Прошло больше года с тех пор, как я собрал свою первую законченную систему водяного охлаждения на базе готового комплекта . Месяц спустя (на новой платформе) систему значительно модернизировал – в контур охлаждения включил северный мост и видеокарту, а также заменил процессорный ватерблок. Причём все эти ватерблоки изготовил сам. Несмотря на то, что основные элементы системного блока были достаточно жаркими: процессор Athlon Thoroughbred-B1700+@ 2800+ с напряжением питания ядра 1.85В, разогнанная видеокарта GeForse 4 Ti 4600 и северный мост с элементом Пельтье, система с честью прошла испытание южной летней жарой. Даже при температуре воздуха в комнате 32 градуса температура ядра процессора не превышала 55 градусов.
Когда возникла необходимость во втором компьютере, то собирался он, в основном, из того, что осталось от предыдущих модернизаций. К сожалению, оставшийся корпус – минибашня. Но, поскольку в неё нормальный воздушный кулер не лез никаким боком, то пришлось сделать это.
Всё, казалось бы, ничего, если бы не одно немаловажное обстоятельство – привыкнув единожды к тихому компьютеру с водяным охлаждением, в дальнейшем от этой привычки отказаться просто невозможно. Так и возникло желание: создать тихую и при этом эффективную систему водяного охлаждения.
Почему же всё-таки водяного? Тому есть достаточно причин. Поскольку в любой системе охлаждения оконечным (собственно теплоотводящим) устройством является воздушный радиатор с вентилятором, то шумовые параметры системы определяются величиной и, главное, скоростью воздушного потока, обдувающего рёбра (пластины, штыри и т.д.) радиатора. И чем большую тепловую мощность необходимо отвести при одинаковом уровне шума, тем больший размер радиатора и вентилятора необходим.
Яркий тому пример – кулер Zalman CNPSA-Cu - лучший из доступных (и не только из доступных - он имеет правильную конструкцию): размеры – 109х62х109мм; масса – 770г; вентилятор – 92мм; площадь пластин – 3170 квадратных сантиметров; обороты, уровень шума и тепловое сопротивление в тихом и нормальном режимах соответственно: 1350 и 2400 об/мин; 20 и 25 дБ (при разгоне, кстати, тихий режим недопустим, а 25 и даже 20дБ - это ещё не очень тихо) и 0.27 и 0.2К/Вт. Запомним эти цифры, в дальнейшем они нам пригодятся. И не следует думать, что этот, и ему подобные кулеры, необходимы только для новейших процессоров с тепловыделением до 90 – 100Вт.
У народного Thoroughbred-B 1700+ @ 2800+ при напряжении ядра 1.85В (типичное напряжение при разгоне) тепловыделение очень даже немаленькое.
рис. 1
Кулер с вентилятором 120х120мм трудно себе даже представить, и вероятно, такой и не появится. Что же касается кулеров на тепловых трубах – то здесь та же беда: они хотя и эффективнее чисто воздушных (ненамного, процентов эдак на 15 – 20), но требования к радиатору и вентилятору для них те же. Итак, из всего многообразия кулеров остаётся один – кулер не базе водяного (жидкостного) охлаждения – ватеркулер.
Чем же оно (водяное охлаждение) так хорошо:
- оно позволяет отвести достаточное количество теплоты от всех наиболее в этом нуждающихся элементов и не просто отвести, а за пределы корпуса;
- оно принципиально гибкое: даже при использовании покупного комплекта, мы имеем достаточное количество вариантов установки в конкретный корпус;
- главное: практически все элементы системы можно изготовить своими руками, а это и спортивно, и, при положительном исходе, позволит получить огромное моральное удовлетворение;
- и, наконец, самое главное: размеры радиатора практически неограничены, что позволяет использовать вентилятор больших размеров на предельно низких оборотах – залог минимального шума.
Теперь перехожу к той части статьи, где приводятся описания реальных конструкций и способов их изготовления. Себе я поставил цель – максимально подробно рассказать обо всём: а вдруг у кого-нибудь возникнет желание сотворить нечто подобное. При этом возникла одна трудность – для доходчивого изложения собственно процессов изготовления элементов необходимо писать так, как принято в технологических инструкциях, а это сделало бы статью абсолютно нечитабельной. Поэтому описательная часть статьи большинству читающих покажется эдаким стилистическим уродцем (что есть, то есть – самому не нравится), но всё же советую - набраться терпения и дочитать до конца.
