Дуже тиха і ефективна система водяного охолодження. Робимо своїми руками

Ця робота була надіслана на наш "Безстроковий" конкурс статей і автор в нагороду отримує материнську плату MSI 865PE Neo2-FIS2R .

Минуло більше року з тих пір, як я зібрав свою першу закінчену систему водяного охолодження на базі готового комплекту (дивись статтю ). Через місяць (на новій платформі) систему значно модернізував - в контур охолодження включив північний міст і відеокарту, а також замінив процесорний ватерблок. Причому всі ці ватерблокі виготовив сам. Незважаючи на те, що основні елементи системного блоку були досить жаркими: процесор Athlon Thoroughbred-B1700 + @ 2800 з напругою живлення ядра 1.85В, розігнана відеокарта GeForse 4 Ti 4600 і північний міст з елементом Пельтьє, система з честю пройшла випробування південній літньою спекою. Навіть при температурі повітря в кімнаті 32 градуса температура ядра процесора не перевищувала 55 градусів.

Коли виникла необхідність у другому комп'ютері, то збирався він, в основному, з того, що залишилося від попередніх модернізацій. На жаль, залишився корпус - мінібашня. Але, оскільки в неї нормальний повітряний кулер не ліз ніяким боком, то довелося зробити це .

Все, здавалося б, нічого, якби не одна важлива обставина - звикнувши один раз до тихого комп'ютера з водяним охолодженням, в подальшому від цієї звички відмовитися просто неможливо. Так і виникло бажання: створити тиху і при цьому ефективну систему водяного охолодження.

Чому ж все-таки водяного? Для цього є достатньо причин. Оскільки в будь-якій системі охолодження крайовим (власне тепловідвідними) пристроєм є повітряний радіатор з вентилятором, то шумові параметри системи визначаються величиною і, головне, швидкістю повітряного потоку, що обдуває ребра (пластини, штирі і т.д.) радіатора. І чим більшу теплову потужність необхідно відвести при однаковому рівні шуму, тим більший розмір радіатора і вентилятора необхідний.

Яскравий тому приклад - кулер Zalman CNPSA-Cu - кращий з доступних (і не тільки з доступних - він має правильну конструкцію): розміри - 109х62х109мм; маса - 770г; вентилятор - 92мм; площа пластин - 3170 квадратних сантиметрів; обороти, рівень шуму і тепловий опір в тихому і нормальному режимах відповідно: 1350 і 2400 об / хв; 20 і 25 дБ (при розгоні, до речі, тихий режим неприпустимий, а 25 і навіть 20дБ - це ще не дуже тихо) і 0.27 і 0.2К / Вт. Запам'ятаймо ці цифри, в подальшому вони нам стануть в нагоді. І не слід думати, що цей, і йому подібні кулери, необхідні тільки для новітніх процесорів з виділенням тепла до 90 - 100Вт.

У народного Thoroughbred-B 1700+ @ 2800 при напрузі ядра 1.85В (типове напруга при розгоні) тепловиділення дуже навіть немаленька.

Мал. 1

Кулер з вентилятором 120х120мм важко собі навіть уявити, і ймовірно, такий і не з'явиться. Що ж стосується кольорів на теплових трубах - то тут та сама біда: вони хоча й ефективніше чисто повітряних (ненабагато, відсотків десь на 15 - 20), але вимоги до радіатора і вентилятора для них ті ж. Отже, з усього різноманіття кольорів залишається один - кулер не базі водяного (рідинного) охолодження - ватеркулер.

Чим же воно (водяне охолодження) так добре:

• воно дозволяє відвести достатню кількість теплоти від всіх найбільш в цьому потребують елементів і не просто відвести, а за межі корпусу;
• воно принципово гнучке: навіть при використанні покупного комплекту, ми маємо достатню кількість варіантів установки в конкретний корпус;
• головне: практично всі елементи системи можна виготовити своїми руками, а це і спортивно, і, при позитивному результаті, дозволить отримати величезне моральне задоволення;
• і, нарешті, найголовніше: розміри радіатора практично необмежені, що дозволяє використовувати вентилятор великих розмірів на гранично низьких оборотах - запорука мінімального шуму.

