Водяная система охлаждения процессора и как она работает

Жидкостное охлаждение для компьютеров

В конце позапрошлого века появились первые автомобили, послужившие вехой технического прогресса и мобилизации человечества. Их двигатели сначала были примитивны, маломощны, шумны и работали на воздушном охлаждении. Но вот не проходит и десяти лет, и вместе с ростом мощности и более сбалансированной работой двигатель внутреннего сгорания получает гораздо более эффективное жидкостное охлаждение. Этот способ охлаждения миллионов моторов является неизменным атрибутом комфортного автомобиля и по сегодняшний день.

Первые ПК не имели проблем с охлаждением своих процессоров вообще. Потом они обзавелись радиаторами. Далее – небольшими вентиляторами. Что мы имеем теперь? Сегодня стоимость средств охлаждения для процессоров из верхнего модельного ряда уже приближается к цене самих CPU из нижних моделей. Чрезвычайно возросла мощность современных кулеров, их габариты, вес, обороты двигателей и диаметр вентиляторов. Стали критичны обработка и качество материала. Если раньше возможностей кулеров хватало с запасом, то сегодня они уже с трудом справляются со своими задачами. Увеличивать мощность вентиляции становится все сложнее, так как размеры и вес процессорных кулеров уже достигают критичных значений.
Вместе с ростом вычислительной мощности современные процессоры потребляют все больше и больше энергии. Основная ее часть выделяется в виде тепла. Этот непрерывный тепловой поток можно отбирать только через ограниченную площадь процессорного ядра. Производители стараются бороться с потреблением энергии и тепловыделением переходом на более низкие напряжения питания и технологические нормы. С уменьшением микронных норм производства потребление мощности действительно уменьшается, однако уменьшается и площадь кристалла самого ядра, что, в свою очередь, ведет к увеличению плотности теплового потока. И хоть тепла становиться меньше, но снизится ли температура внутри ядра меньшей площади – это уже под вопросом. С увеличением интеграции и уменьшением площади чипа отвод тепла с его поверхности становится все более трудной задачей. Здесь уже требуются специальные материалы и теплоносители. Неизменный рост тактовых частот предполагает неизбежное увеличение тепловыделения CPU в дальнейшем. Для процессоров с тактовыми частотами превышающими 2 ГГц рекомендуются кулеры с радиаторами из меди либо хотя бы с медной подошвой на алюминиевом радиаторе. Что будет за медью? Серебро? Напыление из золота? Или что-то еще?

Как бы не справлялся воздушный кулер с охлаждением процессора, но куда он девает тепло? Ответ ясен – выкачивает (вытягивает) его вовнутрь системного блока. Туда же сбрасывают свое тепло и кулер видиокарты, порядком греющиеся приводы жестких и оптических приводов, радиаторы чипсета и т.д. Но все эти устройства охлаждаются тем же воздухом из системного блока, который они сами и нагревают. Круг тепловой конвекции замыкается. Температура внутри корпуса компьютера стала так же актуальна, как и нагрев внутренних устройств. Результат – интенсивная принудительная вентиляция всего системного блока. Если раньше корпуса комплектовались одним посадочным местом под фронтальный вентилятор, причем производители не особо заботились о вентиляционных отверстиях напротив него, то теперь внутри стандартных корпусов предусмотрено 2-3 места под вентиляторы. Кроме того, в продаже появилась масса всевозможных «бловеров», блоков вентиляторов под слотовые и 5,25” отсеки.
Рекомендация, ставшая уже аксиомой: берите корпус большого объема, потому что в нем лучше циркуляция воздуха. Вот куда тратится пространство корпуса – на циркуляцию воздуха. Притом, что какой-либо специальной организации путей для воздуховодов в обычных корпусах нет вообще, и эффект от вентиляции зависит от комплектации конкретного компьютера, от загромождения его внутреннего пространства шлейфами и платами расширения. Процессор и другие устройства охлаждаются воздухом изнутри корпуса. Эффективность воздушного охлаждения напрямую зависит от температуры воздуха внутри системного блока. Требуется продуманная вентиляция внутреннего пространства корпуса. Но вот заставить течь потоки воздуха в нужном направлении весьма сложно, путь ему преграждают всевозможные устройства, шлейфы, внутренние закоулки. Воздух по большому счету не циркулирует по заданному пути, а перемешивается внутри корпуса.
Если корпуса с воздушным охлаждением спроектированы специально, с компактным расположением элементом и четкой организацией воздуховодов, что характерно для серверов, то и здесь очень остро стоит проблема организации и сечения воздуховодов. Вентиляторы внутренних устройств нагнетают воздух на свои радиаторы под определенным давлением. Эффективное сечение воздуховода должно быть сравнимо с площадью вентилятора. Приходится предусматривать широкие воздушные внутренние магистрали. Эти магистрали должны обеспечивать достаточную пропускную способность для отвода тепла и доступа к холодному воздуху.
В случае охлаждения системы жидкостью ситуация коренным образом меняется. Охлаждающая жидкость циркулирует в изолированном пространстве – по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любую конфигурацию и направление. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы при такой же или гораздо большей эффективности.