1. Ватерблоки
Процессорный ватерблок
Он, пожалуй, самый главный в системе. Потому что:
- на его долю приходится максимум выделяемой теплоты;
- у него самая маленькая площадь контактирования с тепловыделяющим элементом;
- конструктивно он достаточно сложен и наиболее трудоёмок при изготовлении (как правило, это фрезерованные конструкции из алюминия или меди с непростой герметизацией).
Но не всё так безнадёжно. Попробуем осмысленно подойти к разработке процессорного ватерблока, но не абстрактного (или идеализированного), а такого, который можно изготовить своими руками. Для этого сам процесс разработки разобьем на этапы:
Этап первый: выбор материала.
Здесь, я думаю, вариантов нет – это медь, причём медь листовая: это и не очень дорого, это эффективно, и, наконец, сборку можно вести самым доступным способом – пайкой.
Второй этап: выбор размеров.
Для минимизации теплового сопротивления основания его размер не имеет смысла делать больше чем 70х70мм, а толщину более 4 – 5 мм.
Этап третий: выбор внутренней конструкции, удовлетворяющей ряду основополагающих требований:
- поскольку теплообмен происходит в тонком пограничном слое жидкости (толщина не более 1мм), то эффективная площадь контактирования жидкости с внутренней конструкцией ватерблока должна быть достаточно большой;
- геометрия этой конструкции должна быть такой, чтобы к любой её точке подводимая извне теплота приходила с наименьшими потерями;
- жидкость должна эффективно омывать все элементы конструкции;
- общее гидравлическое сопротивление ватерблока должно быть небольшим.
Какие же наиболее распространённые конструкции мы имеем на сей момент:
- фрезерованные в толстом металле каналы различных форм змейки, спирали и т.д.;
- различной формы выступы и стержни на толстом основании.
Чем же нехороши фрезерованные каналы? А тем, что они имеют достаточно большую длину и сечение, что противоречит пунктам требований 1 и 4. Чем плохи выступы и стержни – не выполняются пункты 1 и 3.
Ватерблоки от известных производителей имеют эффективно работающие патентованные структуры и, если это не рекламные уловки, то подробнее узнать, а тем более воспроизвести подобное, не представляется возможным.
Итак, попытаемся изготовить ватерблок, конструкция которого соответствует предъявленным требованиям. Сразу предупреждаю, в статье вы не найдёте чертежей – их не было и при изготовлении, но для лучшего понимания того, что происходило при реальном изготовлении элементов системы, приведу достаточное количество фотографий и пояснений.
Конструкция и внешний вид.
рис. 2
рис. 3
Основание представляет собой П-образную деталь из меди толщиной 2мм и имеет размеры 64х64 мм. Рабочая структура представляет собой два слоя медных тонкостенных трубок, имеющих внутренний диаметр 2мм и длину 35мм. Всего трубок тридцать две. Крышка из миллиметровой латуни находится на расстоянии одного миллиметра от верхнего слоя трубок. Входной и выходной патрубки изготовлены из медной трубки диаметром 8мм. Толщина основания увеличена до 4мм напайкой дополнительной медной пластины толщиной 2мм.
Сборку производим следующим образом (аналогично собираем ватерблоки видеокарты и северного моста):
- трубки, внутреннюю поверхность основания предварительно облуживаем припоем ПОС-61 (если мощности паяльника не хватит, то перед облуживанием прогреваем детали до температуры 80 – 90 градусов);
- трубки, в соответствии с рис. 3 укладываем на основание;
- эту промежуточную сборку помещаем на печь (размер плиты 50х50мм, мощность 80 – 100Вт: можно использовать старый утюг с терморегулятором, имеющий температуру башмака 180 - 200 градусов);
рис.4
- печь разогреваем до температуры 180 – 200 градусов, по мере расплавления припоя добавляем небольшие порции пастообразного флюса (перед этим необходимо выставить поверхность плиты горизонтально, иначе конструкция после расплавления припоя поплывёт);
- выключаем печь, даём конструкции остыть;
- тщательно любым растворителем отмываем остатки флюса;
- облуживаем места будущих швов на основании крышке и патрубках, удаляем остатки флюса;
- собираем конструкцию в целом и опять помещаем на печь (в процессе расплавления припоя внимательно следим за состоянием швов: если где-то есть непропаи, то добавляем небольшими порциями припой и флюс – на кончике спички);
- выключаем печь и после остывания промываем внутреннюю полость ватерблока любым растворителем.
Ватерблок собран, теперь необходимо внимательно просматриваем швы и проверяем их на герметичность.
