Альтернативные технологии охлаждения
С ростом тепловыделения компонентов современных ПК появляются и новые системы охлаждения этих компонентов. Если раньше процессору достаточно было небольшого пассивного радиатора, то теперь этот радиатор годится в лучшем случае для установки на южный мост материнской платы. Современный процессоры требуют минимум хороший медный кулер, а с разгоном, порой, и систему водяного охлаждения.
Воздушные кулеры я намеренно обделил вниманием – в данной статье речь пойдет об альтернативных системах охлаждения, которые распространены гораздо меньше, а иногда вообще являются эксклюзивными. Итак, приступим!
Тепловые трубки
В основном, тепловые трубки используются вместе с воздушными системами охлаждения, но не упомянуть о них я не могу, тем более что сейчас на рынке представлено огромное количество кулеров с применением этой технологии.
Тепловая трубка представляет собой герметичный цилиндр, внутри которого, находится жидкость и капиллярно-пористый материал – фитиль. Также из трубки откачан воздух. При нагревании одного конца, жидкость переходит в парообразное состояние и стремится в зону с меньшим давлением, то есть в другой конец трубки. Там жидкость конденсируется и под действием капиллярных сил возвращается обратно в зону испарения. Естественно, что зону конденсации надо охлаждать, иначе желаемого эффекта от трубки достичь не получится. Проще говоря, если нагреваем один конец трубки, надо охлаждать второй.
Тепловая трубка обеспечивает перенос тепла из одного конца в другой быстрее, чем медный цилиндр такого же диаметра, так что в ее эффективности сомневаться не приходится.
Достоинства:
+ Перенос тепла из одной точки в другую, которые при этом могут находиться на большом расстоянии друг от друга.
+ Быстрый отвод тепла от охлаждаемого элемента.
+ Бесшумность работы.
+ Зона испарения может находиться выше зоны конденсации.
Недостатки:
– Необходимость обеспечить плотный контакт зоны конденсации с охлаждающим элементом (радиатор), что сделать обычно непросто.
– Высокая сложность, а порой и невозможность самостоятельного изготовления.
Тепловые трубки отлично подошли для кулеров видеокарт. От радиатора на ядре видеокарты, тепло с помощью тепловых трубок также отводится на обратную сторону карты, где установлен похожий радиатор. Вместе они отлично справляются с охлаждением, а главное – никакого шума.
Существуют даже корпуса, в которых благодаря тепловым трубкам все элементы ПК охлаждаются без единого вентилятора! Корпус здесь является по совместительству еще и радиатором, к которому крепятся все тепловые трубки. Огромный вес и фантастическая стоимость немного омрачают картину, но не будем о грустном.
Термосифон
Коли уж я затронул тему тепловых трубок, то надо сказать пару слов и о термосифоне. Он был предшественником тепловых трубок и действует по тому же принципу, но имеет один серьезный недостаток. Этот недостаток – возможность работы, только если зона конденсации находится выше зоны испарения.
Термосифон – та же трубка с откачанным воздухом и жидкостью внутри, но без фитиля. Так как, фитиль отсутствует, то возврат жидкости в зону испарения происходит под действием сил притяжения земли, а не за счет капиллярных сил, как в тепловой трубке. Из-за этого и жесткое требование к положению зон испарения и конденсации.
Достоинства:
+ Перенос тепла из одной точки в другую, которая может находиться на большом расстоянии от первой.
+ Быстрый отвод тепла от охлаждаемого элемента.
+ Бесшумность работы.
+ Изготовить самостоятельно гораздо легче, чем тепловую трубку.
Недостатки:
– Необходимость обеспечить плотный контакт зоны конденсации с охлаждающим элементом.
– Работает только при условии, что зона конденсации находится выше зоны испарения.
Такие системы по понятным причинам серийно не производятся, их можно встретить разве что у энтузиастов, которые изготавливают их самостоятельно.
