- Пристрій систем рідинного охолодження
- Внутрішні системи рідинного охолодження
- Зовнішні системи рідинного охолодження
- Майбутнє систем охолодження
Сергій Пахомов
Пристрій систем рідинного охолодження
Внутрішні системи рідинного охолодження
Зовнішні системи рідинного охолодження
Майбутнє систем охолодження
Давно вже канули в Лету ті часи, коли комп'ютера були не потрібні спеціалізовані системи охолодження. У міру зростання тактових частот центрального і графічного процесорів останні спочатку стали обростати пасивними радіаторами, а згодом почали вимагати встановлення вентиляторів. Сьогодні вже ні один ПК не обходиться без спеціальних кольорів для охолодження процесора, відеокарти і північного мосту чіпсета. Нерідко спеціалізовані кулери встановлюються і на жорсткі диски, а в самому корпусі для примусової конвекції поміщаються додаткові вентилятори.
Нічого не вдієш - з законами фізики не посперечаєшся, і зростання тактових частот і продуктивності ПК неминуче супроводжується підвищенням енергоспоживання і, як наслідок, виділенням тепла. Це, в свою чергу, змушує виробників створювати нові, більш ефективні системи охолодження. Наприклад, не так давно стали з'являтися системи охолодження на основі теплових трубок, які сьогодні широко використовуються для створення систем охолодження ноутбуків.
Поряд з традиційними системами охолодження на основі радіаторів з вентиляторами, все більшого поширення набувають рідинні системи охолодження, які використовуються в якості альтернативи повітряних систем. Однак тут необхідно зробити одне важливе зауваження: незважаючи на всі запевнення виробників про необхідність використання рідинних систем охолодження для забезпечення нормального температурного режиму, в дійсності ця умова зовсім не є обов'язковим при штатному режимі роботи ПК.
Власне, всі сучасні процесори розраховані саме на повітряне охолодження, причому для цього цілком достатньо штатного кулера, що поставляється в боксовом варіанті процесора. Відкрите взагалі продаються разом зі штатною повітряною системою охолодження, що виключає необхідність використання альтернативних засобів охолодження. Більш того, візьму на себе сміливість стверджувати, що сучасні повітряні системи охолодження мають певний запас і що тому багато виробників навіть знижують без шкоди продуктивності швидкість обертання вентиляторів, створюючи таким чином малошумливі комплекти для охолодження процесорів і відеокарт. Згадаймо хоча б набори для створення безшумних ПК компанії ZALMAN - в цих пристроях використовуються вентилятори з низькими оборотами, яких, тим не менше, цілком достатньо.
Про те, що традиційні повітряні системи охолодження цілком справляються з покладеною на них завданням, свідчить хоча б той факт, що жоден вітчизняний виробник ПК не встановлює рідинних систем охолодження в свої серійні моделі. По-перше, це дорого, а по-друге, в цьому немає особливої необхідності. А страшні розповіді про те, що в міру підвищення температури процесора падає його продуктивність, що обумовлено технологією Throttle, - це, за великим рахунком, вигадки.
Навіщо ж тоді взагалі потрібні альтернативні рідинні системи охолодження? Справа в тому, що до цих пір мова йшла про штатному режимі роботи ПК. Якщо ж подивитися на проблему охолодження з позиції розгону, то з'ясовується, що штатні системи охолодження можуть і не впоратися зі своїми завданнями. Ось тут-то на виручку і приходять більш ефективні рідинні системи охолодження.
Інше застосування рідинних систем охолодження - це організація тепловідведення в обмеженому просторі корпусу. Таким чином, подібні системи знаходять застосування в тому випадку, коли корпус недостатньо великий, щоб організувати в ньому ефективне повітряне охолодження. При охолодженні системи рідиною подібна рідина циркулює по гнучким трубках малого діаметра. На відміну від повітряних магістралей, трубках для рідини можна задати практично будь-які конфігурації і напрямки. Займаний ними обсяг набагато менше, ніж повітряні канали, при такій же або набагато більшої ефективності.