Осталось проверить конструкцию на соответствие пунктам требований:
- пункт 1 выполнен: площадь контактирующей с жидкостью поверхности около100 квадратных сантиметров и практически весь внутренний объём ватерблока состоит из пограничного слоя;
- пункт 2 выполнен: тепловое сопротивление для подводимой теплоты незначительно – два яруса спаянных медных трубок составляют практически монолит с основанием (площадь около 20 квадратных сантиметров, что с лихвой компенсирует меньшую, чем у меди теплопроводность припоя);
- пункт 3 выполнен: трапецеидальное расположение пакета трубок, и диагональное расположение патрубков выравнивают линии тока жидкости;
- пункт 4 выполнен: сечение рабочей области превышает 100 квадратных миллиметров, сечение шланга с внутренним диаметром 6мм – 28 квадратных миллиметров, шланга диаметром 8мм – 50.
Ватерблок видеокарты
Речь пойдёт о ватерблоках для видеокарт среднего класса, потому, что для видеокарт высшего класса подойдёт процессорный с боковым расположением патрубков.
Итак, уровень мощности графического процессора приблизительно в два раза меньше, чем у главного: 25 – 35Вт. Площадь теплового контакта в несколько раз больше. Поэтому особых проблем в отборе теплоты нет. Единственный нюанс – в вертикальных системных блоках расположение видеокарт таково, что основание ватерблока оказывается вверху, а это при реальных небольших скоростях тока жидкости может привести к образованию воздушной пробки как раз в зоне отбора теплоты. Поэтому на внутреннюю поверхность основания необходимо напаять медную деталь толщиной 3 – 5мм с более или менее развитой поверхностью.
рис. 5
рис. 6
Ватерблоки северного моста
Здесь проблем никаких. Отобрать 5 – 10Вт может любая медная (или имеющая медное основание) коробочка.
рис. 7
рис. 8
2. Радиатор
Это, пожалуй, единственный элемент, не считая помпы и шлангов, который практически всегда берётся готовым. Либо специализированный фирменный (лично я никогда не встречал в Краснодарских компьютерных салонах продающихся отдельно элементов систем жидкостного охлаждения), либо какое-нибудь холодильно-компрессорное или автомобильное чудо, имеющее к тому же запредельную стоимость и непомерно большие размеры. Конструкции типа: медный змеевик в аквариуме изначально отметаются.
Итак, широко распространённое мнение: изготовить своими руками малогабаритный и, к тому же, эффективный радиатор просто невозможно. Попытаемся опровергнуть это заблуждение.
В обычном понимании радиатор (типа радиатора автомобильной печки) собственными руками изготовить невозможно. Действительно, так оно и есть на самом деле. Штампованные пластины, тянутый профиль, групповая пайка в защитной газовой среде и т.д. Но ведь свет клином не сошёлся именно на такой конструкции. Какую же конструкцию можно изготовить своими руками?
Общие требования, вытекающие из того, что радиатор, как оконечное устройство в системе охлаждения должен утилизировать всю собранную с элементов тепловую мощность:
- общий уровень тепловой мощности не менее 120 – 135Вт: 80 – 90Вт процессорных; 25 – 35 графического процессора, 5 – 10 северного моста и порядка 10Вт выделяемых в охлаждающую жидкость помпой;
- конструкция должна быть такой, чтобы без проблем размещалась в минибашне и не выступала за её габариты.
Заготовку деталей и сбоку будем производить в следующем порядке:
- облуживаем легкоплавким припоем (в нашем случае сплавом Розе) четыре тонкостенные медные трубки с внутренним диаметром 3мм, длиной 160 – 170мм и готовим три мотка по шесть метров отожженного на любом открытом огне медного обмоточного провода диаметром 1,2мм;
рис. 9
- изготавливаем из любого прочного листового материала толщиной 4мм оправку шириной 45 – 50мм, длиной около 200мм, запиливаем продольные кромки до радиуса 2мм, сверлим два технологических отверстия для фиксации концов проволоки, зажимаем оправку в тисках, заводим конец проволоки к ближнее к тискам технологическое отверстие и с большим натяжением наматываем её виток к витку, пропуская проволоку через сложенный пополам кусочек мелкой наждачной бумаги на текстильной основе (одновременно происходит зачистка и выпрямление проволоки);
рис. 10
- вышеописанную операцию повторяем троекратно, в результате имеем три плоские спирали;
рис. 11
- производим на ровной поверхности стола сборку трубок и спиралей, затем за крайние трубки с помощью тонкой проволоки растягиваем конструкцию внутри рамки из реек с внутренним размером примерно 250х250мм (сей ответственный момент остался, к сожалению, незадокументированным);
- пайку производим сплавом Розе (сначала центральные трубки, затем боковые), используя низкотемпературный флюс (например, четырёхпроцентный водный раствор гидразина солянокислого) термопистолетом с плоской самодельной насадкой;
рис. 12
- из десятимиллиметровой медной трубки делаем входной и выходной коллекторы, термопистолетом припаиваем их уже припоем ПОС-61, а затем тем же припоем припаиваем патрубки.
