Системы водяного охлаждения компьютера

О системах водяного охлаждения я уже писал ранее "Вода в системах охлаждения ПК" и "Системы водяного охлаждения – блеф, миф, бизнес?". В первой рассмотрено общие подходы к построению систем водяного охлаждения, а во второй показаны преимущества заложенные в СВО и попытка определить причины отсутствия возможности реализовать эти преимущества. Здесь рассмотрю принципы построения СВО и их элементную базу.
Сейчас экономически целесообразно применение водяных систем охлаждения (СВО) при тепловыделении более 1000 Вт. Применительно к вычислительной технике, это серверные комплексы с числом серверов более 10.
Но возможно применение СВО и на более низких мощностях, правда об экономической эффективности тогда можно не говорить.

Задача СВО подать для охлаждения тепловыделяющих узлов жидкий теплоноситель с минимально возможной температурой - обычно на уровне температуры наружного воздуха. А поскольку система замкнутая, то СВО должна отводить полученное от тепловыделяющих узлов тепло в окружающий воздух. Это и количество отводимого тепла определяет выбор всех узлов входящих в СВО.

 

Схемы СВО

Системы водяного охлаждения строятся по различным схемам, но по сути они представляют собой комбинации двух схем:

1. параллельного подключения охлаждаемых узлов - параллельная схема,
2. последовательного  подключения охлаждаемых узлов - последовательная схема,
3. комбинация этих схем - комбинированные.

 

Последовательная схема		Параллельная схема
Рисунок 1а		Рисунок 1б
преимущества	недостатки	преимущества	недостатки
Простая схема, известны характеристики системы, которые легко посчитать	Охлаждение каждого последующего узла в цепочке нагретым предыдущими узлами хладагента	Охлаждение каждого узла хладагентом с низкой температурой на входе	Сложно посчитать параметры для каждого охлаждаемого узла и направить ему необходимое количество хладагента

 

С целью упрощения СВО предназначенных для ПК в ней отсутствуют системы распределения теплоносителя по тепловыделяющим узлам и чаще применяется последовательная схема, не смотря на ее недостатки.

В связи с тем, что на ватерблоки с одинаковым коэффициентом теплообмена количество подаваемого теплоносителя должно быть пропорционально тепловыделению, в параллельных системах должны применяться устройства распределяющие расход теплоносителя по каждому из параллельно включенных устройств.

В СВО мощной радиоаппаратуры и промышленных системах с большими расходами и давлениями это делается с помощь специальных станций управления.

В СВО для ПК, наиболее простой и дешевый способ заменить станцию управления -  распределителем с калиброванными отверстиями, общая площадь которых равна минимальной площади проходного сечения разводящей системы, а площади отдельных диафрагм прямо пропорциональны мощности тепловыделения охлаждаемого узла.

 

Элементная база СВО

На рисунках 1а,1б приведены схемы СВО и показана их элементная база.

1. теплообменник (радиатор с вентиляторами),
2. ватерблоки (теплосъемники для тепловыделяющих элементов),
3. водяная помпа,
4. расширительный бачок,
5. трубопроводы,
6. фитинги (переходники узел - трубопровод),
7. теплоноситель - наполняет систему.

Этот типовой набор элементов используется при создании СВО любой сложности. Просто эти элементы могут отличаться размерами, конструкцией и количеством.

 

Теплообменник

Нагретый теплоноситель (вода или ее композиции) для последующего (повторного) использования необходимо охладить до исходной температуры. В обычных условиях это температура окружающего воздуха.

Хотя в условиях повышенной температуры воздуха - + 50°С и более с помощь специальных внешних систем - чиллеров вода (теплоноситель СВО) может охлаждаться до температур превышающих тоску замерзания воды.

 

Чиллер (Chiller — охладитель) — это машина для охлаждения, используется для охлаждения технологического оборудования, водоохладители охлаждают теплоноситель (вода, тосол) и подают его по гидравлическому контуру на потребитель (оборудование, теплообменники). Чиллеры (водоохладители) находит широкое применение в таких областях промышленности, как: переработка пластмасс, пищевое производство, полиграфия, металлообработка, лазерная обработка и многих других.

 

Существующие теплообменники делятся на два вида:

1. теплообменники с принудительным охлаждением
2. теплообменники с естественным охлаждением

 

теплообменники с принудительным охлаждением		теплообменники с естественным охлаждением
Рисунок 2а (вентиляторы не показаны, только посадочные места под них)		Рисунок 2б
преимущества	недостатки	преимущества	недостатки
большая отводимая мощность, меньшие размеры при равной эффективности	шум воздуха и вентиляторов	тихий	большие размеры необходимые для отведения большой мощности

 

На рис 2а показан теплообменник предназначенный для установки 9 вентиляторов. Обычно число вентиляторов от одного до четырех.

