oldi

Системы жидкостного охлаждения для экстремалов

Сергей Пахомов

Устройство систем жидкостного охлаждения

Внутренние системы жидкостного охлаждения

Внешние системы жидкостного охлаждения

Будущее систем охлаждения

 

 

Давно уже канули в Лету те времена, когда компьютеру не требовались специализированные системы охлаждения. По мере роста тактовых частот центрального и графического процессоров последние сначала стали обрастать пассивными радиаторами, а впоследствии потребовали установки вентиляторов. Сегодня уже ни один ПК не обходится без специальных кулеров для охлаждения процессора, видеокарты и северного моста чипсета. Нередко специализированные кулеры устанавливаются и на жесткие диски, а в самом корпусе для принудительной конвекции помещаются дополнительные вентиляторы.

Делать нечего — с законами физики не поспоришь, и рост тактовых частот и производительности ПК неизбежно сопровождается повышением энергопотребления и, как следствие, выделением тепла. Это, в свою очередь, заставляет производителей создавать новые, более эффективные системы охлаждения. К примеру, не так давно стали появляться системы охлаждения на основе тепловых трубок, которые сегодня широко используются для создания систем охлаждения ноутбуков.

Наряду с традиционными системами охлаждения на основе радиаторов с вентиляторами, все большее распространение получают жидкостные системы охлаждения, которые используются в качестве альтернативы воздушных систем. Однако здесь необходимо сделать одно важное замечание: несмотря на все заверения производителей о необходимости использования жидкостных систем охлаждения для обеспечения нормального температурного режима, в действительности это условие вовсе не является обязательным при штатном режиме работы ПК.

Собственно, все современные процессоры рассчитаны именно на воздушное охлаждение, причем для этого вполне достаточно штатного кулера, поставляемого в боксовом варианте процессора. Видеокарты вообще продаются вместе со штатной воздушной системой охлаждения, что исключает необходимость использования альтернативных средств охлаждения. Более того, возьму на себя смелость утверждать, что современные воздушные системы охлаждения обладают определенным запасом и что поэтому многие производители даже снижают без ущерба производительности скорость вращения вентиляторов, создавая таким образом малошумящие комплекты для охлаждения процессоров и видеокарт. Вспомним хотя бы наборы для создания бесшумных ПК компании ZALMAN — в этих устройствах используются вентиляторы с низкими оборотами, которых, тем не менее, вполне достаточно.

О том, что традиционные воздушные системы охлаждения вполне справляются с возложенной на них задачей, свидетельствует хотя бы тот факт, что ни один отечественный производитель ПК не устанавливает жидкостных систем охлаждения в свои серийные модели. Во-первых, это дорого, а во-вторых, в этом нет особой необходимости. А страшные рассказы о том, что по мере повышения температуры процессора падает его производительность, что обусловлено технологией Throttle, — это, по большому счету, выдумки.

Зачем же тогда вообще нужны альтернативные жидкостные системы охлаждения? Дело в том, что до сих пор речь шла о штатном режиме работы ПК. Если же посмотреть на проблему охлаждения с позиции разгона, то выясняется, что штатные системы охлаждения могут и не справиться со своими задачами. Вот тут-то на выручку и приходят более эффективные жидкостные системы охлаждения.

Другое применение жидкостных систем охлаждения — это организация теплоотвода в ограниченном пространстве корпуса. Таким образом, подобные системы находят применение в том случае, когда корпус недостаточно велик, чтобы организовать в нем эффективное воздушное охлаждение. При охлаждении системы жидкостью подобная жидкость циркулирует по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любые конфигурации и направления. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы, при такой же или гораздо большей эффективности.

Примерами таких компактных корпусов, где традиционное воздушное охлаждение может оказаться неэффективным, могут служить различные варианты barebone-систем или ноутбуков.

Устройство систем жидкостного охлаждения

Рассмотрим, что представляют собой жидкостные системы охлаждения. Принципиальная разница между воздушным и жидкостным охлаждением заключается в том, что в последнем случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая большей, по сравнению с воздухом, теплоемкостью. Для этого вместо воздуха через радиатор прокачивается жидкость — вода или другие подходящие для охлаждения жидкости. Циркулирующая жидкость обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха.