рис. 13
Итак, что же мы имеем:
- рабочая поверхность радиатора (решётка) для охлаждающего воздушного потока – около 600 квадратных сантиметров (соответствует обычному игольчатому радиатору с числом игл – 600. диаметром – 1.2мм, длиной 20мм и основанием с идеальной теплопроводностью), для воды – чуть больше 50;
- так как на каждую иглу приходится примерно 0.15 – 0.17Вт тепловой мощности, то вся поверхность радиатора имеет примерно равную температуру и работает одинаково эффективно;
- благодаря большой площади контакта теплота из рабочей жидкости передаётся решётке практически без потерь;
- суммарное сечение жидкостного канала составляет 36 квадратных миллиметров, что в точности соответствует сечению шланга с внутренним диаметром 6мм.
По большому счёту и поверхность решётки, и сечение жидкостного канала маловаты, но так даже интересней – что есть, то и будем пользовать. Вентилятор размером 120х120мм с резисторным регулятором оборотов перекочевал с боковой стенки. Решётка и пылевой фильтр остались на своём месте. Лично я предпочитаю вентилятор Thermaltake TT 12025A-1B1S: - и стоит всего около100р, и предельно тихий на пониженных оборотах.
3. Помпа, расширительный бачок и шланг
Выбор этих элементов системы простой: достаточно обеспечить в системе (с учётом перепада высот порядка 0.4 - 0.5м, внутреннем диаметре шланга 6 – 8мм и имеющемся в реальной конструкции гидравлическом сопротивлении) скорость циркуляции рабочей жидкости 1 – 2л/мин.
Итак, что же есть в наличии.
- Китайская двухсотрублёвая аквариумная помпа LifeTech: производительность 360л/мин; максимальная высота столба воды 0.5м; напряжение питания 230В и потребляемая мощность 7.5 – 8.5Вт. Параметры на грани фола.
- Поливинилхлоридный шланг с внутренним диаметром 6мм – лучше бы силиконовый с внутренним диаметром 8мм.
- Расширительный бачок – пластиковая банка из-под чая объёмом примерно 0.7л с плотно закрывающейся винтовой крышкой. Устраивает вполне.
Проходные патрубки для шлангов и провода питания делаем из отрезков медной или латунной трубки подходящего диаметра или как-то иначе (в моей конструкции они сделаны из байонетных приборных коаксиальных переходов гнездо – гнездо). Для минимизации шума помпы и вибрации помпу подвешиваем на выходном шланге и сетевом проводе. Заливную пробку, при использовании банки с закручивающейся крышкой, делать не имеет смысла.
рис. 14
5. Сборка системы
Первым делом удаляем ненужные теперь кулеры видеокарты, северного моста и бловер видеокарты.
рис. 15
Устанавливаем на видеоплату и с помощью прижимной профильной планки закрепляем ватерблок.
рис. 16
Снимаем верхнюю крышку системного блока, вырезаем в ней квадратное отверстие 130х130мм на её внутренней поверхности закрепляем радиатор.
рис. 17
Ставим крышку на своё место.
рис. 18
Устанавливаем на свои места ватерблоки процессора и северного моста, собираем и заправляем дистиллированной водой систему, производим контрольное включение и смотрим температуру ядра процессора (пока без вентилятора, благо тепловая инерция позволяет проделывать это в течение 5 – 10 минут). Система работает.
Снимаем с боковой стенки и с помощью пористых прокладок треугольной формы и двухстороннего эластичного скотча приклеиваем вентилятор прямо к решётке вентилятора.
рис. 19
Теперь осталось установить рабочее реле помпы. Располагаем его внутри блока питания. Реле можно использовать любое, способное коммутировать напряжение 220В и ток 50 -100мА, рабочее напряжение в пределах имеющихся внутри блока питания напряжений: от 3.3 и до 24В (как относительно общего провода, так и подвешенные в любых комбинациях).
Устанавливаем на место блок питания.
рис. 20
Закрываем декоративной решёткой отверстие в верхней крышке, устанавливаем на место боковую крышку, отходим на пару метров и любуемся творением своих рук.
