Фреоновая система охлаждения для компьютера

Фреоновые холодильные установки — устройство, схемы

Современные фреоновые холодильные установки представляют собой высокотехнологичные агрегаты, которые широко применяются на многих промышленных, складских и торговых предприятиях. Их применение позволяет сохранить потребительские свойства скоропортящихся деликатных товаров и обеспечивает высокое качество продукции, реализуемой конечному потребителю.
Фреоновые холодильные установки просты в эксплуатации, надежны и долговечны. Они представляют собой компрессионные системы, отбирающие тепло при помощи кипящего холодильного агента. Промышленные холодильные установки в качестве хладагента для работы по замкнутому циклу используют фреон. Это рабочее вещество обладает низкой температурой кипения и инертно в химическом отношении – оно не горит на воздухе, устойчиво к воздействию кислот и щелочей.

Фреоновые установки могут использоваться для обеспечения различных температурных процессов:

• охлаждения при средних температурах;
• шоковой заморозки;
• хранения при низких температурах;
• интенсивного охлаждения жидкостей;
• и других технологических процессов.

Компоненты системы

Проще всего собирать чиллер на базе бытового конциционера. Желательно найти кондиционер, который использует газ R22, а не R134а, так как R22 испаряется при низшей температуре. Для данных целей также подходит система от холодильника. Я использовал кондиционер 5000BTU, обычно в них устанавливаются компрессоры мощностью в 1/2 л.с.

В качестве резервуара подойдет любая ёмкость с теплоизоляцией, а в крайнем случае можно сделать самому. В моем случае — это изолированный бачок для холодной воды.

Главная головная боль тех, кто рискнул заниматься экстремальным охлаждением — теплоизоляция для предотвращения конденсата. Простых методов, описанных в статье «Теплоизоляция ватерблоков» перестанет хватать, если температура приблизится к нулю и ниже. Поэтому в ход пойдет «тяжелая артиллерия». Для теплообменников — монтажная пена-заполнитель и изолента, для трубок и шлангов — поролон с закрытыми порами. Обязательно использование диэлектрической смазки для мест установки ватерблоков (также можно использовать силиконовое покрытие, но его потом невозможно удалить с плат).

Собственно компоненты системы водяного охлаждения, ватерблоки и помпа. Мой комплект состоит из PolarFlo CPU waterblock, Danger Den Z-Chip block, Swiftech MCW50 VGA block и помпы Rio Aqua 1400.

Следующий вопрос — выбор хладагента. В данном случае я руководствовался двумя параметрами: жидкость не должна замерзать при низких температурах и иметь как можно большую теплопроводность. Для низких температур подходят антифриз (кто бы сомневался;)), водка или смесь вода+метанол. Я выбрал метанол: он ядовит (внимание!), но обладает наилучшей теплопроводностью. Один из самых простых способов его достать — купить в автомагазине жидкость для стеклоочистителя.

Воздушное

Можно разделить на →

Принцип работы пассивного охлаждения заключается в передаче тепла от нагревающегося элемента на радиатор. Радиатор может быть сделан из алюминия или меди, а более продвинутые модели имеют тепловые трубки, которые помогают увеличить площадь рассеивания тепла.

Радиатор полученное тепло рассеивает в окружающее пространство, тем самым отводя его от нагревающихся компонентов.

Эффективность такого пассивного охлаждения, напрямую зависит от циркуляции воздуха и его температуры.

Чем больше объема воздуха, участвует в теплообмене и чем ниже его температура, тем лучше работает пассивное охлаждение.

Субъективно, полностью пассивную воздушную систему охлаждения создать невозможно, так как для создания потоков воздуха внутри замкнутого объема, так или иначе нужны вентиляторы.

• Относительная бесшумность
• Меньше вентиляторов — выше надёжность, но надо просчитать, хватит ли возможностей вашей пассивной системы для охлаждения всех компонентов компьютера.

• Заводское пассивное охлаждение дорогое удовольствие. В основном им занимаются моддеры и энтузиасты, для которых цена не важна
• Требуется компьютерный корпус большого объема, для достаточной циркуляции воздуха и продуманную систему охлаждения всего системного блока
• В таких условиях, к разгону компьютера нужно подходить очень осторожно.

Ну а теперь подробно разберем активное воздушное охлаждение. Оно самое распространенное и недорогое. Главное подойти к его организации с умом.

В этом способе используются вентиляторы совместно с радиаторами . Обычно их называют куллерами. Вентилятор обдувает радиатор, который отводит тепло от греющего его компонента компьютерной системы. Чем больше воздушный поток проходящий через радиатор и чем он холоднее, тем эффективнее происходит охлаждение.

• Дешевле и надежнее, чем жидкостное охлаждение
• Большая гибкость в организации систем охлаждения ПК.