Тепер переходжу до тієї частини статті, де наводяться опису реальних конструкцій і способів їх виготовлення. Собі я поставив собі за мету - максимально докладно розповісти про все: а раптом у когось виникне бажання створити щось подібне. При цьому виникла одна складність - для дохідливого викладу власне процесів виготовлення елементів необхідно писати так, як прийнято в технологічних інструкціях, а це зробило б статтю абсолютно нечитабельною. Тому описова частина статті більшості тих, хто читає здасться таким собі стилістичним виродком (що є, то є - самому не подобається), але все ж раджу - набратися терпіння і дочитати до кінця.

1. ватерблок

процесорний ватерблок

Він, мабуть, найголовніший в системі. Тому що:

• на його частку припадає максимум виділяється теплоти;
• у нього найменша площа контактування з тепловиділяючим елементом;
• конструктивно він досить складний і найбільш трудомісткий при виготовленні (як правило, це фрезеровані конструкції з алюмінію або міді з непростою герметизацією).

Але не все так безнадійно. Спробуємо осмислено підійти до розробки процесорного ватерблока, але не абстрактного (або ідеалізованого), а такого, який можна виготовити своїми руками. Для цього сам процес розробки розіб'ємо на етапи:

Етап перший: вибір матеріалу.

Тут, я думаю, варіантів немає - це мідь, причому мідь листова: це і не дуже дорого, це ефективно, і, нарешті, збірку можна вести найдоступнішим способом - пайкою.

Другий етап: вибір розмірів.

Для мінімізації теплового опору підстави його розмір не має сенсу робити більше ніж 70х70мм, а товщину більш 4 - 5 мм.

Етап третій: вибір внутрішньої конструкції, що задовольняє ряду основоположних вимог:

1. оскільки теплообмін відбувається в тонкому прикордонному шарі рідини (товщина не більше 1 мм), то ефективна площа контактування рідини з внутрішньою конструкцією ватерблока повинна бути досить великий;
2. геометрія цієї конструкції повинна бути такою, щоб до будь-якої її точки підводиться ззовні теплота приходила з найменшими втратами;
3. рідина повинна ефективно омивати всі елементи конструкції;
4. загальне гідравлічний опір ватерблока має бути невеликим.

Які ж найпоширеніші конструкції ми маємо на цей момент:

• фрезеровані в товстому металі канали різних форм змійки, спіралі і т.д .;
• різної форми виступи і стрижні на товстому підставі.

Чим же погані фрезеровані канали? А тим, що вони мають досить велику довжину і переріз, що суперечить пунктам вимог 1 і 4. Чим погані виступи і стрижні - не виконуються пункти 1 і 3.

Ватерблокі від відомих виробників мають ефективно працюють патентовані структури і, якщо це не рекламні виверти, то докладніше дізнатися, а тим більше відтворити подібне, не представляється можливим.

Отже, спробуємо виготовити ватерблок, конструкція якого відповідає висунутим вимогам. Відразу попереджаю, в статті ви не знайдете креслень - їх не було і при виготовленні, але для кращого розуміння того, що відбувалося при реальному виготовленні елементів системи, приведу достатню кількість фотографій і пояснень.

Конструкція і зовнішній вигляд.

Мал. 2 Мал. 3

Підстава являє собою П-подібну деталь з міді завтовшки 2 мм і має розміри 64х64 мм. Робоча структура являє собою два шари мідних тонкостінних трубок, що мають внутрішній діаметр 2 мм і довжину 35мм. Всього трубок тридцять дві. Кришка з міліметрової латуні знаходиться на відстані одного міліметра від верхнього шару трубок. Вхідний і вихідний патрубки виготовлені з мідної трубки діаметром 8 мм. Товщина підстави збільшена до 4 мм напайкою додаткової мідної пластини товщиною 2 мм.