Структура систем жидкостного охлаждения

Для многих не будет секретом, что СВО могут быть открытого (кастомные) и закрытого типа (готовые необслуживаемые решения для охлаждения конкретного типа комплектующих). И если с последними все понятно, то первая категория может быть построена по трем основным принципам:

Схема с параллельным подключением. Все узлы запитаны от одной помпы, которая гонит хладагент к радиатору с кулерами. Через решетку радиатора вода охлаждается и подходит к железу, с которых снимается тепловая энергия. Горячая жидкость возвращается в резервуар с помпой и процесс повторяется заново. Схема выглядит следующим образом.

Схема с последовательным подключением. Элементы также охлаждаются параллельно и очень эффективно, но для этого необходимо иметь мощную помпу и весьма оборотистые вертушки, которые смогли бы оперативно охлаждать хладагент в радиаторе. Схема прилагается.Есть так называемые комбинированные или двухконтурные водянки. Принцип работы основан на последовательном методе, однако каждый контур ориентирован на одну железку. Довольно дорогая схема как в плане строительства, так и по обслуживанию. Хотя владельцы топовых конфигураций в погоне за максимальной производительностью не видят в подобном решении ничего зазорного.

Компоненты системы водяного охлаждения

В составе классической СВО должны быть следующие компоненты: водоблок, радиатор, помпа, резервуар, теплоноситель. Не забудем также о штуцерах каждого из узлов и соединительных шлангах.

Системы водяного охлаждения: теория и практика

Водоблоки отбирают тепло от греющихся компонентов ПК, передавая их энергию жидкости в контуре СВО. Существуют модели, предназначенные для охлаждения процессоров, чипсетов, графических чипов (или же видеокарт в целом), модулей памяти, винчестеров.

При выборе теплосъемника следует обратить внимание на металл основания (желательна медь), универсальность крепления. Некоторые экземпляты могут быть использованы для охлаждения любого из таких компонентов – чипсета, GPU, CPU. Предпочтение нужно отдавать моделям с развитой внутренней структурой (большое количество штырьков или тонких ребер), хотя нелишним будет ознакомиться со сравнительными тестами кандидатов на покупку. Производством водоблоков занимаются как компании с мировым именем – Asetek, Alphacool, Swiftech, Thermaltake и др., так и отдельные фирмы/энтузиасты (у нас хорошо известны ProModz, Silentchill, Waterworker). Детища ведущих изготовителей зачастую демонстрируют более высокую эффективность, чем их конкуренты, хотя бывают и исключения. Обратите внимание: разница в цене между первыми и последними далеко не всегда соответствует возможному выигрышу в производительности.

Радиатор рассеивает тепловую энергию, накопленную жидкостью при прохождении сквозь водоблоки. Чем больше площадь его ребер – тем выше запас прочности отдельной системы. Эффективность радиатора во многом зависит от наличия его дополнительного обдува. В компьютерах преимущественно используются модели под один, два или три 120-миллиметровых вентилятора, хотя встречаются и другие. Нередки примеры применения автомобильных (от так называемых «печек») и даже нескольких ребер радиаторов комнатного отопления.

Зачастую для эффективного охлаждения СВО одного компонента системного блока достаточно иметь в контуре медный теплорассеиватель под один вентилятор, если же TDP комплектующих велико и/или планируется охлаждать несколько устройств одновременно, лучше запастись более габаритными моделями.