Водяное охлаждение
Системы водяного охлаждения (СВО) в последнее время все больше и больше набирают популярность. Если раньше многие пугались, когда слышали словосочетание «водяное охлаждение», то сейчас такие системы можно встретить даже в корпусах обычных пользователей.
Подробно о принципе работы «водянки» можно было прочитать в декабрьском номере «Железа», но я все же напомню компоненты системы и принцип работы. Основные элементы такой системы это: водоблок, который устанавливается непосредственно на охлаждаемый элемент (CPU, GPU, северный мост); радиатор, в котором охлаждается нагретая в водоблоке жидкость; помпа – будь то погружная или внешняя помпа, задача у нее – прокачивать жидкость по системе; расширительный бачок, в котором располагается помпа, если она погружная, и через него производится «дозаправка» системы жидкостью; шланги, соединяющие элементы системы в единый контур.
В качестве теплоносителя обычно выступает вода (желательно дистиллированная). Антифриз, «ерш» из различных жидкостей, или даже спирт заправляют в систему только люди, которые знают, для чего они это делают, и к чему это может привести.
Такие системы довольно эффективны, так как охлаждающим элементом является водоблок, через который проходит жидкость, а не воздух, как в воздушном кулере. Жидкость обладает лучшей теплоемкостью и способна забрать гораздо большее количество тепла. Конечно, большую роль играет конструкция водоблока. Чем больше его площадь соприкосновения с жидкостью, и чем быстрее материал водоблока передает тепло от охлаждаемого элемента к жидкости, тем эффективнее работает система.
Достоинства:
+ Высокая эффективность. Именно поэтому большинство оверклокеров используют СВО. «Водянка» отлично справляется с разогнанными процессорами, видеокартами и чипсетами материнских плат.
+ Низкий уровень шума. Иногда СВО ставят именно для того, чтобы избавиться от визга кулеров в системе.
+ Эффектный внешний вид готовых систем.
+ Возможность охлаждать одной системой сразу несколько девайсов.
+ Вывод тепла за пределы корпуса.
+ 7/24 система, то есть будет работать 7 дней в неделю, 24 часа в сутки.
Недостатки:
– Высокая стоимость готовых систем, либо необходимо иметь прямые руки, чтобы собрать СВО самому.
– Необходимость «дозаправки» СВО жидкостью.
– Есть шанс устроить Великий Потоп и убить железо, недостаточно надежно закрепив шланги при сборке. Для владельцев самодельных систем вопрос герметизации еще более актуален.
– При замене кулера на водоблок не будет обдува околосокетного пространства. Могут возникнуть проблемы с перегревом MOSFET’ов, конденсаторов и прочих элементов.
– СВО занимает много места, особенно если охлаждается не только процессор, но и видеокарта, чипсет и т.д.
Чаще всего водоблоки изготавливают из меди, так как она обладает высокой теплопроводностью. Водоблоки из алюминия менее эффективны.
Модуль Пельтье и СВО
Система водяного охлаждения в комбинации с модулем Пельтье обычно дает более низкие температуры. Модуль Пельтье, он же ТЭМ (термоэлектрический модуль) представляет собой определенное количество соединенных между собой термопар, состоящих из различных полупроводников, которые располагаются между двумя керамическими пластинами. При протекании через термопары тока, в силу действия физических законов, одна сторона модуля охлаждается, а другая нагревается. Модули бывают разные по размеру, мощности, подаваемому напряжению и многим другим параметрам. В основном используются модули 40х40 мм толщиной 3-4 мм с рабочим напряжением в 16 вольт.
Но проблема в том, что ТЭМ не является сам по себе системой охлаждения. Он может лишь переносить тепло с одной стороны на другую, а уж как будет отводиться это тепло, его не волнует . Вдобавок к этому, модуль сам выделяет тепло, что усложняет ситуацию. Поэтому ТЭМ используют в комбинации с различными системами охлаждения.