рис. 21
6.Тестирование системы и оценка полезности проделанной работы
Температура окружающего воздуха плюс 23 градуса. Система находится в состоянии термодинамического равновесия (момент времени – примерно 30 минут после включения). Температура ядра процессора 48 градусов. Обороты вентилятора около 700 об/мин – минимальная скорость (напряжение около пяти вольт). Тестировать будем реальный закрытый компьютер.
Состав:
- корпус – минибашня с блоком питания 300Вт;
- системная плата – Soltek 75DRV5 KT333;
- процессор – Thoroughbred-B 1700+@2400+: FSB 166Мгц, к=12, напряжение ядра 1,725В, минимальная мощность 69Вт, максимальная (при стопроцентной загрузке) 76Вт;
- термоинтерфейс – КПТ-8;
- память – 512MB PC 2700 Samsung: FSB166Мгц, режим работы синхронный;
- видеокарта – ASUSTeK V8420TD: GeForse 4 Ti 4200 250/445@300/540;
- жёсткий диск, комбопривод, звуковая и сетевая карты.
Первым делом, проверяем отзывчивость системы охлаждения на изменение оборотов вентилятора: выставляем максимальные обороты (12В, 2000об/мин), ждем 10 минут – температура падает всего на один градус – весьма симптоматично: эффективность радиатора является слабым звеном в системе. Этого и следовало ожидать, достаточно сопоставить геометрические параметры нашего радиатора с радиатором кулера Zalman CNPS-7000A-Cu. Но не стоит отчаиваться, радиатор – радиатором, а как себя поведёт система в целом? Ведь кроме процессора охлаждаются ещё и графический процессор, северный мост, да и помпа примерно 8Вт тепловой мощности подбрасывает в систему.
Общее тепловое тестирование будем проводить (как обычно) Сандрой 2004. Запускаем Burn – 30 циклов арифметического и мультимедийного теста со стопроцентной загрузкой процессора (загрузка графического процессора – дополнительные несколько ватт на фоне общей тепловой мощности в системе - около 120Вт, роли не играет). После десятого цикла температуры остаются неизменными до конца теста;
рис. 22, где: оранжевая линия температура ядра, красная – температура процессорного ватерблока.
Итак, проанализируем полученные результаты. Температура перегрева над температурой окружающей среды - 30 градусов, т.е. общее тепловое сопротивление системы составило 0.25К/Вт. Плохо это или хорошо? Конечно же, хорошо. Сравним его с тепловым сопротивлением упомянутого выше Zalmanа в нормальном режиме работы вентилятора – 0.2 и 0.27К/Вт в тихом режиме. Казалось бы хуже, чем у Zalmanа в нормальном режиме, но к его тепловым сопротивлениям нужно добавить, по крайней мере, ещё 0.1К/Вт процессора и термоинтерфейса.
Наша система имеет недостаточно мощную помпу, шланги малого сечения и не очень эффективный, вследствие малого размера решётки и меньшего, чем нужно сечения жидкостных каналов, радиатор. Вентилятор работает на скорости 700об/мин. И при всём при этом оказывается эффективней самого крутого воздушного кулера.
Теперь о самом главном – о шуме. Впервые, со времен компьютеров на процессорах 486i, компьютер стал действительно очень тихим. Напомню, что в системном блоке всего один вентилятор, второй, в блоке питания, работает от пяти вольт и его шум запредельно низкий. Теперь главным источником шума, хотя и очень слабого, стал, как и в старые времена, чирикающий при позиционировании головок винчестер.
Но это ещё не всё – видеокарта с родными частотами 250/445Мгц, разгоняемая при воздушном охлаждении и только при использовании дополнительного бловера до частот 270/540Мгц, теперь спокойно взяла рубеж 300/540Мгц.
7. Выводы и рекомендации
Всё получилось, в общем, так, как и было задумано. Но систему можно сделать ещё более эффективной и снизить температуру градусов эдак на пять. Для этого необходимо:
- использовать более мощную помпу (700 – 1000л/мин с высотой рабочего столба воды не менее 0.8м);
- использовать шланг с внутренним сечением 8 квадратных миллиметров;
- для радиатора использовать трубки с внутренним диаметром 4,5мм – такие продаются в магазинах, торгующих комплектующими для холодильных агрегатов;
- и, если уж очень захочется, то радиатор можно сделать размером с верхнюю крышку;
- пылевой фильтр на боковой стенке теперь не ограничен ни в форме, ни в размерах.
И, наконец, для любителей считать деньги: помпа, плюс вентилятор, плюс медные трубки, плюс обмоточный провод - всё это меньше четырёхсот рублей. Плюс к этому - неделю или две (это уж как получится) работы по вечерам.
|