Помпа предназначена для прокачки жидкости в контуре СО. Основные их типы – погружные (способны работать только при полном погружении в теплоноситель), внешние и универсальные.

Существуют как модели, питающиеся от 12-вольтовой линии компьютерного БП, так и устройства, рассчитанные на подключение в сеть ~220 В.

Основные характеристики помп – объем перекачиваемой жидкости (измеряется в литрах за час работы) и максимальная высота подъемного столба. Чем больше эти показатели, тем эффективнее будет СВО. Достаточной для среднестатистической системы является помпа, способная реально прокачать 400–600 литров жидкости за час. Модели помощнее часто имеют повышенный уровень шума и собственного тепловыделения, внося и свою лепту в нагрев теплоносителя, поэтому при выборе следует соблюдать баланс характеристик. Отметим, что мощность дешевых помп от малоизвестных производителей зачастую существенно ниже заявленной, поэтому покупать следует продукты именитых брендов – Aquacomputer, Eheim, Hydor, Swiftech.

Резервуар (расширительный бачок) служит для удобства заправки системы и устранения воздушных пробок в контуре СВО. В принципе можно обойтись и без данного узла, но тогда придется хорошо повозиться во время сборки и запуска «водянки».

Рабочая жидкость (теплоноситель) передает энергию от водоблоков к радиатору СВО. Зачастую в домашних системах используется дистиллированная вода или специальные смеси на ее основе с добавлением антикоррозионных присадок и УФ-красителей. Можно применить обычную воду из крана, предварительно прокипятив и охладив ее. Для предотвращения размножения в жидкости микроорганизмов в контур добавляют обычный спирт.

Штуцеры служат для соединения компонентов между собой. При построении СВО нужно использовать только такие, которые имеют одинаковый внешний диаметр – тогда не возникнет проблем со шлангами. Помните, что слишком тонкие штуцеры увеличивают гидросопротивление контура, снижая эффективность охлаждения.

Существуют три основных вида штуцеров – с насечкой или гладкие без фиксаторов, с зажимными гайками и так называемые push-on, которые не требуют дополнительных приспособлений для надежной фиксации шлангов.

Соединительные шланги могут быть нескольких типов – силиконовые, ПВХ и армированные. Первые наиболее удобны, хорошо гнутся, не перегибаются, но дороги. Поливинилхлоридные (ПВХ) шланги, предназначенные для использования в пищевой промышленности, наиболее доступны рядовому энтузиасту. Они хорошо гнутся, однако при сборке СВО нужно проявлять максимальную осторожность, не допуская заломов. Третий тип – армированные – применяются в сантехнике. Их чрезмерная жесткость способна вызвать перекос водоблоков при монтаже в системе и течи при использовании некачественных зажимных хомутиков.

Для надежной фиксации и устранения возможных протеканий системы внутренний диаметр соединительных трубок должен быть на 1–2 мм меньше, чем внешний – штуцеров. Помпа СВО развивает сравнительно невысокое давление, и если шланг надежно фиксируется без вспомогательных средств, то дополнительные зажимы и не понадобятся.

Остальные компоненты (индикаторы потока, датчики температур, системы управления работой помпы и т. д.) выполняют второстепенные функции, и большинству пользователей они в принципе не особо нужны.

Почему универсальное водяное охлаждение лучше самосбора?

Как видно из представленного выше списка оборудования, для водяного охлаждения ПК задействовано множество компонентов. Да и сама процедура сборки не то чтобы простая. Именно поэтому на начальном этапе логичнее выбрать СВО формата «все в одном», которые объединяют в себе вышеуказанные элементы в простом для установке комплексе. К тому же такие универсальные системы обойдутся дешевле.

Универсальные СВО оптимально подходят и для новичков, и для опытных пользователей, поскольку не предлагают собирать систему охлаждения самостоятельно из множества деталей: Насос зафиксирован прямо на водоблоке, трубки и фитинги предварительно собраны, и все сделано так, чтобы вам не приходилось возиться с водой. При этом такие системы обеспечивают не менее эффективный теплоотвод, чем самосбор.

Обратите внимание, что жидкостное охлаждение формата «все в одном» может применяться не только в связке с центральными процессорами материнских плат, но и с графическими картами. Кстати, есть еще одна причина, которая оправдывает использование универсальных СВО: программное обеспечение. Как правило, каждый производитель таких систем предлагает софт, позволяющий создавать устанавливать индивидуальные профили скорости вращения вентиляторов и работы насоса, контролировать нагрев CPU/GPU и настраивать RGB-подсветки.