Применительно к СВО это выглядит так: если на процессоре имеется теплорассеиватель, модуль Пельтье устанавливается на него «холодной» стороной, а на «горячую» сторону модуля ставится водоблок. Если же теплорассеивателя нет (открытое процессорное/графическое ядро) или он меньше модуля, то сначала устанавливают теплораспределительную пластину, к ней «холодной» стороной сам модуль Пельтье и только потом водоблок. Получается внушительный медно-керамический бутерброд.
Питание модуля производится от БП компьютера, либо от внешнего источника питания. Надо заметить, что не все ТЭМ можно питать от БП, у некоторых из них рабочее напряжение – 24 вольта (можно меньше, но эффективность снижается). На модули Пельтье рекомендуют подавать 75% от расчетного напряжения, так как в этом случае модуль имеет наилучший КПД, но даже 18 вольт найти в БП проблемно.
Существуют системы, где элемент Пельтье охлаждается воздушным кулером, но производительность таких систем весьма посредственна. Использование ТЭМ вместе с воздушными системами охлаждения в нашем случае не оправдано.
Достоинства:
+ Возможность получения температур, близких к нулю, или, во всяком случае, меньше температуры окружающей среды.
+ Небольшие размеры самого модуля.
+ 7/24 система.
Недостатки:
– Обязателен качественный блок питания, который сможет питать модуль Пельтье.
– Напряжение на ветке БП, к которой подключен модуль, может просесть ниже допустимых пределов.
– Низкий КПД модуля Пельтье.
– СВО должна отводить суммарное тепловыделение модуля Пельтье и процессора.
Готовых систем с элементами Пельтье очень мало, ввиду того, что они сложны в использовании и не пользуются большим спросом. Чаще люди, которым такие системы нужны, сами находят подходящие модули и совмещают их с «водянкой».
Чиллеры
Чиллер – все та же многострадальная СВО, только еще более производительная и еще более проблемная. В такой системе температура жидкости либо близка к нулю, либо ниже нуля. Получить такие температуры можно различными способами.
Самое банальное – радиатор системы размещается в морозилке. Дешево, сердито, но и сидеть придется рядом с холодильником .
Второй вариант – радиатор выносится за окно. Способ неплохо работает зимой, особенно когда морозы, но для лета совершенно не подходит.
Третий вариант – использовать в качестве расширительного бачка ведро с водой, засыпав туда льда. Решение временное, не очень производительное, но для оверклокеров, которые выжимают последние мегагерцы, вполне оправданное.
Четвертый вариант – жидкость в контуре «водянки» охлаждается модулями Пельтье. Эффективность не очень высока и опять же, встает вопрос, куда девать тепло, выделяемое модулями.
Пятый вариант – самый интересный и сложный одновременно. Он не зависит от погодных условий или наличия льда в морозилке. Жидкость охлаждается системой на основе фазового перехода (о них ниже). Температура жидкости в СВО зависит от мощности системы на основе фазового перехода. Чем мощнее последняя, тем ниже температура в контуре СВО. По сути, чиллер – это уже экстремальное охлаждение, которое для обычного рабочего компьютера излишне.
Описывать достоинства и недостатки буду применительно к 4 и 5 вариантам чиллера, так как они являются полноценными 7/24 системами.
Достоинства:
+ Возможность опустить температуру нескольких охлаждаемых элементов ниже нуля.
+ Нет необходимости использовать радиатор в контуре СВО (точнее, это даже снижает производительность системы).
+ 7/24 система.
Недостатки:
– Система очень громоздкая, занимает много места.
– Необходимо теплоизолировать весь контур СВО! Так как температура жидкости ниже окружающей, конденсат будет образовываться на водоблоках, на шлангах, на расширительном бачке и т.д.
– В контуре СВО должна быть незамерзающая жидкость типа антифриза, которая при этом не должна разрушать шланги системы или другие ее элементы.
– Сложность в сборке, настройке и монтаже чиллера.
Здесь ситуация аналогична предыдущей. Готовых систем мало, а энтузиасты сами собирают то, что им нужно.
Сухой лед
Охлаждение сухим льдом – удел экстремалов, которые уже ничего не боятся. Применение таких систем небезопасно и иногда приводит к печальным результатам.