Прикладами таких компактних корпусів, де традиційне повітряне охолодження може виявитися неефективним, можуть служити різні варіанти barebone-систем або ноутбуків.
Пристрій систем рідинного охолодження
ассмотрім, що представляють собою рідинні системи охолодження. Принципова різниця між повітряним і рідинним охолодженням полягає в тому, що в останньому випадку для перенесення тепла замість повітря використовується рідина, що володіє більшою, в порівнянні з повітрям, теплоємністю. Для цього замість повітря через радіатор прокачується рідина - вода або інші відповідні для охолодження рідини. Циркулює рідина забезпечує набагато кращий тепловідвід, ніж потік повітря.
Друга відмінність полягає в тому, що рідинні системи охолодження набагато компактніше традиційних повітряних кулерів. Саме тому першими стали застосовувати рідинне охолодження на серійних пристроях виробники ноутбуків.
У плані конструкції системи примусової циркуляції рідини по замкнутому контуру системи рідинного охолодження можна розділити на два типи: внутрішні і зовнішні. При цьому відзначимо, що ніякого принципового розходження між внутрішніми і зовнішніми системами не існує. Різниця полягає лише в тому, які функціональні блоки знаходяться всередині корпусу, а які - зовні.
Принцип дії рідинних систем охолодження досить простий і нагадує систему охолодження в автомобільних двигунах.
Холодна рідина (як правило, дистильована вода) прокачується через радіатори охолоджуваних пристроїв, в яких вона нагрівається (відводить тепло). Після цього нагріта рідина надходить в теплообмінник, в якому обмінюється теплом з навколишнім простором і охолоджується. Для ефективного теплообміну з навколишнім простором в теплообмінниках, як правило, використовуються вентилятори. Всі компоненти конструкції з'єднуються між собою гнучкими силіконовими шлангами діаметром 5-10 мм. Для того щоб змусити рідину циркулювати по замкнутому корпусу, використовується спеціальний насос - помпа. Структурна схема такої системи показана на рис. 1.
Мал. 1. Загальна схема рідинного охолодження з помпою
За допомогою систем рідинного охолодження тепло відводиться від центральних процесорів і графічних процесорів відеокарт. При цьому рідинні радіатори для графічних і центральних процесорів мають деякі відмінності. Для графічних процесорів вони менше за розміром, проте принципово нічим особливим один від одного не відрізняються. Ефективність рідинного радіатора визначається площею контакту його поверхні з рідиною, тому для збільшення площі контакту всередині рідинного радіатора встановлюють ребра або стовпчасті голки.
У зовнішніх рідинних системах охолодження всередині корпусу комп'ютера розміщується тільки рідинний радіатор, а резервуар з охолоджувальною рідиною, помпа і теплообмінник, поміщені в єдиний блок, виносяться за межі корпусу ПК.
Внутрішні системи рідинного охолодження
лассіческім прикладом внутрішньої рідинної системи охолодження може служити система CoolingFlow Space2000 WaterCooling Kit компанії CoolingFlow ( www.coolingflow.com ), Показана на рис. 2.
Мал. 2. Система рідинного охолодження CoolingFlow Space2000 WaterCooling Kit
Дана система призначена тільки для охолодження процесора, на якому встановлюється рідинний радіатор Space2000 SE + waterblock. Помпа сполучена з резервуаром для рідини ємністю 700 мл.
Іншим прикладом системи рідинного охолодження з помпою, яка встановлюється всередину корпусу ПК, може служити система Poseidon WCL-03 (рис. 3) компанії 3RSystem ( www.3rsystem.co.kr ).
Система Poseidon WCL-03 призначена для рідинного охолодження процесора або чіпсета.
Мал. 3. Система рідинного охолодження Poseidon WCL-03
Poseidon WCL-03 являє собою два функціональних блоку. Перший блок - це ємність для води з габаритами 90Ѕ25Ѕ30 мм, поєднана з радіатором теплообмінника розміром 134Ѕ90Ѕ22 мм (рис. 4), а другий - рідинний радіатор процесора, поєднаний з помпою (рис. 5). Радіатор процесора виконаний з алюмінію і має розміри 79Ѕ63Ѕ8 мм при вазі 82 г.
