера охлаждает лишь теплоноситель системы жидкостного охлаждения, то есть в замкнутом контуре течет очень холодная жидкость. Отсюда и минус систем такого типа – необходимость изолирования ВСЕЙ системы (водоблоки, трубки, насосы и т.п.). Если же изолировать не хочется, то можно использовать маломощную фреоновую установку для чиллера, но тогда об экстремальном разгоне можно будет забыть. Тут уж выбирайте, Вам шашечки или ехать.

image

Итог по фреонкам


К блестящей стороне медали можно отнести возможность достижения очень низких температур, возможность постоянной работы (в отличии от системы, которая рассмотрена далее). Высокий КПД системы (потери минимальны). Из постоянных систем охлаждения, фреонки – самые мощные. При этом они позволяют выносить тепло из корпуса, что положительно сказывается на температурах внутри него.

К стороне медали, намазанной дегтем, относятся такие особенности системы, как сложность изготовления такой системы [ серийно выпускаемых систем не так много, цены сопоставимы со стоимостью запуска шаттла ;) ]. Небольшой вес и маленькие габариты – все это в полной мере отсутствует в установках данного типа.

Условная стационарность системы. Практически во всех случаях (кроме тех случаев, когда Вы не планируете заниматься экстремальным разгоном) – потребуется теплоизоляция всей системы. Ну и самый, пожалуй, негативный момент – более чем ощутимый шум от работы (50-60 дБ).

image

Еще одним минусом фреонок является то, что на покупку фреона нужна лицензия. У кого ее нет, выбор не велик: в свободной продаже есть только один — R134a (точка кипения которого -25°С).

Существует еще один хладагент — R290 (пропан), но сейчас он не используется в охладительных системах (возгораемость). Он обладает очень хорошими свойствами: точка кипения -41°С, совместим с любым маслом компрессора и главное, дёшев.
Одевайте варежки, «слоники» и шапки с шубой — мы добрались до самого холодного момента в этой статье.

Система экстремального охлаждения


Ну и в завершающей главе моей сегодняшней статьи станут системы, в качестве хладагента в которых используется жидкий азот.

Жидкий азот представляет собой прозрачную жидкость, без цвета и запаха, температурой кипения (при нормальном атмосферном давлении) которой равна ни много ни мало -195.8 градусов по Цельсию! Для хранения жидкого азота применяют специальные резервуары — сосуды Дьюара объемом от 6 до 40 литров. Тут вот Word подсказывает, что 40 литров это еще и 70.39 английских пинтов, 84.52 американских, 10.56 галлонов или 42.46 квартов ;)

image

image

Установки данного типа предназначены только для экстремального охлаждения, в экстремальных условиях. Одним словом, при разгоне.

Всем по стакану


Системы с жидким азотом не содержат никаких помп (температура, знаете ли, не располагает ;) или других подвижных элементов. Она представляет из себя высокий металлический (медный или алюминиевый) стакан с дном, который плотно соединяется с центральным процессором. Достать такую штуковину не так-то просто (хотя что в наше время не купишь?) – поэтому умельцы зачастую делают его самостоятельно.

image

image

Основной проблемой при разработке стакана является обеспечение процессора при полной нагрузке минимальной температурой. Ведь теплопроводные свойства жидкого азота сильно отличаются от той же воды. Он берет лишь тем, что «промораживает» стенки стакана, позволяя охладить процессор до температуры ниже 100 градусов. А так как тепловыделение камешка в простое и в режиме полной нагрузки отличается достаточно существенно (а скачки происходят мгновенно) — стакан часто не в состоянии вовремя эффективно отвести тепло. Для современного процессора оптимальной температурой является -110-130 градусов. Да, подойдет не любой термоинтерфейс. DeDaL советует AS ceramique.

После изготовления стакана, его (и материнскую плату) нужно тщательно теплоизолировать, чтобы конденсат, который неминуемо образуется от такого перепада температур, не замкнул какие-нибудь контакты на материнской плате. Обычно используют различные пористые и пенистые материалы, например вспененный каучук – неопрен. В несколько слоев обматывают отрезанным куском, после чего закрепляют тем же скотчем.

image

image

image

image

С изоляцией материнской платы несколько сложнее. Чаще всего поступают так – заклеивая разъемы, все «заливают» диэлектрическим лаком. Причем, с обратной стороны материнской платы такую процедуру тоже нужно проделать – в районе процессорного сокета. Такая лакировка абсолютно не мешает работе платы (хотя, вы автоматически лишаетесь гарантии – так, на всякий случай, если еще не лишились) – но зато вы почти гарантированно исключаете возможность пострадать от протекания жидкого азота.

