На пути к тихому компьютеру

Невозможное это разумное сочетание

Современный компьютер насыщается высоко производительными устройствами, которых все больше и больше. Каждое такое устройство требует эффективного охлаждения и поэтому снабжено вентилятором. Вы покупаете ХОРОШИЙ компьютер, ставите его и через некоторое время начинаете замечать монотонный и назойливый шум. Что можно сделать? Вы ищите и находите множество статей по этому вопросу, меняете шумные вентиляторы на тихие, шум может уменьшиться ...
Но об этом надо думать до того как Вы решили собрать (купить) себе компьютер! Так что считайте, тот компьютер который Вас сейчас не устраивает, это "попытка опыта" и дальше Вы сначала подумаете, а потом сделаете покупку. Вероятнее всего Вы сами соберете компьютер такой каким Вы его видите. И это будет именно то что Вам нужно.
В части 1 рассмотрены узлы компьютера и возможные пути снижения шумов вентилятора, здесь же я попытался сравнить шумовые свойства разных видов систем охлаждения.
Все написанное здесь не относится к типовому компьютеру, для типовых задач.

 

 

Шумы в современном компьютере

Можно ли собрать полностью бесшумный компьютер?

Хотелось бы Вас порадовать и сказать - можно, но увы - нельзя.

Шумы компьютера по источнику возникновения делятся на:
механические;
гидравлические;
аэродинамические;
электрические.

Все устройства этих типов шумят, к ним можно отнести практически все узлы. Одни шумят больше, другие меньше. Одни в звуковом диапазоне частот, другие на ультразвуковых частотах (промодулированных в том числе и звуковыми) и их гармониках.

Электромеханические шумы присущи керамическим конденсаторам, катушкам индуктивности, ферромагнитным сердечникам, сердечники из электротехнической стали.

Это как назойливый и постоянный писк комара около уха.

Шумят приводы дисков жестких и оптических.

Шумят системы охлаждения: воздушные, водяные - любые. Одни меньше, другие больше.

Все эти шумы могут многократно усилиться, трансформироваться в звуковой диапазон за счет вибраций монтажной рамы корпуса, которая обычно штампуется из тонкого стального листа и имеет плоскую конструкцию склонную к местным резонансам.

 

Шум системы воздушного охлаждения

Как известно, каждый узел компьютера выделяет тепло. Этого тепла тем больше чем больше потребляемая от источника питания этим узлом мощность. Причем не вся потребляемая мощность переходит в тепло, есть такой известный Вам параметр как КПД (коэффициент полезного действия). Который для источников питания находится на уровне 0,8 - 0,95, а для потребителей энергии (процессоров, чипов памяти, ...) приближается к 0,05.

Поэтому принимают потребляемую мощность за тепловыделение компьютера.

Чем больше выделяется тепла в корпусе компьютера, тем больше воздуха должна прогнать через корпус система вентиляции (см. ф.2.1).

Если не шутить, а говорить серьезно, то в современном компьютере имеется не менее 4 корпусных вентилятора, чаще 6, а иногда и более. а включая вентиляторы кулера процессора, видеокарты, HDD получается в общей сложности до 10 вентиляторов в компьютере.  Каждый из них имеет свой уровень шума. Как оценить суммарный уровень шума от нескольких вентиляторов (оценить уровень шума от нескольких источников см. здесь).

Рассмотрим уровень шума корпуса от Cooler Master HAF XB (RC-902XB-KKN1) позиционирующийся производителем как "Корпус с выдающейся вентиляцией для сборки игрового компьютера класса премиум"

Его система вентиляции корпуса организована следующим образом:

 

 

Итого в корпусе Cooler Master HAF XB (RC-902XB-KKN1) может (максимально) быть установлено 6 (шесть) корпусных вентиляторов.

Дополнительно в компьютере используются еще по крайней мере три вентилятора (блок питания, кулер процессора - до 2 шт, видеокарты), а в игровом компьютере еще один для охлаждения HDD.

Как ни крути в сумме получается около десятка вентиляторов.

При тестировании этого корпуса (я натыкался на статью в Интернет) был замерен его уровень шума на уровне 35 дб.

Расчеты дают (даже для вентиляторов с уровнем шума на уровне 20-23дб) при использовании их на всех посадочных местах уровень шума "игрового компьютера класса премиум" при его работе составит около 42 дб. Это уровень шума на городской не очень шумной улице.