Мал. 4. Ємність для води, поєднана з радіатором теплообмінника системи Poseidon
Мал. 5. Радіатор процесора, поєднаний з помпою системи Poseidon WCL-03
Ще одним прикладом внутрішньої системи рідинного охолодження є система TherMagic CPU Cooling System компанії Evergreen Technologies (рис. 6). Як випливає з назви, ця система призначена для охолодження процесора, а складається вона з двох функціональних блоків: рідинного радіатора процесора, виконаного з міді, і блоку теплообмінника, сполученого з помпою.
Мал. 6. Система рідинного охолодження процесора TherMagic CPU Cooling System
Теплообмінник - це досить значних розмірів пластиковий корпус квадратного перетину, по обидва боки якого розташовані вентилятори, проганяють повітря крізь пристрій.
Усередині корпусу теплообмінника розташовані мініатюрна помпа, що качає рідину по системі, і великий мідний радіатор з ребрами великої площі (рис. 7).
Мал. 7. Будова теплообмінника системи TherMagic CPU Cooling System
Теплообмінник кріпиться до стандартного посадкового місця, призначеному для додаткового вентилятора в корпусі комп'ютера; гаряче повітря видувається назовні.
Зовнішні системи рідинного охолодження
нутренніе системи рідинного охолодження мають один недолік: їх кріплення всередині корпусу може викликати проблеми, оскільки стандартні корпусу спочатку проектуються саме під повітряні системи охолодження. Тому тим, хто віддасть перевагу внутрішню систему рідинного охолодження, доведеться підбирати відповідний корпус. Зовнішні ж рідинні системи охолодження позбавлені даного недоліку.
Класичним прикладом зовнішньої системи рідинного охолодження можна вважати систему Aquagate ALC-U01 компанії Cooler Master ( www.coolermaster.com ). Дана система являє собою виконаний з алюмінію окремий блок розмірами 220Ѕ148Ѕ88 мм (рис. 8).
Мал. 8. Зовнішня система рідинного охолодження Aquagate ALC-U01
Цей блок може встановлюватися або всередину комп'ютера, займаючи два 5,25-дюймових відсіку, або окремо від системного блоку (наприклад, зверху) (рис. 9).
Мал. 9. Можливі варіанти розташування системи Aquagate ALC-U01
Природно, що і при зовнішньому по відношенню до корпусу розташуванні система Aquagate ALC-U01 залишається пов'язаної з корпусом двома гнучкими шлангами для прокачування води. Сама ж система охолодження процесора (рідинний радіатор) виглядає цілком традиційно (рис. 10).
Мал. 10. Рідинний радіатор процесора системи Aquagate ALC-U01
Усередині алюмінієвого корпусу системи Aquagate ALC-U01 розташовані теплообмінник, помпа і рідинний резервуар. Теплообмінник складається з власне радіатора і 80-міліметрового вентилятора, видуває гаряче повітря з радіатора. Швидкість обертання вентилятора регулюється за допомогою термодатчика, вбудованого в систему, і може становити 4600 3100 і 2000 об. / Хв.
Другим прикладом зовнішньої рідинної системи охолодження, яка не допускає внутрішньої установки, є система Exos-Al (рис. 11) компанії Koolance ( www.koolance.com )
Мал. 11. Зовнішня система рідинного охолодження Exos-Al
Розміри цієї системи - 184Ѕ95Ѕ47 мм. Усередині зовнішнього блоку Exos-Al розташований масивний радіатор теплообмінника (рис. 12), гаряче повітря з якого висмоктується трьома вентиляторами. Крім того, в блоці є помпа і, звичайно ж, резервуар для води.