Больше воздуха! Как выбрать кулер для процессора компьютера?

реклама

Ситуация с флагманскими домашними процессорами обстоит так, что воздушное охлаждение уже в штатном режиме справляется с ними с трудом и это несмотря на наличие припоя под крышкой. Причём если 8 ядер от АМД можно вполне успешно разгонять используя лучшие воздушные кулеры, то перед 8 ядрами от Интел пасуют и они. В итоге жидкостное охлаждение как никогда актуально для высокопроизводительных систем. Есть же большой ассортимент необслуживаемых жидкостных систем, скажете вы – и будете правы, производители балуют энтузиастов вариантами на любой вкус и размер корпуса, но при таком раскладе, после траты внушительных средств, у вас в корпусе останется без должного охлаждения самый горячий элемент современных игровых систем, да и самый шумный в придачу — видеокарта. Выход – сборная, «кастомная» система жидкостного охлаждения (СЖО). Расскажу о своём опыте по сборке такой системы и попытке минимизировать затраты.

В первую очередь хорошо бы определиться, в каком корпусе будет собираться система – от этого зависит выбор радиаторов и общий план расположения. Изначально СЖО было установлено в корпус Fractal Design Define R5, но после благополучно переехало в новый Fractal Design Define S, размеры и устройство корпусов практически идентично, проблем с переездом не возникло.

Итак, корпус выбран, для максимально эффективного и тихого охлаждения рекомендую занять всю возможную площадь для радиаторов, не имею в виду, что надо устанавливать по 7 радиаторов, но минимум по две секции 120мм на охлаждаемый элемент (процессор, видеокарта) очень желательно. По изначальным прикидкам корпус должен вместить тонкий (30мм) радиатор размера 420мм в верхней части, и в передней части корпуса должно остаться место под помпу с резервуаром и толстый (60мм) радиатор размера 280мм. В двух словах об эффективном методе выбора радиаторов – выясняем наибольший влезающий по площади и уже потом, при наличии места, выбираем его толщину.

Почему стоит выбирать СВО?

Значительный рост производительности ПК повлек за собой необходимость совершенствовать и системы охлаждения. Если раньше об охлаждении системного блока знали только как о наборе кулеров и радиаторов, то сегодня на рынке можно встретить фрионовые и комбинированные системы с элементами Пельтье. Правильное охлаждение — залог стабильной работы Вашего компьютера, особенно в жаркое время года, когда обычный набор кулеров давно не справляется.

Все разработки в области СВО в последнее время относились к совершенствованию самого хладагента и ускорению процесса охлаждения за счет оптимизации системы движения жидкости. Причем, диапазон цен на такие системы весьма растянут: можно найти бюджетный вариант с небольшой охладительной цепочкой, где в качестве хладагента выступает дистиллированная вода, а можно натолкнуться и на сложные многоуровневые СВО, с дорогими брендовыми радиаторами и вставками из углеродного волокна. Выбор подходящего варианта будет зависеть от условий эксплуатации Вашего ПК и от финансовых возможностей, но сама по себе такая система весьма эффективна и стоит потраченных на ее установку средств.

Превосходство СВО над остальными системами заключается в высоком уровне теплопроводности рабочей жидкости в отличии от аэрогенных охладителей и гораздо более длительной эксплуатацией по сравнению с системами открытого испарения. Также существует множество видеоуроков и инструкций, как сконструировать надежную водяную систему своими руками. Зачастую СВО сделанные самостоятельно ничем не хуже готовых решений от производителей компьютерных комплектующих.

Заправка контура

И далее началась самая ответственная часть. Я подготовил жидкость количество которой было чуть больше, чем я слил из системы, чтобы точно хватило.

Так поднимем же с вами бокалы за долголетие наших помп и благополучие подшипников!

Чтобы проще было залить жидкость опять же надо соблюдать такое правило, что в одно отверстие заливается вода, а второе — должно выпускать воздух. Для того чтобы понять что куда течёт нужно понять конструкцию системы циркуляции жидкости. Она в водоблок поступает из центрального отверстий, далее по силиконовой вставке течёт в бок, распределять специальными столиками в корпусе, далее корпус разворачивает поток жидкости вверх на микроканалы водоблока, и после микроканалов жидкость уходит вбок, и проходит вглубь одной из сторон корпуса.