К сожалению, при большом тепловыделении в компьютере, система воздушного охлаждения шумят на уровне 25 - 40 дб.

Корпус хороший, но шумный.

Кроме  высоких корпусов с малым аэродинамическим сопротивлением.

 

Некоторые, кто интересуется системами охлаждения, скажут - "но ведь есть водяные системы охлаждения, которые не шумят".

Конечно!

Шум систем жидкостного охлаждения

 

Тихие системы жидкостного охлаждения

Есть жидкостные системы охлаждения с естественной циркуляцией и естественным охлаждением внешнего теплообменника их еще называют пассивными.

 

 

Конечно они шумят меньше всего.

Но эта конструкция накладывает множество конструктивных ограничений на систему охлаждения.

Главным из которых я бы назвал требование обязательного размещения охлаждаемого источника тепла и внешнего теплообменника так, чтобы тепловой центр источника был ниже теплового центра внешнего теплообменника. Это как минимум означает, что системный блок должен стоять на полу.

А вторым - сложность управления распределения жидкого теплоносителя между источниками тепла, если их более одного.

Но даже в таком компьютере требуется несколько вентиляторов для вентилирования корпуса и блока питания. От корпусных вентиляторов отказываться нельзя, так как на системной плате или в компьютере имеются объекты выделяющие тепло, которые невозможно охватить системой жидкостного охлаждения. И это около 50% всего тепловыделения компьютера.

Не смотря на бесшумность подобные системы не нашли применения в системах охлаждения компьютеров, потому что их эффективность не лучше среднего кулера на тепловых трубках.

Небольшая модификация

И получается Zalman Reserator во внешнем охладителе которого установлена помпа производительностью 5л/мин и работает от розетки с напряжением 220 v.

Но это уже принудительная циркуляция.

 

Системы жидкостного охлаждения с принудительной конвекцией и циркуляцией

Существуют системы жидкостного охлаждения с принудительной циркуляцией и принудительным охлаждением теплообменников, которые по эффективности лучше всех других систем охлаждения.

 

 

Но опять возникает проблема шума.

Шумят несколько вентиляторов охлаждающих радиатор, который требует эффективного охлаждения для хороших характеристик системы охлаждения, сильно шумит воздух в такой конструкции радиатора, ...

... и хотя многие и говорят, что помпы работают бесшумно (многие говорят более уклончиво "имеют достаточно низкий уровень шума") но они шумят и чем они эффективнее (мощнее) тем шумят сильнее.

Реальные данные (см. ссылку 1) показывают:

 

 

Как и у вентиляторов уровень шума помпы напрямую связан с ее производительностью и может достигать 48 дб для наиболее производительных конструкций.

Для примера приведу характеристики помпы Koolance PMP-500:

 

 

Обращает на себя внимание, что уровень шума помпы в реальном тесте оказался ниже паспортного.

Из рисунка 5 видим, что понятие "приемлемый уровень шума" на практике означает > 34 дб в номинальном режиме. А это в сочетании с блоком из 2 - 6 вентиляторов радиатора даст уровень шума превышающий оптимальную систему воздушного охлаждения с кулерами процессора и других устройств с тепловым сопротивлением менее 0,1°С/Вт.

Но правильно спроектированная система жидкостного охлаждения имеет достоинство - это более низкая температура охлаждаемых узлов.

 

Больным местом систем жидкостного охлаждения компьютера является распределение теплоносителя по охлаждаемым узлам в сложных системах охлаждения, содержащих более одного охлаждаемого объекта с разным тепловыделением.

 

Распределение теплоносителя

Мы знаем, что чем ниже температура теплоносителя, тем эффективнее отвод тепла. Поэтому, когда идет борьба за каждый градус, неразумно охлаждать тепловыделяющий элемент уже нагретым на другом элементе теплоносителем (последовательная схема охлаждения см. рис 4).

И конечно неразумно гнать на объект требующий для охлаждения 2 л/мин теплоносителя там где необходимо 0,5 л/мин. (Необходимый расход определяется количеством выделяемого тепла)

Метод регулирования расхода хорошо известен.

Регулятором (вентилем) выставит необходимый расход (по показаниям расходомера), который в процессе работы поддерживается на заданном уровне в процессе всей работы системы.