Збірку виробляємо наступним чином (аналогічно збираємо ватерблокі відеокарти і північного моста):

• трубки, внутрішню поверхню підстави попередньо облужіваем припоєм ПОС-61 (якщо потужності паяльника не вистачить, то перед облуговування прогреваем деталі до температури 80 - 90 градусів);
• трубки, відповідно до рис. 3 укладаємо на підставу;
• цю проміжну збірку поміщаємо на піч (розмір плити 50х50мм, потужність 80 - 100Вт: можна використовувати старий праска з терморегулятором, який має температуру черевика 180 - 200 градусів); рис.4
• піч розігріваємо до температури 180 - 200 градусів, у міру розплавлення припою додаємо невеликі порції пастоподібного флюсу (перед цим необхідно виставити поверхню плити горизонтально, інакше конструкція після розплавлення припою попливе);
• вимикаємо піч, даємо конструкції охолонути;
• ретельно будь-яким розчинником відмиванням залишки флюсу;
• облужіваем місця майбутніх швів на підставі кришці і патрубках, видаляємо залишки флюсу;
• збираємо конструкцію в цілому і знову поміщаємо на піч (в процесі розплавлення припою уважно стежимо за станом швів: якщо десь є непропаи, то додаємо невеликими порціями припій і флюс - на кінчику сірника);
• вимикаємо піч і після охолодження промиваємо внутрішню порожнину ватерблока будь-яким розчинником.

Ватерблок зібраний, тепер необхідно уважно переглядаємо шви і перевіряємо їх на герметичність.

Залишилося перевірити конструкцію на відповідність пунктам вимог:

• пункт 1 виконано: площа контактує з рідиною поверхні близько 100 квадратних сантиметрів і практично весь внутрішній об'єм ватерблока складається з прикордонного шару;
• пункт 2 виконаний: тепловий опір для підводиться теплоти незначно - два яруси спаяних мідних трубок становлять практично моноліт з підставою (площа близько 20 квадратних сантиметрів, що з лишком компенсує меншу, ніж у міді теплопровідність припою);
• пункт 3 виконаний: трапецієподібно розташування пакета трубок, і діагональне розташування патрубків вирівнюють лінії струму рідини;
• пункт 4 виконаний: перетин робочої області перевищує 100 квадратних міліметрів, перетин шланга з внутрішнім діаметром 6 мм - 28 квадратних міліметрів, шланга діаметром 8мм - 50.

ватерблок відеокарти

Мова піде про Ватерблок для відеокарт середнього класу, тому, що для відеокарт вищого класу підійде процесорний з бічним розташуванням патрубків.

Отже, рівень потужності графічного процесора приблизно в два рази менше, ніж у головного: 25 - 35Вт. Площа теплового контакту в кілька разів більше. Тому особливих проблем у відборі теплоти немає. Єдиний нюанс - в вертикальних системних блоках розташування відеокарт таке, що підстава ватерблока виявляється вгорі, а це при реальних невеликих швидкостях струму рідини може привести до утворення повітряної пробки якраз в зоні відбору теплоти. Тому на внутрішню поверхню основи необхідно напаяти мідну деталь товщиною 3 - 5 мм з більш-менш розвиненою поверхнею.

Мал. 5 Мал. 6

Ватерблокі північного моста

Тут проблем ніяких. Відібрати 5 - 10 Вт може будь-яка мідна (або має мідна основа) коробочка.

Мал. 7 Мал. 8 2. Радіатор

Це, мабуть, єдиний елемент, не рахуючи помпи і шлангів, який практично завжди береться готовим. Або спеціалізований фірмовий (особисто я ніколи не зустрічав в Краснодарських комп'ютерних салонах продаються окремо елементів систем рідинного охолодження), або яке-небудь холодильно-компресорний або автомобільне диво, що має до того ж позамежну вартість і непомірно великі розміри. Конструкції типу: мідний змійовик в акваріумі спочатку відкидаються.

Отже, широко поширена думка: виготовити своїми руками малогабаритний і, до того ж, ефективний радіатор просто неможливо. Спробуємо спростувати це помилка.