Второе различие заключается в том, что жидкостные системы охлаждения гораздо компактнее традиционных воздушных кулеров. Именно поэтому первыми стали применять жидкостное охлаждение на серийных устройствах производители ноутбуков.

В плане конструкции системы принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа: внутренние и внешние. При этом отметим, что никакого принципиального различия между внутренними и внешними системами не существует. Разница заключается лишь в том, какие функциональные блоки находятся внутри корпуса, а какие — снаружи.

Принцип действия жидкостных систем охлаждения достаточно прост и напоминает систему охлаждения в автомобильных двигателях.

Холодная жидкость (как правило, дистиллированная вода) прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло). После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается. Для эффективного теплообмена с окружающим пространством в теплообменниках, как правило, используются вентиляторы. Все компоненты конструкции соединяются между собой гибкими силиконовыми шлангами диаметром 5-10 мм. Для того чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, используется специальный насос — помпа. Структурная схема такой системы показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Общая схема жидкостного охлаждения с помпой

Рис. 1. Общая схема жидкостного охлаждения с помпой

Посредством систем жидкостного охлаждения тепло отводится от центральных процессоров и графических процессоров видеокарт. При этом жидкостные радиаторы для графических и центральных процессоров имеют некоторые различия. Для графических процессоров они меньше по размеру, однако принципиально ничем особенным друг от друга не отличаются. Эффективность жидкостного радиатора определяется площадью контакта его поверхности с жидкостью, поэтому для увеличения площади контакта внутри жидкостного радиатора устанавливают ребра или столбчатые иголки.

Во внешних жидкостных системах охлаждения внутри корпуса компьютера размещается только жидкостный радиатор, а резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа и теплообменник, помещенные в единый блок, выносятся за пределы корпуса ПК.

В начало В начало

Внутренние системы жидкостного охлаждения

Классическим примером внутренней жидкостной системы охлаждения может служить система CoolingFlow Space2000 WaterCooling Kit компании CoolingFlow (www.coolingflow.com), показанная на рис. 2.

 

Рис. 2. Система жидкостного охлаждения CoolingFlow Space2000 WaterCooling Kit

Рис. 2. Система жидкостного охлаждения CoolingFlow Space2000 WaterCooling Kit

Данная система предназначена только для охлаждения процессора, на котором устанавливается жидкостный радиатор Space2000 SE+ waterblock. Помпа совмещена с резервуаром для жидкости емкостью 700 мл.

Другим примером системы жидкостного охлаждения с помпой, устанавливаемой внутрь корпуса ПК, может служить система Poseidon WCL-03 (рис. 3) компании 3RSystem (www.3rsystem.co.kr).

Система Poseidon WCL-03 предназначена для жидкостного охлаждения процессора или чипсета.

 

Рис. 3. Система жидкостного охлаждения Poseidon WCL-03

Рис. 3. Система жидкостного охлаждения Poseidon WCL-03

Poseidon WCL-03 представляет собой два функциональных блока. Первый блок — это емкость для воды с габаритами 90Ѕ25Ѕ30 мм, совмещенная с радиатором теплообменника размером 134Ѕ90Ѕ22 мм (рис. 4), а второй — жидкостный радиатор процессора, совмещенный с помпой (рис. 5). Радиатор процессора выполнен из алюминия и имеет размеры 79Ѕ63Ѕ8 мм при весе 82 г.

 

Рис. 4. Емкость для воды, совмещенная с радиатором теплообменника системы Poseidon

Рис. 4. Емкость для воды, совмещенная с радиатором теплообменника системы Poseidon

Рис. 5. Радиатор процессора, совмещенный с помпой системы Poseidon WCL-03

Рис. 5. Радиатор процессора, совмещенный с помпой системы Poseidon WCL-03

Еще одним примером внутренней системы жидкостного охлаждения является система TherMagic CPU Cooling System компании Evergreen Technologies (рис. 6). Как следует из названия, эта система предназначена для охлаждения процессора, а состоит она из двух функциональных блоков: жидкостного радиатора процессора, выполненного из меди, и блока теплообменника, совмещенного с помпой.