Расходомеры (сигнализирующие или с визуальным контролем) кроме того контролируют наличие расхода охлаждающей жидкости через объект и предотвращают аварии системы.

Регуляторы - функция управления, Расходомеры - функция не только измерения, но и индикации (сигнализации) наличия циркуляции.

 

Существуют другие способы распределения теплоносителя в сложной (параллельной цепи).

Для этого рассчитывается набор диафрагм (шайб) с калиброванными отверстиями, площадь которых пропорциональна расходу при данном напоре.

Расчеты достаточно сложны и требуют установки в трубопровод дополнительных устройств.

Блоки регулирования достаточно громоздки и сильно удорожают систему жидкостного охлаждения.

 

Испарительные системы жидкостного охлаждения

Сообщение из новостей Computex 2013

SilverStone показала пассивную СВО

Компании SilverStone представил интересную, но малоперспективную разработку (по мнению автора) — жидкостную испарительную систему отвода тепла от процессора, в составе которой нет активных механических частей (помпы и вентиляторов). Поэтому она абсолютно бесшумна. Разработка SilverStone опирается на тот же принцип, который используется в тепловых трубках. Жидкость нагревается процессором, происходит её испарение с последующей конденсацией в радиаторе и рассеиванием тепла с радиатора.

 

Для реализации подобной системы необходимо выполнить ряд требований:

Во-первых, система эффективно работает только в вертикальном положении процессорного блока.

Во-вторых, патрубок от радиатора к водоблоку имеет меньший диаметр, чем патрубок, отводящий нагретый хладагент от процессора. За счёт разницы в диаметре создаётся дополнительный перепад давления, но циркуляцию запускает испарение жидкости и эффект от расширяющихся газов. Чем выше температура подошвы водоблока, тем активнее испарение и быстрее скорость циркуляции хладагента.

В-третьих система не запускается при температуре до 40 градусов по Цельсию.

 

Схематично испарительная система выглядит примерно так:

 

 

Теплоноситель с температурой испарения менее 40°С при нормальном атмосферном давлении. Таких жидкостей известно много, но все они: или токсичны, или взрывоопасны, или пожароопасны, или все это вместе. Поэтому примененный SilverStone теплоноситель самый большой секрет этой разработки.

Эта разработка носит концептуальный характер и как любой пилотный образец имеет недостатки. К ним можно отнести как невозможность работы при небольшом нагреве, что решается достаточно просто с помощью обычного ребристого радиатора являющегося частью блока испарителя.

Будем ждать дальнейшего развития разработки.

 

Заключение

Шум неистребим, поэтому единственно разумным решением можно считать выбор такой системы охлаждения, которая эффективно охлаждает Ваш компьютер, при этом шумит менее 30 дб (по СН 2.2.4/2.1.8.562-96 - ночью в квартире) и стоит (по крайней мере) не дороже корпуса для компьютера.

Не забывайте, шум и тепловыделение это два параметра напрямую зависящие от производительности. Пока они растут одновременно и снижение шума мы получаем только при появлении новых технических решений и технологий. Так произошло при появлении кулеров на тепловых трубках.

Не смотря на высокий уровень шума, жидкостные системы охлаждения обеспечивают более низкую температуру охлаждаемых узлов и иногда их применение может быть оправдано.

При строительстве качественной системы жидкостного охлаждения и применении компонентов известных качеством производителей - это достаточно дорогая система (дешевизна обычно оборачивается низкой эффективностью с последующим доведением до нужного уровня качественными компонентами, что еще больше увеличивает затраты).

Поэтому при выборе системы охлаждения компьютера можно рекомендовать только серьезный подход к охлаждению, особенно это касается компьютеров которые позиционируются как высокопроизводительные, игровые, для экспериментов с разгоном.

Для этого необходимо сформулировать задачи для которых предназначен компьютер - это будет начало исходных данных. Как их продолжение, определитесь с основными компонентами компьютера, прикиньте (оцените) возможную мощность, прикиньте необходимый для охлаждения объем прокачиваемого через корпус воздуха - это будет требуемая производительность корпусного вентилятора. В сумме с вентиляторами других устройств компьютера можно оценить примерный уровень шума компьютера.

Это необходимо сделать для каждого варианта системы охлаждения, после чего выбрать самую тихую.

 

Ссылки:

1. Тестирование помпы Koolance PMP-500
2. На пути к тихому компьютеру, часть 1