Сухой лед представляет собой двуокись углерода, которая находится в твердом состоянии. Его прелесть в том, что при испарении лед переходит из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Температура испарения сухого льда –78 градусов Цельсия.
В случае с сухим льдом, теплообменник выглядит довольно своеобразно. Он представляет собой медное основание толщиной от 1 до 15 мм и медную трубу, припаянную к этому основанию. Внутрь получившегося «стакана» наливается жидкость, которая не замерзает при температуре -80 градусов Цельсия, обычно это спирт, а уже в эту жидкость кладут куски сухого льда. Лед начинает активно испаряться, а поскольку на испарение нужна энергия, он забирает ее из окружающей среды, которой в данном случае является жидкость. Можно обойтись и без использования жидкости, но в этом случае площадь соприкосновения льда со стаканом гораздо меньше и, соответственно, меньше производительность системы. Жидкость как раз обеспечивает максимальную площадь соприкосновения льда со стаканом.
Такое охлаждение используется исключительно для достижения минусовых температур на охлаждаемых элементах. Тем более, система работает до того момента, пока не кончится лед .
Достоинства:
+ Возможность достижения низких температур и, следовательно, больших частот охлаждаемого элемента.
+ Бесшумность системы (бульканье в стакане не в счет:)).
Недостатки:
– Необходимость изготавливать «стакан» для сухого льда.
– Требуется теплоизоляция материнской платы.
– Система не может работать непрерывно, нужен постоянный присмотр.
– Сложности с покупкой, транспортировкой и хранением сухого льда.
– Уникальная возможность изощренно убить железо .
«Стаканы» для сухого льда серийно не выпускают, это уже штучный товар. Тем более что его конструкция может быть разной, в зависимости от целей экстримщика, решившегося на такой эксперимент.
Системы фазового перехода
Пожалуй, это самый сложный и интересный способ охлаждения. В таких системах по контуру циркулируют хладоны (фреоны), которые при атмосферном давлении имеют низкую температуру кипения. Агрегатное состояние фреона зависит от давления и температуры. Сам контур разделен на зоны низкого и высокого давления, и благодаря этому есть возможность конденсировать испарившийся фреон, а затем заново его испарять. От компрессора до испарителя идет линия высокого давления, от испарителя до компрессора линия низкого давления.
Компрессор качает фреон, который находится в газообразном состоянии. Фреон под большим давлением поступает в конденсор и там переходит в жидкое состояние. При конденсации выделяется большое количество тепла, поэтому конденсор обдувают вентилятором. После конденсора жидкий фреон поступает в капиллярную трубку, которая имеет очень высокое гидросопротивление, так как ее внутренний диаметр 0.6-0.8 мм. Перед капилляром обычно стоит фильтр, функция которого – задерживать частички нагара, образовавшиеся в результате сборки системы (чаще всего сбор производят пайкой). Без фильтра нагар может забить капилляр, и система перестанет функционировать. Из капилляра фреон попадает в испаритель, в зону низкого давления и фреон начинает кипеть, охлаждая испаритель. Испарившийся фреон по отсасывающей трубке поступает обратно в компрессор.
Это принцип работы самой простой «фреонки». Иногда вместо капилляра используют ТРВ (терморегулирующий вентиль), после испарителя ставят докипатель, в случае, если не весь фреон выкипает в самом испарителе, и т.д. В общем, вариантов множество. Если «фреонкой» охлаждают разогнанный процессор (а в 99% случаев это так), то его надо охладить до температуры, при которой он может работать, еще перед тем, как запустится компьютер. Поэтому сначала запускается «фреонка», а при достижении необходимой для запуска температуры включается вся система. «Время ожидания» может составлять до 2 минут.
Думаю, не ошибусь, если скажу, что система фазового перехода есть почти в каждом доме, правда, она большая, белая и называется холодильником . Могут быть различия в конструкции самой системы охлаждения, но принцип работы у фреонки и холодильника одинаковый.