Заливать можно было либо в центр, и оставлять для выхода воздуха отверстие в глубине — либо можно было заливать в боковое отверстие в глубине корпуса. Штатное отверстие через которое в заводских условиях заправлялась система расположено именно у бокового отверстия, так что и я решил заливать в него. Если при заливки вы видите что жидкости осталось у вас ещё много, а вода не уходит, значит где-то образовалась воздушная пробка и надо покрутить радиатор чтобы собрать воздух вместе и чтобы он смог выйти наружу. Так же важно размещать место заливки выше радиатора, так как без принудительного движения потока — воздух можно выпустить только заполняя все части контура по принципу сообщающихся сосудов. У меня в систему поместился и подготовленный излишек жидкости. Но я решил часть жидкости удалить путём впитывания в салфетку чтобы привести уровень к тому, что был при разборке системы. При разборке — уровень воды не заполнял пространство над силиконовым вкладышем. Далее я собрал СВО в последовательности обратной разборке. Включил — стал ждать пока помпа прогонит все пузыри в контуре в один большой и он где-то задержится в ресиверах радиатора как это происходит и по заводу.

Но я ждал-ждал, а заветного прекращения разбивания воздуха о крыльчатку помпы так и не произошло. То есть воздуха было слишком много и он не мог занять какое-то положение, в котором его не уносило жидкостью. Для дозаправки я открыл заливное отверстие, но так как у меня нет шприцов с иглами, то я дозаправлял контур просто заливая жидкость в цековку под головку винта.

Естественно в таких условиях воздух выходил по мелкими пузырями очень долго, и делалась такая заправка уже на включенном СВО, то есть помпа активно перемешивала пузыри и часть из них выходило. Естественно тут так же надо держать сборку так чтобы отверстие для заправки было высшей точкой контура, иначе из него будет литься вода. Минут 10 выходил воздух и я периодически по каплям заполнял углубление под винт. В определённый момент я ещё раз попробовал дать системе собрать воздух в каком-то одном месте. Для этого я закрутил заливной винт на место и на рабочей системе покрутил СВО, на видео я это не снял, так как для этого требуется больше пространства, что у меня было для съёмки. Но делать надо примерно тоже самое что и, например, для калибровки магнитометров смартфона. То есть покрутить систему вокруг всех осей. А дальше дать минут 10 поработать. Если звук разбивания пузырей прекратился, и в радиаторе не будет звуков журчания воды — значит вы добились требуемого уровня жидкости и на этом процесс обслуживания СВО завершается.

Что касается этой системы водяного охлаждения, то в ней очень тихая помпа, тише, чем работа даже медленных 5400 жёстких дисков, и за 2,5 года это ничуть не изменилось. Вентиляторы тоже не требуют ещё никакого участия в дальнейшей эксплуатации. От этого предполагаемая одноразовость системы — кажется ещё более обидной, так как если бы не сейчас, то в скором времени она бы точно уже потребовала обслуживания. То есть нормально бы она проработала 3-4 года. Это, конечно, больше чем гарантийный срок, но всё равно вдвое ниже, чем ресурс работы подшипника помпы заявленный в 50 тысяч часов. А повторюсь — помпа тут крайне тихая, её вообще практически не слышно, и за эту тишину заплачено полностью при покупке, а не за половину. И подобная проблема характерна для всех заводских СВО. В целом — полагаю для большинства заводских систем охлаждения процедура обслуживания выглядеть будет примерно так же. Единственное — заливные отверстия в некоторых моделях бывают расположены на радиаторе, и тот долив что я делал через водоблок вам нужно будет делать через отверстие в радиаторе. Сложного в этой процедуре ничего нет. Тем более в процессе промывки вы неплохо натренируетесь в умении заправлять именно ваш водоблок, разберётесь куда надо заливать чтобы воздух эффективно выходил, как болтать чтобы воздушные пробки выходили и т.д. В общем — ничего страшного в этой процедуре нет. В целом — не сложнее, чем установить кулер, но гораздо дольше, если давать время на высыхание электроники.

Adblock
detector