 

Рис. 6. Система жидкостного охлаждения процессора TherMagic CPU Cooling System

Рис. 6. Система жидкостного охлаждения процессора TherMagic CPU Cooling System

Теплообменник — это довольно внушительных размеров пластиковый корпус квадратного сечения, по обеим сторонам которого расположены вентиляторы, прогоняющие воздух сквозь устройство.

Внутри корпуса теплообменника расположены миниатюрная помпа, качающая жидкость по системе, и крупный медный радиатор с ребрами большой площади (рис. 7).

 

Рис. 7. Строение теплообменника системы TherMagic CPU Cooling System

Рис. 7. Строение теплообменника системы TherMagic CPU Cooling System

Теплообменник крепится к стандартному посадочному месту, предназначенному для дополнительного вентилятора в корпусе компьютера; горячий воздух выдувается наружу.

В начало В начало

Внешние системы жидкостного охлаждения

Внутренние системы жидкостного охлаждения имеют один недостаток: их крепление внутри корпуса может вызвать проблемы, поскольку стандартные корпуса изначально проектируются именно под воздушные системы охлаждения. Поэтому тем, кто предпочтет внутреннюю систему жидкостного охлаждения, придется подбирать соответствующий корпус. Внешние же жидкостные системы охлаждения лишены данного недостатка.

Классическим примером внешней системы жидкостного охлаждения можно считать систему Aquagate ALC-U01 компании Cooler Master (www.coolermaster.com). Данная система представляет собой выполненный из алюминия отдельный блок размерами 220Ѕ148Ѕ88 мм (рис. 8).

 

Рис. 8. Внешняя система жидкостного охлаждения Aquagate ALC-U01

Рис. 8. Внешняя система жидкостного охлаждения Aquagate ALC-U01

Этот блок может устанавливаться либо внутрь компьютера, занимая два 5,25-дюймовых отсека, либо отдельно от системного блока (например, сверху) (рис. 9).

 

Рис. 9. Возможные варианты расположения системы Aquagate ALC-U01

Рис. 9. Возможные варианты расположения системы Aquagate ALC-U01

Естественно, что и при внешнем по отношению к корпусу расположении система Aquagate ALC-U01 остается связанной с корпусом двумя гибкими шлангами для прокачки воды. Сама же система охлаждения процессора (жидкостный радиатор) выглядит вполне традиционно (рис. 10).

 

Рис. 10. Жидкостный радиатор процессора системы Aquagate ALC-U01

Рис. 10. Жидкостный радиатор процессора системы Aquagate ALC-U01

Внутри алюминиевого корпуса системы Aquagate ALC-U01 расположены теплообменник, помпа и жидкостный резервуар. Теплообменник состоит из собственно радиатора и 80-миллиметрового вентилятора, выдувающего горячий воздух из радиатора. Скорость вращения вентилятора регулируется посредством термодатчика, встроенного в систему, и может составлять 4600, 3100 и 2000 об./мин.

Вторым примером внешней жидкостной системы охлаждения, которая не допускает внутренней установки, является система Exos-Al (рис. 11) компании Koolance (www.koolance.com)

 

Рис. 11. Внешняя система жидкостного охлаждения Exos-Al

Рис. 11. Внешняя система жидкостного охлаждения Exos-Al

Размеры этой системы — 184Ѕ95Ѕ47 мм. Внутри внешнего блока Exos-Al расположен массивный радиатор теплообменника (рис. 12), горячий воздух из которого высасывается тремя вентиляторами. Кроме того, в блоке имеются помпа и, конечно же, резервуар для воды.

 

Рис. 12. Внутреннее строение блока Exos-Al

Рис. 12. Внутреннее строение блока Exos-Al

Система жидкостного охлаждения Exos-Al может использоваться как для охлаждения процессоров, так и для охлаждения графических процессоров видеокарт. Различны только жидкостные радиаторы, используемые для охлаждения. Радиатор для центрального процессора изображен на рис. 13, а радиатор для графического процессора — на рис. 14.

 

Рис. 13. Радиатор Exos-Al для центрального процессора

Рис. 13. Радиатор Exos-Al для центрального процессора

Рис. 14. Радиатор Exos-Al для графического процессора

Рис. 14. Радиатор Exos-Al для графического процессора

Отметим, что компания Koolance производит не только внешние системы жидкостного охлаждения, но и целые корпуса со встроенной системой жидкостного охлаждения на основе системы Exos-Al. Пример такого корпуса показан на рис. 15.