 

 

Ватерблоки (теплосъемники для тепловыделяющих элементов)

Когда-то каналы для пропуска теплоносителя в теплосъемной крышке непосредственно контактирующей с источником тепла (процессором) имели вид показанный на рис.3

 

Рисунок 3

 

Подобные применяются и сегодня в самодельных конструкциях, из-за простоты их изготовления.

Данная конструкция имеет низкую площадь поверхности теплообмена, поэтому их эффективность низка.

 

Конструкция современного ватерблока для процессора показана на рис. 4.

 

Для процессора в сборе	основание контактирующее с процессором	микроканальная структура основания
Рисунок 4а	Рисунок 4б	Рисунок 4в

 

Показанное на рис 4в основание, которое обеспечивает теплообмен, имеет развитую поверхность теплообмена, которая обеспечивается двумя группами взаимно перпендикулярных микроканалов, которые в конечном виде представляют собой игольчатую структуру. Эффективность игольчатых поверхностей широко известна.

 

Другие виды ватерблоков показаны на рис. 5.

 

Рис. 5а	Рис. 5б
Рис. 5в	Рис. 5г

 

На рис. 5а,5б показан ватерблок для видеокарты. На рис. 5б крышка снята и видна микронанальная область в районе размещения графического процессора видеокарты.

На рис. 5в - ватерблок для мосфетов, я встречал описания и немного похожих на них ватерблоков для оперативной памяти.

На рис. 5г - показан ватерблок для жестких дисков.

 

Водяная помпа

На рисунке 6 показаны различные виды помп .

 

Сухие	Универсальные	для работы в среде теплоносителя
Рисунок 6а	Рисунок 6б	Рисунок 6в

Не смотря на все уверения, что помпы работают бесшумно - они все - таки шумят. Шумят они потому что шумят работающие электромоторы, которые обеспечивают привод насоса. И шумят тем больше чем больше их мощность.

Например:

Погружная помпа с расходом 600 л/ч, напором 1.3 м, потребляемой мощностью 11 Вт

Имеет уровень шума порядка 19 -23 дб в зависимости от модели и срока эксплуатации.

 

Расширительный бачок

Назначение расширительного бачка - обеспечить место для расширяющегося при нагреве теплоносителя и исключить его вытекание или  повышение давления в системе за счет этого. Расширительный бачок должен устанавливаться выше самого высоко установленного узла системы охлаждения. Для того чтобы весь воздух ушел из жидкости в расширительный бачок.

Иногда расширительный бачок совмещен с помпой, как это показано на рис. 6в.

Иногда расширительный бачек совмещают с теплообменником, см. рис. 7.

 

 

Расширительный бачек должен обеспечивать расширение теплоносителя в пределах его свободного объема и исключать вытекание жидкости из него в системный блок. В диапазоне тем температур вплоть до 50°С (с учетом летнего максимума температуры). Поэтому заливать ее выше указанных на расширительном бачке меток не рекомендуется.

 

Теплоноситель

или жидкость для СВО

В качестве жидкости для СВО можно использовать дистиллированную воду или специальные жидкости для СВО.

Я бы не рекомендовал применять иные жидкости, потому что добавки содержащиеся в них могут быть химически активны и реагировать с материалами применяемыми в СВО.

Жидкости для СВО должны обладать свойствами:

• Предотвращать коррозию. Какие бы у вас не были металлы в системе (медь, алюминий, никель или латунь) жидкость для СВО должна предотвращать всякую коррозию, чем обеспечит повышенную надежность и стабильную производительность.
• Не проводить электричество. Проводимость жидкостей для СВО должны быть больше 10 µS/cm при 20 °C.
• Готова к применению. Жидкость поставляется полностью готовой к применению — нет необходимости в размешивании или смешивании каких-либо компонентов.
• Должна иметь антисептические свойства. Специальные добавки в жидкость для СВО, предотвращают рост бактерий и водорослей в системе водяного охлаждения, тем самым делая ее более надежной.
• Химическая пассивность. Химически пассивная жидкость для СВО обеспечит совместимость со всеми системами водяного охлаждения для компьютеров.
• Стабильность. Свойства жидкости для СВО должна сохранять свои свойства в течении всего срока эксплуатации.

Обычно они имеют сложный компонентный состав, большей частью состоящий на основе дистиллированной воды.

В качестве добавок препятствующих развитию флоры и фауны в системе обычно используется этиловый спирт в процентном соотношении 16-19%.