Махмуд, поджигай!



Дальше все просто. После того, как Вы тщательно соберете все компоненты, можно приступать. С помощью какой-то промежуточной емкости (например, термос или какой-то другой теплоизолированный стакан) наливаете азот в стакан на материнской плате, после чего можете мучить свою систему, например, проведением забугорского синтетического теста ;)

Кстати о тестах – вот список тех бенчмарков, которые официально приняты:
— 3Dmark 2001
— 3Dmark 2003
— 3Dmark 2005
— 3Dmark 2006
— Aquamark 3.0
— Super Pi как самый фундаментальный
— Pifast

Для часа работы компьютера достаточно 4-5 литров азота. Заливать в стакан нужно примерно до половины, причем постоянно поддерживая этот уровень.

image

image

image

Достать азот в наше время не является нерешаемой задачей. На каком-нибудь заводе вам его отпустят по цене рублей в 30 за литр. Попробовать купить его можно и в различных медицинских учреждениях. Естественно, нужно везде заранее созваниваться и все узнавать!

image

image

image

Что будет, если азот попадет на какую-либо часть тела? Смотря на какую. Если в глаза – пиши-пропало. Если же немного прольется на руку – ничего страшного не случится. Дело в том, что на поверхности кожи азот сразу закипает, благодаря этому между рукой и азотом образуется воздушная прослойка. Но все в этом мире не вечно… поэтому купаться и даже умываться крайне не советую. Устрашающего вида теплоизоляционные перчатки на руках тех, кто работает с азотом – это чаще всего просто требуемая техника безопасности, за несоблюдение которой больно ругают.

image

Что является недостатком такой системы охлаждения? Мне кажется, тут все очевидно. Вряд ли кто-то будет спокойненько серфить интернет или моделировать что-то, пусть и ресурсоемкое. Систему с азотом нельзя собрать в небольшую системку под столом и чтобы она там сама по себе стояла. Говоря иначе, такое охлаждение не подходит для решения бытовых задач – нужен постоянный и ответственный контроль, все нужно стараться делать тщательно и без ошибок.

Но зато как элегантно и демонстративно это со стороны…;)

Морозная свежесть


Итак, самое время подвести итоги. Мы узнали, что является самым главным нагревателем в компьютере — это центральный процессор, он же камень. После камня друг за другом идут видеокарта, чипсет материнской платы, жёсткий диск, системная память и различные платы расширения. Практически всегда и на всех компонентах компьютера, требующих охлаждения, оно(охлаждение) уже установлено и для штатного режима работы его вполне достаточно. Если Вы не собираетесь разгонять компьютер, то и модифицировать систему охлаждения Вам не имеет смысла.

Основное, что нужно помнить – что обязательно нужна вентиляция внутри корпуса, т.к. холодный воздух, приходящий из окружающей среды, для той же видеокарты будет намного полезней, чем установка или замена идущего в комплекте кулера на более дорогой.

Если же в Ваши планы входит разгон, то всегда нужно помнить 4 простых правила, однажды кем-то озвученных:

1. Всегда есть вероятность схода с дистанции каких-то участников мероприятия, по разным причинам — начиная от неправильных действий разгоняющего и кончая неправильными действиями производителя, не предугадавшего, что вот именно данная конкретная железка пойдет В РОССИЮ и там ее однозначно будут эксплуатировать на различных нештатных режимах.

2. Гарантии (и возможности продать это оборудование как исправное) в таком случае вы скорее всего лишаетесь, и винить в этом вы будете вынуждены только себя.

3. Устройства «noname» китайского производства рекомендуется исключить из состава вашей машины.

4. Три кита, на которых держится разгон — голова на плечах, руки с правильной заточкой, хорошее охлаждение. При отсутствии хотя бы одного из них можете расслабиться и о разгоне забыть.

Титры


Возможно, в каких-то моментах я был не прав – каюсь. Возможно, Вы все это давно знали – тогда искать причину «вселения злого духа» в компьютер Вам нужно самостоятельно и в другом месте. Я же свою миссию, рассказать об основных системах охлаждения, считаю выполненной ;) Задавайте вопросы, комментируйте.

P.S. Глава про азотное охлаждение была проверена и одобрена мировым рекордсменом по экстремальному охлаждению, DeDal-ом. Благодарю за помощь! ;)

image

P.P.S Если кому понравилась картинка с бумером (делал сам), то вот фулсайз ) Клик.

Морозной Вам свежести! Успехов.
Tags:
Hubs:
Total votes 116: ↑107 and ↓9 +98
Views 83K
Comments 80
Comments Comments 80

Posts