• Шум от большого количества работающих вентиляторов. Если брать вентиляторы большего размера, хорошего качества и с небольшой скоростью вращения, можно сильно снизить издаваемый шум системным блоком. Нужен комплексный подход
• В мощных системах, где большое энергопотребление и соответственно высокое выделение тепла, требуется грамотная организация воздушных потоков и обдуманного подхода к охлаждению каждого сильно греющегося компонента (видеокарта и процессор).

Теперь перейдем к альтернативным способам охлаждения ⇒

Заключение

Система Xpressar безусловно является новым словом в компьютерной индустрии. Как у всех новинок, у нее есть свои плюсы и минусы. Главное преимущество системы заключается в высокоэффективном охлаждении, которое не могут обеспечить привычные вентиляторы, кулеры и даже жидкостные системы охлаждения для ПК. Основной недостаток — такие системы пока не актуальны для рядовых пользователей. Кулеры с активным охлаждением успешно решают проблему охлаждения любых современных систем, а стоят на порядок дешевле, занимают меньше места, их легче чинить и менять. Кроме того, система Xpressar подходит для весьма ограниченного числа плат и процессорных гнезд, что также снижает ее шансы оказаться в ПК обычного пользователя. Эта проблема возникает из-за того, что конструкция лишена какой­либо мобильности вследствие наличия в ней металлических трубок и конструкций. На наш взгляд, если система станет гибкой, то есть появится возможность подвода охлаждающей площадки в любое место системной платы, то такие решения действительно могут обрести популярность. Кроме того, подобным образом можно будет охлаждать и другие компоненты, а именно графические платы.

Возникнет ли потребность в таких системах в будущем — сказать сложно, поскольку технологии совершенствуются чересчур быстро и строить какие­либо прогнозы в данной сфере довольно тяжело. Сейчас же к Xpressar проявят интерес прежде всего оверклокеры и компьютерные энтузиасты, которые экспериментируют с экстремальными режимами работы системы. Для них решение компании Thermaltake действительно может стать панацеей, поскольку, в отличие от сложных установок на базе жидкого азота, Xpressar не требует лабораторных условий и открытых стендов. Кроме того, по слухам, компания Thermaltake продолжает разработку данной серии и в будущем может появиться более мобильное решение, которое, как сегодня СЖО (системы жидкостного охлаждения), будет занимать несколько 5-дюймовых слотов.

Если говорить о готовом решении на базе корпуса Xaser VI, то производитель выбрал очень удачную оболочку для новой системы охлаждения. Данный корпус очень удобен и позволит построить систему по любым запросам. Единственным его минусом являются большие габариты — не каждый пользователь готов поставить подобный корпус дома. Как бы то ни было, мы считаем, что стремление Thermaltake найти что­то новое, взглянуть на проблему охлаждения иначе более чем похвально и рано или поздно принесет плоды.

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.

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.

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

Обратная сторона медали

Прочитав выше представленный материал, пользователь подумает: сложного ничего нет — достаточно взять побольше радиатор, да организовать хороший поток воздуха. Это, конечно, все так. Но есть еще два фактора: стоимость и шум. Цена на системы охлаждения растет с развитием графических ускорителей, которым требуется все больше энергии. В результате этого растет и тепловыделение. Как несложно догадаться, чтобы отводить все тепло, нужны более габаритные радиаторы и целый набор вентиляторов. Чем больше система охлаждения, тем больше необходимо материалов для ее изготовления. От этого напрямую зависит ее цена.

Дешевые видеокарты, как правило, имеют алюминиевые радиаторы и один вентилятор. Такие системы работают довольно эффективно, но создают много шума. Конечно, более дорогие модели получают более эффективную систему, которая может похвастаться тихой работой, а ведь именно от этого зависит комфорт пользователя.

Наиболее бесшумно работает жидкостное охлаждение. Однако оно стоит довольно дорого, поэтому его установка целесообразна лишь в дорогие системы. Со временем такие системы, конечно же, будут получать большее распространение и доступную стоимость. Возможно, даже смогут вытеснить привычные кулеры на второй план. И все же, говорить об этом пока рановато. Поэтому рассмотрим самые интересные системы охлаждения, которые заслужили популярность среди пользователей.

Как работает кондиционер (контуры с фреоном)

Но для начала разберёмся с тем как работает кондиционер.

Напольный кондиционер — ничем не отличается от обычных сплит систем, состоящих из двух блоков: в которых одна часть вешается снаружи здания, а другая — внутри помещения.

Отличия только по корпусу — тут обе части собраны внутри одной коробки, из которой выходит с одной стороны тёплый воздух, а с другой холодный.