 

Рис. 15. Корпус PC2-C компании Koolance со встроенной системой жидкостного охлаждения

Рис. 15. Корпус PC2-C компании Koolance со встроенной системой жидкостного охлаждения

Конечно же, такая известная компания, как ZALMAN (www.zalman.co.kr), специализирующаяся на выпуске систем охлаждения, не могла оставить без внимания системы жидкостного охлаждения и тоже представила на рынке свое решение — внешнюю систему RESERATOR 1 (рис. 16).

 

Рис. 16. Система внешнего жидкостного охлаждения ZALMAN RESERATOR 1

Рис. 16. Система внешнего жидкостного охлаждения ZALMAN RESERATOR 1

По своему дизайну данная система весьма оригинальна и не похожа ни на одну из рассмотренных выше. Фактически, это своего рода «водяная труба», устанавливающаяся рядом с системным блоком ПК.

Система RESERATOR 1 включает несколько функциональных блоков: собственно теплообменник (рис. 17) со встроенной помпой (рис. 18) и резервуаром для жидкости, жидкостный радиатор процессора ZM-WB2 (рис. 19), индикатор потока жидкости (рис. 20) и опциональный жидкостный радиатор для графического процессора ZM-GWB1 (рис. 21).

 

Рис. 17. Теплообменник со встроенной помпой и резервуаром для жидкости системы RESERATOR 1

Рис. 17. Теплообменник со встроенной помпой и резервуаром для жидкости системы RESERATOR 1

Рис. 18. Помпа, устанавливаемая внизу теплообменника системы RESERATOR 1

Рис. 18. Помпа, устанавливаемая внизу теплообменника системы RESERATOR 1

Рис. 19. Жидкостный радиатор процессора ZM-WB2

Рис. 19. Жидкостный радиатор процессора ZM-WB2

Рис. 20. Индикатор потока жидкости

Рис. 20. Индикатор потока жидкости

Рис. 21. Жидкостный радиатор для графического процессора ZM-GWB1

Рис. 21. Жидкостный радиатор для графического процессора ZM-GWB1

Внешний теплообменник системы RESERATOR 1 имеет высоту 59,2 см при диаметре 15 см. С учетом расходящихся ребер радиатора общая его поверхность составляет 1,274 м2.

Индикатор потока жидкости включается в контур циркуляции жидкости и предназначен для визуального контроля потока жидкости. Когда жидкость циркулирует по контуру, заслонка внутри индикатора начинает вибрировать, что говорит о нормальном состоянии системы.

Жидкостный радиатор процессора ZM-WB2 имеет полностью медное основание и может использоваться для любых процессоров и разъемов (Intel Pentium 4 (Socket 478), AMD Athlon/Duron/Athlon XP (Socket 462), Athlon 64 (Socket 754)).

Еще одним примером жидкостной внешней системы охлаждения является система Aquarius III Liquid Cooling (рис. 22) от небезызвестной компании Thermaltake (www.thermaltake.com).

 

Рис. 22. Система внешнего жидкостного охлаждения Aquarius III Liquid Cooling

Рис. 22. Система внешнего жидкостного охлаждения Aquarius III Liquid Cooling

Данная система во многом напоминает рассмотренную выше систему Aquagate ALC-U01. Внутри алюминиевого корпуса размером 312Ѕ191Ѕ135 мм блока Aquarius III Liquid Cooling располагаются водяная помпа, теплообменник с 80-миллиметровым вентилятором и резервуар для жидкости.

Помпа установлена внутри небольшого резервуара для жидкости. В зависимости от температуры жидкости помпа способна изменять частоту вращения ротора (значение можно отслеживать так же, как и для обычного кулера).

Для подвода силиконовых трубок, по которым циркулирует жидкость, к корпусу в комплекте поставляется соответствующая заглушка (рис. 23).