Мал. 12. Внутрішня будова блоку Exos-Al
Система рідинного охолодження Exos-Al може використовуватися як для охолодження процесорів, так і для охолодження графічних процесорів відеокарт. Різні тільки рідинні радіатори, використовувані для охолодження. Радіатор для центрального процесора зображений на рис. 13, а радіатор для графічного процесора - на рис. 14.
Мал. 13. Радіатор Exos-Al для центрального процесора
Мал. 14. Радіатор Exos-Al для графічного процесора
Відзначимо, що компанія Koolance виробляє не тільки зовнішні системи рідинного охолодження, а й цілі корпусу з вбудованою системою рідинного охолодження на основі системи Exos-Al. Приклад такого корпусу показаний на рис. 15.
Мал. 15. Корпус PC2-C компанії Koolance з вбудованою системою рідинного охолодження
Звичайно ж, така відома компанія, як ZALMAN ( www.zalman.co.kr ), Що спеціалізується на випуску систем охолодження, не могла залишити без уваги системи рідинного охолодження і теж представила на ринку своє рішення - зовнішню систему RESERATOR 1 (рис. 16).
Мал. 16. Система зовнішнього рідинного охолодження ZALMAN RESERATOR 1
За своїм дизайном дана система досить оригінальна і не схожа ні на одну з розглянутих вище. Фактично, це свого роду «водяна труба», яка встановлює поруч з системним блоком ПК.
Система RESERATOR 1 включає кілька функціональних блоків: власне теплообмінник (рис. 17) з вбудованою помпою (рис. 18) і резервуаром для рідини, рідинний радіатор процесора ZM-WB2 (рис. 19), індикатор потоку рідини (рис. 20) і опціональний рідинний радіатор для графічного процесора ZM-GWB1 (рис. 21).
Мал. 17. Теплообмінник з вбудованою помпою і резервуаром для рідини системи RESERATOR 1
Мал. 18. Помпа, що встановлюється внизу теплообмінника системи RESERATOR 1
Мал. 19. Рідинний радіатор процесора ZM-WB2
Мал. 20. Індикатор потоку рідини
Мал. 21. Рідинний радіатор для графічного процесора ZM-GWB1
Зовнішній теплообмінник системи RESERATOR 1 має висоту 59,2 см при діаметрі 15 см. З урахуванням розбіжних ребер радіатора загальна його поверхня становить 1,274 м2.
Індикатор потоку рідини включається в контур циркуляції рідини і призначений для візуального контролю потоку рідини. Коли рідина циркулює по контуру, заслінка всередині індикатора починає вібрувати, що говорить про нормальний стан системи.
Рідинний радіатор процесора ZM-WB2 має повністю мідну основу і може використовуватися для будь-яких процесорів і роз'ємів (Intel Pentium 4 (Socket 478), AMD Athlon / Duron / Athlon XP (Socket 462), Athlon 64 (Socket 754)).
Ще одним прикладом рідинної зовнішньої системи охолодження є система Aquarius III Liquid Cooling (рис. 22) від відомої компанії Thermaltake ( www.thermaltake.com ).
Мал. 22. Система зовнішнього рідинного охолодження Aquarius III Liquid Cooling
Дана система багато в чому нагадує розглянуту вище систему Aquagate ALC-U01. Усередині алюмінієвого корпусу розміром 312Ѕ191Ѕ135 мм блоку Aquarius III Liquid Cooling розташовуються водяна помпа, теплообмінник з 80-міліметровим вентилятором і резервуар для рідини.
Помпа встановлена усередині невеликого резервуара для рідини. Залежно від температури рідини помпа здатна змінювати частоту обертання ротора (значення можна відстежувати так само, як і для звичайного кулера).
Для підведення силіконових трубок, по яких циркулює рідина, до корпусу в комплекті поставляється відповідна заглушка (рис. 23).