Но показывать я буду на схеме то, как это работает в системах из двух модулей, это будет полезнее для общего развития.

Холода — не существует

И перед тем как начать рассказ ещё уточню очень важную вещь по поводу холода, потому что когда я скажу, что штука которая потребляет 800 Ватт может иметь холодопроизводительность 3 Киловата некоторые сразу покрутят пальцем у виска и закроют браузер.

Суть в том, что так же как не существует тени — не существует и холода.

Тень — это не некая субстанция или что-то такое. Тень — это место в котором меньше света, чем в окружающих местах. Так же и холод. Предметы, которые мы называем холодными, относительно каких-то тёплых — это просто те предметы, которые содержат в себе меньше тепловой энергии, чем окружающие предметы, но если предмет не охлаждён до абсолютного нуля, то тепловая энергия в нём всё равно есть.

Холодильное оборудование — занимается насильственным перемещением энергии.

То есть эта штука тратит 800 Ватт не на то, чтобы как-то создать несколько киловатт какой-то несуществующей холодоэнергии. 800 Ватт тратится на то чтобы принудить атомы и малекулы поделиться тепловой энергией не так как они хотят.

Естественные методы отвода тепловой энергии

При этом — для создания условий для увода откуда-то тепла не обязательно вообще специально прикладывать внешнюю энергию. Самый яркий пример — это работа такого измерительного прибора как психрометр.

Психрометр — это прибор измеряющий влажность воздуха.

Классическая конструкция состоит из двух градусников — один измеряет температуру воздуха, а второй также измеряет температуру в том же помещении, но не воздуха, а смоченного водой фитиля. И градусники показывают разные температуры, тот что смочен — всегда показывает более низкую температуру.

Причина этой разницы в испарении воды. Дело в том, что при испарении улетучиваются наиболее энергетичные малекулы жидкости. И при этом забирая часть общей тепловой энергии. Таким образом — на фитиле образуется среда с меньшим количеством тепловой энергии, чем на всех окружающих поверхностях.

И чем суше воздух, тем проще малекулам воды оторваться от общей жидкости. То есть чем суше воздух, тем большая потенциальная яма между энергиями может образоваться. Собственно — два градусника и измеряют эту потенциальную яму, которая через специальную табличку пересчитывается в значение влажности помещения.

Ровно так же — работает терморегуляция потоотделением у человека.

Кондиционеры охлаждают окружающее пространство испарением жидкости

Из того, что я написал в заголовке очевидно, что кондиционеры работают также и каким-то образом — в эти ящики засунули этот же физический эффект — с отбиранием энергии при испарении.

Сложность только в том, что с психрометром мы получаем мизерный отвод энергии, то есть мы охлаждаем жалкие граммы воды на несколько градусов, и всё это зависит от окружающей влажности, а на самом деле ещё и от атмосферного давления. И у нас ещё и расходуется рабочее тело, то есть улетучивается с фитиля вода, которую надо постоянно подливать. И на этом потихоньку перейдём уже к кондиционерам. Наше рабочее тело, которое в психрометре вода в разрезе работы кондиционера мы далее будем называть хладагентом. Кстати, вода как хладагент тоже применяется, и в холодильных штуках она называется R718.

Но давайте разберёмся с тем, что нас не устраивает в простом испарении с фитиля?

Нам надо как-то эту систему сделать закрытой, то есть возвращать испарившуюся жидкость обратно, чтобы не надо было её подливать, ну и самое главное нам надо создать физические условия в которых мы будем получать нужные размеры потенциальной температурной ямы и при этом нам надо поставить этот процесс на поток, так чтобы охлаждались не граммы хладагента и несколько миллиграмм ртути в градуснике, а ещё и охлаждать какую-то рабочую среду, то есть воздух в холодильнике или квартире, или, если кто уже забыл, у нас цель охладить процессор.

На каких физических принципах реализована работа?

Чтобы понять что мы в силах сделать нужно вспомнить ещё несколько физические особенностей превращений из газа в жидкость и обратно.

Суть в том, что эти переходы для одной и той же жидкости зависят от давления.

Допустим в высоких горах вода кипит уже при температуре ниже 80 градусов, тогда как в автоклавах или скороварках — из-за высокого давления вода может оставаться жидкой и при температуре 150 градусов.

Интереснее наблюдать то, как газы ведут себя при смене давлений.

Допустим у вас есть бутылка шампанского комнатной температуры.

Пока она закрыта — внутри в не занятой жидкостью частью от выделившихся газов создаётся высокое давление, при раскупоривании бутылки — давление снижается, так как стремится выровниться с атмосферным, но при этом мы наблюдаем то, что тот же газ, что только что был комнатной температуры расширившись резко снизил температуру и перешёл через точку росы для окружающего пространства, превратившись в небольшое облачко переохлажденного пара.