Достоинства:
+ Возможность достижения низких температур на охлаждаемом элементе.
+ Вывод тепла за пределы корпуса.
+ Высокий КПД системы.
+ 7/24 система.
Недостатки:
– Большие габариты системы.
– Высокая стоимость готовых систем.
– Требуется теплоизоляция материнской платы, частично испарителя и отсасывающей трубки в системе фазового перехода.
– Шумность системы зависит от производителя и модели компрессора. Чем компрессор мощнее, тем выше шум.
– Невозможно быстро запустить компьютер.
– Высокая сложность, а порой и невозможность самостоятельного изготовления.
– И снова, уникальная возможность изощренно убить железо .
Как ни странно, но серийные системы фазового перехода существуют. Поставляются они либо уже вместе с корпусом, либо отдельно, небольшим блоком, на который ставится корпус. Эти системы могут отводить от охлаждаемого элемента 200 Вт тепла, обеспечивая при этом температуру в -33 градуса Цельсия. Цена такой системы сравнима со стоимостью среднего компьютера.
Стало интересно, насколько громко работает компрессор? Стоит подойти к холодильнику во время его работы, и все станет ясно .
Каскады
Каскады – это продолжение предыдущего способа охлаждения. Некоторые фреоны конденсируются при низких температурах, и простого обдува конденсора воздухом здесь не хватит. В этом случае конденсор такой системы охлаждается другой «фреонкой», которая может охладить конденсор до необходимой температуры. В данном случае получается двухконтурная система. Контуров может быть больше, все зависит от того, какие температуры нужны на испарителе последнего контура. А температуры могут быть ниже -200 градусов Цельсия, правда, число контуров будет равняться 4 или 5.
Хоть каскады и могут работать непрерывно, их не используют для постоянной работы – такие системы собираются исключительно для достижения рекордов в различных тестах и бенчмарках.
Достоинства:
+ Возможность достижения экстремально низких температур на охлаждаемом элементе.
+ Высокий КПД системы.
+ 7/24 система.
Недостатки:
– Большие габариты, система не влезет в корпус.
– Высокая стоимость компонентов систем и хладонов.
– Требуется теплоизоляция материнской платы, частично испарителей и отсасывающих трубок в системах.
– Шумность системы, особенно, если контуров много.
– Большое потребление электроэнергии такой системой.
– Невозможно быстро запустить компьютер.
– Высокая сложность, а порой и невозможность самостоятельного изготовления.
А вот купить каскады уже не представляется возможным. Их изготавливают сами энтузиасты для своих специфических целей.
Автокаскады
Автокаскад – нечто среднее между обычной «фреонкой» и каскадом. Дело в том, что в такой системе контуров больше, чем компрессоров. И заправлены такие системы смесью из фреонов, каждый из которых конденсируется при различных температурах. В первом конденсоре сконденсируется фреон, температура конденсации которого выше, а второй пойдет дальше в газообразном состоянии. После фильтра в автокаскаде стоит отделитель жидкости. Из него сконденсировавшийся фреон поступает в испаритель для охлаждения второго в системе конденсора, в который из того же отделителя жидкости поступает несконденсировавшийся фреон. Испаритель охлаждает второй конденсор, из которого фреон с более низкой температурой кипения уже в жидком состоянии поступает в испаритель для охлаждения необходимого элемента. После этого фреоны снова поступают в компрессор.
Нужно обладать очень прямыми руками и хорошими знаниями, чтобы собрать такую систему. В отличие от «фреонок», автокаскад купить нельзя.
Достоинства:
+ Возможность достижения экстремально низких температур на охлаждаемом элементе.
+ Нет необходимости во втором компрессоре.
+ Высокий КПД системы.
+ 7/24 система.
Недостатки:
– Большие габариты.
– Высокая стоимость системы.
– Сложность в настройке.
– Требуется теплоизоляция материнской платы, частично испарителей и отсасывающих трубок в системе.
– Шумность системы зависит от производителя и модели компрессора.