Мал. 23. Заглушка до корпусу для підведення силіконових трубок
Резервуар виконаний з прозорого пластика зі світлодіодним підсвічуванням зсередини. Для візуального контролю працездатності помпи всередині резервуара поміщені два білих пластикових кульки, які обертаються при її роботі. До резервуару з помпою підводяться чотири трубки. Дві з них - від додаткового резервуару з водою, через який можна доливати воду в систему, а потім судити про її кількості в контурі. За інструкцією резервуар повинен встановлюватися зовні корпусу, але це не обов'язково - потрібно лише щомісяця контролювати рівень води в помпі за відповідними мітками і додавати рідину в міру необхідності.
Рідинний радіатор процесора (рис. 24) повністю виготовлений з міді і є універсальним, тобто може бути встановлений на будь-який сучасний процесор.
Мал. 24. Рідинний радіатор процесора системи Aquarius III Liquid Cooling
Майбутнє систем охолодження
езважаючи на всю ефективність систем рідинного охолодження, вже зараз стало зрозуміло, що неминуче настане день, коли тактові частоти процесорів досягнуто того самого критичного значення, коли подальше використання традиційних систем охолодження стане неможливим. Тому розробники не припиняють пошуки принципово нових, більш ефективних систем охолодження. Одна з таких перспективних розробок, заснована на відкритті вчених Стандфордского університету (Stanford University), належить компанії Cooligy ( www.cooligy.com ).
Власне, технологічно нова система охолодження нагадує традиційну рідинну. У всякому разі тут теж є в наявності рідинний радіатор, теплообмінник і помпа. Основне ж відмінність полягає в принципі дії помпи і рідинного радіатора.
Рідинний радіатор, званий Microchannel Heat Collector, вбудовується в кристал кремнію мікросхеми (процесора). Усередині рідинний радіатор має мікроканальную структуру з шириною окремого каналу порядку 20-100 мкм.
Ідея использование мікроканальной структури для ефективного охолодження мікросхем булу вісловлена ще в 1981 году професор Стандфордского університету доктором Девідом Тукерманом (David Tuckerman) и доктором Фабіаном Пизом (Fabian Pease). Согласно їх дослідженню, микроканальная структура, впроваджено в Кремній, дозволяє відводіті 1000 Вт тепла з шкірного сантиметра поверхні кремнію. Ефективність тепловідведення в мікроканальной структурі, впровадженої в кристал кремнію, реалізується завдяки двом ефектів. По-перше, тепло, що відводиться з кристала кремнію, передається на дуже малу відстань, оскільки мікроканали знаходяться безпосередньо в кристалі кремнію. По-друге, тепло, яке передається стінкою мікроканалу холодної рідини, теж передається на дуже малу відстань, так як діаметр самого мікроканалу дуже малий. В результаті досягається дуже високий коефіцієнт теплопередачі мікроканальной структури, причому залежить від ширини самого каналу (рис. 25).
Мал. 25. Залежність коефіцієнта теплопередачі від ширини мікроканалу
В результаті - чим менше товщина мікроканалу, тим ефективніше відводиться тепло і тим більше холодними залишаються стінки микроканалов (рис. 26).
Мал. 26. У міру зменшення товщини мікроканалу ефективність відведення тепла зростає
Другою особливістю системи охолодження, розробленою компанією компанії Cooligy, є сама помпа, що змушує циркулювати рідина по замкнутому контуру.
Принцип дії даної помпи заснований на електрокінетичних явищ, тому така помпа отримала назву електрокінетіческой (EK pump).
У електрокінетіческой помпі рідина (вода) проходить по скляних трубок, стінки яких мають негативний заряд (рис. 27). У воді внаслідок реакції електролізу є деяка кількість позитивно заряджених іонів водню, які будуть зміщуватися до негативно зарядженим скляних стінках.
Мал. 27. Принцип дії електрокінетіческой помпи
Якщо уздовж такої скляної трубки прикласти електричне поле, то позитивні іони водню будуть рухатися уздовж по полю, захоплюючи за собою всю рідину. Таким чином можна змусити рухатися рідина всередині скляної трубки.
КомпьютерПресс 6'2004
Навіщо ж тоді взагалі потрібні альтернативні рідинні системи охолодження?