 

Рис. 23. Заглушка к корпусу для подвода силиконовых трубок

Рис. 23. Заглушка к корпусу для подвода силиконовых трубок

Резервуар выполнен из прозрачного пластика со светодиодной подсветкой изнутри. Для визуального контроля работоспособности помпы внутри резервуара помещены два белых пластиковых шарика, которые вращаются при ее работе. К резервуару с помпой подводятся четыре трубки. Две из них — от дополнительного резервуара с водой, через который можно доливать воду в систему, а затем судить о ее количестве в контуре. По инструкции резервуар должен устанавливаться снаружи корпуса, но это не обязательно — нужно только ежемесячно контролировать уровень воды в помпе по соответствующим меткам и добавлять жидкость по мере необходимости.

Жидкостный радиатор процессора (рис. 24) полностью изготовлен из меди и является универсальным, то есть может быть установлен на любой современный процессор.

 

Рис. 24. Жидкостный радиатор процессора системы Aquarius III Liquid Cooling

Рис. 24. Жидкостный радиатор процессора системы Aquarius III Liquid Cooling

В начало В начало

Будущее систем охлаждения

Несмотря на всю эффективность систем жидкостного охлаждения, уже сейчас стало понятно, что неизбежно наступит день, когда тактовые частоты процессоров достигнут того самого критического значения, когда дальнейшее использование традиционных систем охлаждения станет невозможным. Поэтому разработчики не прекращают поиски принципиально новых, более эффективных систем охлаждения. Одна из таких перспективных разработок, основанная на открытии ученых Стандфордского университета (Stanford University), принадлежит компании Cooligy (www.cooligy.com).

Собственно, технологически новая система охлаждения напоминает традиционную жидкостную. Во всяком случае здесь тоже наличествуют жидкостный радиатор, теплообменник и помпа. Основное же различие заключается в принципе действия помпы и жидкостного радиатора.

Жидкостный радиатор, называемый Microchannel Heat Collector, встраивается в кристалл кремния микросхемы (процессора). Внутри жидкостный радиатор имеет микроканальную структуру с шириной отдельного канала порядка 20-100 мкм.

Идея использования микроканальной структуры для эффективного охлаждения микросхем была высказана еще в 1981 году профессорами Стандфордского университета доктором Дэвидом Тукерманом (David Tuckerman) и доктором Фабианом Пизом (Fabian Pease). Согласно их исследованию, микроканальная структура, внедренная в кремний, позволяет отводить 1000 Вт тепла с каждого сантиметра поверхности кремния. Эффективность теплоотвода в микроканальной структуре, внедренной в кристалл кремния, реализуется благодаря двум эффектам. Во-первых, тепло, отводимое с кристалла кремния, передается на очень малое расстояние, поскольку микроканалы находятся непосредственно в кристалле кремния. Во-вторых, тепло, передаваемое стенкой микроканала холодной жидкости, тоже передается на очень малое расстояние, так как диаметр самого микроканала очень мал. В результате достигается очень высокий коэффициент теплопередачи микроканальной структуры, причем зависящий от ширины самого канала (рис. 25).

 

Рис. 25. Зависимость коэффициента теплопередачи от ширины микроканала

Рис. 25. Зависимость коэффициента теплопередачи от ширины микроканала

В результате — чем меньше толщина микроканала, тем более эффективно отводится тепло и тем более холодными остаются стенки микроканалов (рис. 26).

 

Рис. 26. По мере уменьшения толщины микроканала эффективность отвода тепла возрастает

Рис. 26. По мере уменьшения толщины микроканала эффективность отвода тепла возрастает

Второй особенностью системы охлаждения, разработанной компанией компании Cooligy, является сама помпа, заставляющая циркулировать жидкость по замкнутому контуру.

Принцип действия данной помпы основан на электрокинетическом явлении, поэтому такая помпа получила название электрокинетической (EK pump).

В электрокинетической помпе жидкость (вода) проходит по стеклянным трубкам, стенки которых имеют отрицательный заряд (рис. 27). В воде вследствие реакции электролиза имеется некоторое количество положительно заряженных ионов водорода, которые будут смещаться к отрицательно заряженным стеклянным стенкам.

 

Рис. 27. Принцип действия электрокинетической помпы

Рис. 27. Принцип действия электрокинетической помпы

Если вдоль такой стеклянной трубки приложить электрическое поле, то положительные ионы водорода будут двигаться вдоль по полю, увлекая за собой всю жидкость. Таким образом можно заставить двигаться жидкость внутри стеклянной трубки.

КомпьютерПресс 6'2004