У звичайному розумінні радіатор (типу радіатора автомобільної грубки) власними руками виготовити неможливо. Дійсно, так воно і є насправді. Штамповані пластини, тягнуть профіль, групова пайка в захисній газовому середовищі і т.д. Але ж світ клином не зійшовся саме на такій конструкції. Яку ж конструкцію можна виготовити своїми руками?

Загальні вимоги, що випливають з того, що радіатор, як кінцевий пристрій в системі охолодження повинен утилізувати всю зібрану з елементів теплову потужність:

• загальний рівень теплової потужності не менше 120 - 135Вт: 80 - 90Вт процесорних; 25 - 35 графічного процесора, 5 - 10 північного моста і порядку 10Вт виділяються в охолоджуючу рідину помпою;
• конструкція повинна бути такою, щоб без проблем розміщувалася в мінібашне і не виступала за її габарити.

Заготівлю деталей і збоку будемо робити в наступному порядку:

• облужіваем легкоплавким припоєм (в нашому випадку сплавом Розі) чотири тонкостінні мідні трубки з внутрішнім діаметром 3 мм, довжиною 160 - 170 мл і готуємо три мотка по шість метрів відпаленого на будь-якому відкритому вогні мідного обмотувального дроту діаметром 1,2 мм; Мал. 9
• виготовляємо з будь-якого міцного листового матеріалу товщиною 4 мм оправлення шириною 45 - 50мм, довжиною близько 200мм, запилюють поздовжні кромки до радіусу 2мм, свердлимо два технологічних отвори для фіксації кінців дроту, затискаємо оправлення в лещатах, заводимо кінець дроту до ближньої до лещат технологічний отвір і з великим натягом наметовому її виток до витка, пропускаючи дріт через складений навпіл шматочок дрібного наждачного паперу на текстильній основі (одночасно відбувається зачистка і випрямлення дроту); Мал. 10
• вищеописану операцію повторюємо тричі, в результаті маємо три плоскі спіралі; Мал. 11
• виробляємо на рівній поверхні столу збірку трубок і спіралей, потім за крайні трубки за допомогою тонкого дроту розтягуємо конструкцію усередині рамки з рейок з внутрішнім розміром приблизно 250х250мм (цей відповідальний момент залишився, на жаль, незадокументованих);
• пайку виробляємо сплавом Розі (спочатку центральні трубки, потім бічні), використовуючи низькотемпературний флюс (наприклад, четирёхпроцентний водний розчин гідразину солянокислого) термопистолетом з плоскою саморобної насадкою; Мал. 12
• з десятиміліметрового мідної трубки робимо вхідний і вихідний колектори, термопистолетом припаюємо їх вже припоєм ПОС-61, а потім тим же припоєм припаюємо патрубки.

Мал. 13

Отже, що ж ми маємо:

• робоча поверхня радіатора (решітка) для охолоджуючого повітряного потоку - близько 600 квадратних сантиметрів (відповідає звичайному игольчатому радіатора з числом голок - 600. діаметром - 1.2мм, довжиною 20мм і підставою з ідеальною теплопровідністю), для води - трохи більше 50;
• так як на кожну голку доводиться приблизно 0.15 - 0.17Вт теплової потужності, то вся поверхня радіатора має приблизно рівну температуру і працює однаково ефективно;
• завдяки великій площі контакту теплота з робочої рідини передається решітці практично без втрат;
• сумарне перетин рідинного каналу становить 36 квадратних міліметрів, що в точності відповідає перетину шланга з внутрішнім діаметром 6 мм.

За великим рахунком і поверхню решітки, і перетин рідинного каналу замалі, але так навіть цікавіше - що є, то і будемо використовувати. Вентилятор розміром 120х120мм з резисторного регулятором оборотів перекочував з бічної стінки. Решітка і пиловий фільтр залишилися на своєму місці. Особисто я віддаю перевагу вентилятор Thermaltake TT 12025A-1B1S: - і коштує всього около100р, і гранично тихий на знижених оборотах.