И того, собирая все эти эффекты в кучу мы имеем то, что изменяя давление мы можем заставлять хладагент кипеть при более низких температурах, так чтобы он в это время забирал энергию из окружающего пространства, а так же мы можем заставлять это же рабочее тело быть жидким при более высоких температурах так что мы сможем это тело отводить обдувом окружающим воздухом, и в это же время на переходе между зонами высокого и низкого давления рабочее тело будет ещё и само расширяясь охлаждаться, или сжимаясь нагреваться.

И если это всё делать внутри закрытого контура — то наша простая идея с мокрым фителём уже становится кондиционером.

Простейшая схема контура кондиционера (фреонки)

Теперь давайте разберёмся с тем как это реализовано на практике.

Как вы уже поняли — у нас есть контур в котором надо сделать два разных давления, низкое — в котором хладагент в холодном состоянии будет ещё и кипеть испаряться на низких температурах.

И часть контура где давление высокое — в котором хладагент будет тёплым и это тепло будет легко отдать в атмосферу.

Достигается эта разница за счёт компрессора и подпирающего капилляра (или терморегулирующего вентиля).

Компрессор

Капилляр

Терморегилирующий вентель (более крутая штука, чем просто капиляр). Пропускание через вентиль регулируется гайкой (слева) и за счёт термобаллона, который нагреваясь или охлаждаясь вносит дополнительную регулировку для пропускания хладагента

Для закрепления рассказа давайте коротко пройдёмся по контуру, как он работает.

Начнём с места сразу за капилляром.

За ним — хладагент получает резкое расширение из-за падения давления — меняется температура кипения и хладагент, испаряясь начинает забирать всё тепло, до которого он может дотянуться, это тепло в кондиционере подаётся в контур за счёт обдува радиатора,

который в холодильных штуках называется испаритель, ну то есть грубо говоря — охлаждается радиатор испарителя. Испаряющийся хладагент с полученной из среды энергией высасывается из контура низкого давления — компрессором,

и компрессор его впихивает в часть контура высокого давления, в котором это давление удерживается за счёт того, что среда подпирается капилляром. В этой части контура — из-за повышения давления рабочее тело нагревается, и так же из-за высокого давления переходит на больших температурах, чем испарялось ранее в жидкую фазу, при этом хладагент в это время теплее окружающего воздуха,

а значит это тепло можно отвести обычным окружающим воздухом, используя второй радиатор, который, в холодильных штуках называется конденсатором, именно в этом месте полученное ранее тепло — отдаётся в окружающую среду.

Ну и дальше рабочее тело проталкивается через капилляр (пошёл рассказ по второму кругу), выходя из него в зону низкого давления расширяясь, охлаждаясь и вновь забирая тепло при испарении из окружающей среды и так совершая круги раз за разом.

Ну и понятное дело, что на деле — все эти процессы во всех зонах происходят постоянно. То есть через капилляр постоянно проталкивается рабочее тело, за капилляром оно постоянно — охлаждается и испаряется забирая тепло, испарения постоянно забирает компрессор и т.д.

Ну и тут, конечно, наступает сложная задача по тому чтобы найти нужный баланс давлений и температур.

Создаётся он во первых подбором рабочего тела, то есть разные хладагенты имеют разные температуры кипений на разных давлениях, во вторых баланс этот создаётся за счёт подбора количества хладагента в контуре, и за счёт рассчитанной сложности прохождения хладагентом капилляра или вентиля.

Собственно — вентилем более точно регулируется пропускаемость хладагента, можно пропускать его хуже, тогда разность давлений в разных частях контура будет больше, больше будет потенциальная яма передаваемых энергий, но хуже энергоэффективность и меньше объём переносимого тепла, так как рабочее тело будет сложнее крутить по контуру и самого рабочего тела в зоне испарения будет меньше, что чревато и перегревом зоны охлаждения.Вентили как правило имеют обратную связь, то есть управляются в зависимости от текущей нагрузки, изменяя пропускание хладагента.

Собственно — вот такие вот кондиционеры способны переносить примерно в три раза больше тепловой энергии, чем затрачивается на их работу.

Что дальше?

В следующих частях мы более подробно разберёмся с тем как снижение температуры влияет на физические характеристики процессора, как изменяется сопротивление, и допустимая частота без изменения напряжения. Это мы сделаем при помощи напольного кондиционера.

А затем уже перейдём к серёзной кастомной фреонке, которая будет охлаждать горячии стороны модулей пельтье. Модули пельтье будут охлаждать жидкостной контур, в который будет отводиться тепло от процессора. В такой системе мы сможем достичь достаточно низкие температуры для более явных физических изменений.