– Невозможно быстро запустить компьютер.
– Высокая сложность, а порой и невозможность самостоятельного изготовления.
Автокаскад вообще очень редкий зверь, поскольку с ним проблем гораздо больше, чем с обычным каскадом. Такие системы серийно не производятся, да и не каждый экстримщик решится собрать такое чудо.
Жидкий азот
Жидкий азот – хладагент с температурой кипения -196 градусов Цельсия. Охлаждение здесь происходит за счет кипения азота в теплообменнике, который установлен на охлаждаемом элементе. В качестве теплообменника выступает уже знакомый нам «стакан», изготовленный из меди или алюминия.
Перед охлаждением материнскую плату и стакан тщательно изолируют, чтобы не допустить образования конденсата, который при такой разности температур системы и окружающей среды образуется в огромных количествах. Затем на охлаждаемый элемент крепится «стакан», в него заливается необходимое количество азота, и через некоторое время включается сам компьютер. Азот периодически подливается в «стакан» из термоса, ну или, на худой конец, из ковшика .
Немаловажным моментом является хранение жидкого азота. Хранится жидкий азот в сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми – вакуум. Это обеспечивает высокую теплоизоляцию вещества, но даже в таком сосуде азот будет постепенно выкипать. При охлаждении азот наливают из сосуда Дьюара в какую-нибудь промежуточную емкость (ковшик, обычный термос и т.д.), а уже из нее в «стакан». Связано это с тем, что сосуд сам по себе весит немало, а с азотом – и того больше.
Системы с азотом также собираются с целью установки на них рекордов и для постоянной работы не предназначены.
Достоинства:
+ Возможность достижения экстремально низких температур.
+ Бесшумность системы (опять же, бульканье не учитываем:)).
Недостатки:
– Необходимость изготавливать «стакан» для жидкого азота.
– Требуется теплоизоляция материнской платы.
– Необходимо просторное помещение для работы системы, так как большое количество испарившегося азота в воздухе может быть небезопасно для персоны экстремала.
– Система не может работать непрерывно, нужен постоянный присмотр.
– Сложности с покупкой, транспортировкой и хранением жидкого азота.
– Фееричная возможность изощренно убить железо .
Как и «стакан» для льда, азотный «стакан» нужен единицам. Экстримщики сами изготавливают необходимую по форме и размерам емкость для экспериментов с азотом.
Под словом фреоны скрываются разнообразные газы или их смеси. К примеру, «фреонка» может быть заправлена пропаном, который обозначается как R290 и имеет температуру кипения -42 градуса Цельсия.
Внимательный читатель заметит, что у экстремальных методов охлаждения недостатков больше, чем достоинств, но тем не менее, люди продолжают использовать эти методы. А все потому, что у них есть одно неоспоримое преимущество – возможность достичь низких температур, которые так необходимы для работы железа на пределе возможностей. Конечно, надо оговориться, что «любителей быстрой езды» очень мало по сравнению с обычными пользователями.
Думаю, самым перспективным на данный момент является водяное охлаждение. «Водянка» способна отводить приличное количество тепла от нескольких элементов одновременно, не создает много шума. На рынке теперь можно не только купить готовую систему водяного охлаждения, но и отдельные ее части типа водоблока. Цены также постепенно снижаются.
К сожалению, процессоры с тепловыделением более 100 Вт – уже реальность, и не всякий воздушный кулер осилит такой процессор. Да и сами кулеры за последние пару лет заметно выросли в размерах и прибавили в весе. Если тепловыделение элементов ПК продолжит расти, то «фреонка» в корпусе обычного пользователя может стать обычным делом, впрочем, не будем загадывать.
Выражаю благодарность Дену, Негодяю, Big_Sam’у, Clear66, Sladky, TiN’у и [Viru$]’у за предоставленные фотоматериалы.
Задать вопрос по статье или высказать своё мнение можно на форуме.
Статья была впервые опубликована в журнале «Железо» ( март 2005).
Источник