3. Помпа, розширювальний бачок і шланг

Вибір цих елементів системи простий: досить забезпечити в системі (з урахуванням перепаду висот порядку 0.4 - 0.5м, внутрішньому діаметрі шланга 6 - 8 мм і наявному в реальному конструкції гідравлічному опорі) швидкість циркуляції робочої рідини 1 - 2 л / хв.

Отже, що ж є в наявності.

• Китайська двухсотрублёвая акваріумна помпа LifeTech: продуктивність 360л / хв; максимальна висота стовпа води 0.5м; напруга живлення 230В і споживана потужність 7.5 - 8.5Вт. Параметри на межі фолу.
• Полівінілхлоридний шланг з внутрішнім діаметром 6 мм - краще б силіконовий з внутрішнім діаметром 8 мм.
• Розширювальний бачок - пластикова банка з-під чаю об'ємом приблизно 0.7л з щільно закривається гвинтовою кришкою. Чи влаштовує цілком.

Прохідні патрубки для шлангів та дроти живлення робимо з відрізків мідного або латунної трубки відповідного діаметру або якось інакше (в моїй конструкції вони зроблені з байонетнимроз'ємів приладових коаксіальних переходів гніздо - гніздо). Для мінімізації шуму помпи і вібрації помпу підвішуємо на вихідному шлангу і мережевому проводі. Заливну пробку, при використанні банки з кришкою, що закручується, робити не має сенсу.

Мал. 14 5. Складання системи

Насамперед видаляємо непотрібні тепер кулери відеокарти, північного моста і бловер відеокарти.

Мал. 15

Встановлюємо на відеокарту і за допомогою притискної профільної планки закріплюємо ватерблок.

Мал. 16

Знімаємо верхню кришку системного блоку, вирізаємо в ній квадратний отвір 130х130мм на її внутрішній поверхні закріплюємо радіатор.

Мал. 17

Ставимо кришку на своє місце.

Мал. 18

Встановлюємо на свої місця ватерблокі процесора і північного мосту, збираємо і заправляємо дистильованою водою систему, виробляємо контрольне включення і дивимося температуру ядра процесора (поки без вентилятора, благо теплова інерція дозволяє проробляти це протягом 5 - 10 хвилин). Система працює.

Знімаємо з бічної стінки і за допомогою пористих прокладок трикутної форми і двостороннього еластичного скотча приклеюємо вентилятор прямо до грат вентилятора.

Мал. 19

Тепер залишилося встановити робоче реле помпи. Маємо його всередині блоку живлення. Реле можна використовувати будь-який, здатне комутувати напругу 220В і струм 50 -100мА, робоча напруга в межах наявних усередині блоку живлення напруг: від 3.3 і до 24В (як щодо загального проводу, так і підвішені в будь-яких комбінаціях).

Встановлюємо на місце блок живлення.

Мал. 20

Закриваємо декоративними гратами отвір у верхній кришці, встановлюємо на місце бічну кришку, відходимо на пару метрів і милуємося творінням своїх рук.

Мал. 21 6.Тестірованіе системи і оцінка корисності виконаної роботи

Температура навколишнього повітря плюс 23 градуси. Система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги (момент часу - приблизно 30 хвилин після включення). Температура ядра процесора 48 градусів. Обороти вентилятора близько 700 об / хв - мінімальна швидкість (напруга близько п'яти вольт). Тестувати будемо реальний закритий комп'ютер.

склад:

• корпус - мінібашня з блоком живлення 300Вт;
• системна плата - Soltek 75DRV5 KT333;
• процесор - Thoroughbred-B 1700 + @ 2400 +: FSB 166МГц, к = 12, напруга ядра 1,725В, мінімальна потужність 69Вт, максимальна (при стовідсотковому завантаженні) 76Вт;
• термоінтерфейс - КПТ-8;
• пам'ять - 512MB PC 2700 Samsung: FSB166Мгц, режим роботи синхронний;
• відеокарта - ASUSTeK V8420TD: GeForse 4 Ti 4200 250/445 @ 300/540;
• жорсткий диск, комбопрівод, звукова та мережева карти.