Некоторве производители добавляют в жидкость специальные красители светящиеся в ультрафиалете и поверхностно активные вещества для улучшения смачиваемости поверхностей узлов СВО.

В результате теплопроводность теплоносителя падает примерно на 10% по сравнению с дистиллированной водой.

Ниже приведены результаты тестирования теплоносителей [С.3]

 

Intel Core i7 920 @ 3.8 Ghz

Жидкость	образец	Дистиллированная вода	Омыватель для стекол
Без нагрузки	24 °C	26 °C	22 °C
Под нагрузкой	57 °C	64 °C	55 °C

Таблица 1

 

Результаты тестируемого образца "образец" возможно за счет применения поверхностно активных веществ показал немного лучшие характеристики чем дистиллированная вода. Омыватель для стекол неизвестного состава показал лучшие характеристики, возможно из-за отсутствия красителя.

Мы должны помнить, что:

Жидкость необходимо периодически менять, потому что она насыщается солями и ионами металлов и со временем становится проводящей, а антисептик испаряясь  через некоторое время делает возможным рост микроорганизмов.

 

Трубопроводы, фитинги (переходники узел - трубопровод)

При сборке своей СВО братите внимание на диаметр трубопроводов!

В одном из форумов по СВО я прочитал:

 

На счет шума: заметил что при испытаниях своей СВО со шлангами на 12.5 мм шум резко уменьшился по сравнению со шлангами на 10 мм. Т.е. должна быть некая согласованность мощности помпы с объемом прокачиваемой воды.

 

Это объясняется просто. Чем больше диаметр трубопроводов тем меньшее сопротивление они оказывают прокачиваемой помпой жидкости и тем меньшая нагрузка на помпу.

Аналогичная зависимость существует и от длинны трубопроводов. Чем больше длина трубопроводов тем меньшая мощность нужна для прокачки теплоносителя.

Что касается фитингов, то я рекомендовал фитинги не под хомуты, а так называемые компрессионные фитинги.

 

 

Шумовые характеристики СВО

Существует и активно культивируется мнение о малошумности систем водяного охлаждения. Это мнение подхватывают и те кто никогда не работал с СВО.

Конечно можно сделать СВО с низким уровнем шума.

Поскольку минимальный уровень шума определяется количеством электромоторов (помп и вентиляторов) обеспечивающих работу СВО. Как прикинуть суммарный уровень шума системы я писал ранее [см. С.4].

Понятно, что у эффективной системы шум не может быть нулевым, ведь независимо от теплоносителя (воздух это или вода) надо с помощью вентиляторов обеспечить отвод в атмосферу одной и той же мощности. Только в жидкостных системах охлаждения дополнительно требуется еще и насос - помпа для прокачки теплоносителя. И эта помпа, как правило, на порядок мощнее любого вентилятора.

Хотя можно сделать СВО и без помпы - самотечной, но такие СВО имеют характеристики на уровне ребристого радиатора.

 

Конструкция	Уровень шума	Эффективность
Самотечная	нет	очень низкая (на уровне кулера с ребристым радиатором)
С помпой и естественным охлаждением теплообменника	19-25 дБ	низкая (на уровне лучших кулеров с ребристым радиатором)
С помпой и принудительным охлаждением теплообменника 1-2 вентилятора	до 45 дБ	нормальная (на уровне кулеров на тепловых трубках)
С производительной помпой и принудительным охлаждением теплообменника более 4 вентиляторов	более 50 дБ	высокая (выше кулеров на тепловых трубках)

Таблица 2

 

Из табл.2 мы видим, что СВО могут быть и бесшумными, правда эффективность их при этом низка.

Но они могут быть и эффективными, правда для этого необходимо иметь мощную помпу, способную обеспечить большой расход теплоносителя и эффективные теплообменники способные снизить температуру теплоносителя до температуры воздуха. Такие СВО очень шумные, но есть простое решение позволяющее решить эту проблему.

Это вынос помпы и теплообменника за пределы рабочего помещения. Такое решение вполне экономически оправдано для создания СВО группы компьютеров. Например крупного офиса или серверной.

О СВО для таких случаев я расскажу в следующей статье.

А Сорокин, 12.2012

Ссылки:

1. Водяное охлаждение своими руками: теория и практика, Антон Баранов, Казань
2. Жидкостное охлаждение для компьютеров, Игорь Зубаль, 2003
3. Feser One Non Conductive Cooling Fluid, YottaHertZ
4. Расчет суммарнрго уровня шума нескольких источников шума в корпусе ПК А.Сорокин