Насамперед, перевіряємо чуйність системи охолодження на зміну обертів вентилятора: виставляємо максимальні оберти (12В, 2000об / хв), чекаємо 10 хвилин - температура падає всього на один градус - вельми симптоматично: ефективність радіатора є слабкою ланкою в системі. Цього і слід було очікувати, досить зіставити геометричні параметри нашого радіатора з радіатором кулера Zalman CNPS-7000A-Cu. Але не варто впадати у відчай, радіатор - радіатором, а як себе поведе система в цілому? Адже крім процесора охолоджуються ще й графічний процесор, північний міст, та й помпа приблизно 8Вт теплової потужності підкидає в систему.

Загальна теплове тестування будемо проводити (як завжди) Сандрою 2004. Запускаємо Burn - 30 циклів арифметичного і мультимедійного тесту зі стовідсотковою завантаженням процесора (завантаження графічного процесора - додаткові кілька ват на тлі загальної теплової потужності в системі - близько 120Вт, ролі не грає). Після десятого циклу температури залишаються незмінними до кінця тесту;

Мал. 22, де: помаранчева лінія температура ядра, червона - температура процесорного ватерблока.

Отже, проаналізуємо отримані результати. Температура перегріву над температурою навколишнього середовища - 30 градусів, тобто загальне теплове опір системи склало 0.25К / Вт. Погано це чи добре? Звичайно ж, добре. Порівняємо його з тепловим опором згаданого вище Zalman а в нормальному режимі роботи вентилятора - 0.2 і 0.27К / Вт в тихому режимі. Здавалося б гірше, ніж у Zalman а в нормальному режимі, але до його тепловим опорам потрібно додати, по крайней мере, ще 0.1К / Вт процесора і термоінтерфейсу.

Наша система має недостатньо потужну помпу, шланги малого перетину і не дуже ефективний, внаслідок малого розміру решітки і меншого, ніж потрібно перетину рідинних каналів, радіатор. Вентилятор працює на швидкості 700об / хв. І при всьому при цьому виявляється ефективніше найкрутішого повітряного кулера.

Тепер про найголовніше - про шум. Вперше, з часів комп'ютерів на процесорах 486i, комп'ютер став дійсно дуже тихим. Нагадаю, що в системному блоці всього один вентилятор, другий, в блоці живлення, працює від п'яти вольт і його шум вкрай низький. Тепер головним джерелом шуму, хоча і дуже слабкого, став, як і в старі часи, цвірінькають при позиціонуванні головок вінчестер.

Але це ще не все - відеокарта з рідними частотами 250 / 445Мгц, що розганяється при повітряному охолодженні і тільки при використанні додаткового бловер до частот 270 / 540Мгц, тепер спокійно взяла рубіж 300 / 540Мгц.

7. Висновки та рекомендації

Все вийшло, в загальному, так, як і було задумано. Але систему можна зробити ще більш ефективною і знизити температуру градусів так на п'ять. Для цього необходимо:

• використовувати більш потужну помпу (700 - 1000л / хв з висотою робочого стовпа води не менше 0.8м);
• використовувати шланг з внутрішнім перетином 8 квадратних міліметрів;
• для радіатора використовувати трубки з внутрішнім діаметром 4,5 мм - такі продаються в магазинах, що торгують комплектуючими для холодильних агрегатів;
• і, якщо вже дуже захочеться, то радіатор можна зробити розміром з верхню кришку;
• пиловий фільтр на боковій стінці тепер не обмежений ні в формі, ні в розмірах.

І, нарешті, для любителів рахувати гроші: помпа, плюс вентилятор, плюс мідні трубки, плюс обмотувальний провід - все це менше чотирьохсот рублів. Плюс до цього - тиждень або дві (це вже як вийде) роботи вечорами.

Анатолій Лисенко aka Haggard. Краснодар

Чекаємо на Ваші Коментарі в спеціально створеній гілці конференции .