ASUS GeForce GTX 1070
DUAL-GTX1070-8G
Цена 37'300 руб.
Intel Core i3 8100 box
3.6 ГГц, Coffee Lake
Цена 8'750 руб.
28'' Samsung U28E590D
Монитор ЖК
Цена 18'280 руб.

Сервера размещены в Летняя миграция

Мобильные устройства
Конференция
Персональные страницы
Wiki
Статистика разгона CPU (+1 за неделю, всего: 27031) RSS     



Объявления компаний (реклама) и анонсы
  • GTX 1070 Gigabyte WindForce тоже мегадешево
  • iPhone 7 - распродажа в Ситилинке. Смотри цену!

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста,
которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Строим эффективную систему водяного охлаждения на базе WCL-02 Poseidon

Анатолий Лысенко 09.04.2003 17:19 ссылка на материал | версия для печати | архив

Эта статья была прислана на наш второй конкурс и автор выиграл приз – видеокарту NVIDIA GeForce 4 Ti4600


Введение.

Охлаждение процессора с помощью WCL-02 Poseidon к настоящему времени достаточно подробно описано в целом ряде статей. Основное внимание в них уделяется описанию конструктивных элементов кулера, процедуре сборки и вариантам компоновки. Приводятся результаты лабораторных тестов, некоторые цифры и достаточно общие (порой необъективные) выводы.

В настоящей статье мы сделаем попытку грамотно подойти к созданию конструктивно законченной эффективной системы водяного охлаждения на базе водяного кулера (подчёркиваю - именно кулера), ибо систему мы получим, закрыв корпус системного блока и закрутив последний винт. Затем попытаемся разработать методику измерения основных тепловых параметров системы, проведём эти измерения и попробуем сделать предельно объективные выводы.

Поскольку изготовление системы, разработка методики и тестирование, написание статьи, создание рисунков и фотографий, а также всё остальное было проделано автором в домашних условиях и без помощников, то заранее попрошу быть снисходительными к результатам проделанной работы.

Вместо оглавления.

Статья будет состоять из следующих разделов:

  1. выбор схемы;
  2. изготовление оригинальных деталей и узлов, сборка системы;
  3. обоснование технических решений;
  4. совсем немного теории и цифр;
  5. тестирование системы;
  6. результаты теста, выводы.

1. Выбор схемы водяного охлаждения.

Как известно, (здесь, и дальше по тексту, очевидные истины будут излагаться без комментариев) лучшей с точки зрения эффективности является внешняя по отношению к внутреннему объёму системного блока схема и именно с двумя вентиляторами. Хорошо, если такую схему разместить внутри корпуса. Неплохо, если бы при этом дополнительно проявились ещё какие-нибудь полезные эффекты для всего системного блока.

2. Делаем это своими руками

2.1. Что мы будем делать

Поскольку к моменту написания статьи система уже была собрана, придется довольствоваться минимумом иллюстраций самого процесса изготовления.

Само собой подразумевается наличие собственно WCL-02 и соответствующего корпуса. Дополнительно нам потребуются следующие детали и материалы:

  • двенадцативольтовый вентилятор (например, JF–122SS1H или Thermaltake TT 12025A–S) с защитной решёткой;
  • неисправный или самый дешёвый восьмидесятимиллиметровый вентилятор (технологический);
  • воздуховод фирмы ЭКОВЕНТ (вероятнее всего, от воздухоочистителя для газовой плиты);
  • примерно 0,5м2 автомобильного шумоизоляционного материала толщиной 2 – 3мм (например, Герлен);
  • мочалка для мытья посуды из жесткого абразивного полимера, размером не менее 120х120мм, толщиной 4-5мм (пылезащитный фильтр);
  • редкая металлическая сетка того же размера;
  • двухсторонний автомобильный скотч;
  • полистирольный клей (дихлорэтан, бензол или др.);
  • необходимый крепёжные элементы (саморезы, винты и пр.);
  • необходимый инструмент.

Делать мы будем конструкцию, соответствующую схеме.

2.2. Как мы будем это делать.

1. Вначале мы соберём основной узел, состоящий из элементов 1, 2, 3 и 4:

  • приклеиваем воздуховод прямоугольной стороной к соответствующей половине кожуха радиатора полистирольным клеем (до этого, или после, при необходимости, обрезаем цилиндрическую часть воздуховода в соответствии со схемой);
  • делаем переходную секцию из технологического вентилятора (убираем крестовину вместе с двигателем);
  • с помощью крепежных элементов из комплекта Poseidon соединяем элемент 1 с элементом 2 (правильно ориентируем вентилятор по отношению к направлению воздушного потока) и к этой промежуточной сборке прикручиваем кожух радиатора, имеющий круглое отверстие (при сборке не забываем использовать липкие эластичные прокладки из комплекта).

2. В задней стенке системного блока в месте крепления основного узла (родное посадочное место вентилятора), вместо защитных отверстий или сегментов, проделываем сплошное отверстие диаметром примерно 75мм.

3.Собираем основной узел и устанавливаем на место (если есть защитная решётка, то используем её).

4. Поскольку боковые стенки системных блоков, пока ещё, не задумывались как несущие элементы конструкции, то обклеиваем всю внутреннюю сторону левой боковой стенки корпуса Герленом. Вентиляционные отверстия нам больше не нужны. Проделываем то же самое с правой стенкой – будет меньше шума. Рассчитываем месторасположение дополнительного вентилятора (его ось должна совпасть с осью цилиндрической части воздуховода) и проделываем отверстие диаметром 110мм. С помощью автомобильного скотча приклеиваем вентилятор к Герлену. Крепление получается прочным, а главное, что вибрация не передаётся боковой стенке.

Из материала фильтра и металлической сетки вырезаем круги диаметром 120мм. В зависимости от вида и размера защитной решётки делаем отверстия и крепим весь этот пакет саморезами.

5. И, наконец, сообразуясь с особенностями конкретного системного блока, монтируем оставшиеся элементы системы водяного охлаждения. Автором в качестве термоинтерфейса вместо теплопроводящей пасты была использована индиевая фольга. Это лучший термоинтерфейс, никакие термопасты ему не годятся и в подмётки, но и грамотное применение термопасты не нанесёт большого вреда.

Система собрана.

Последний винт закручен.

3. Обоснование конструкции системы.

Конструкция системы, по сравнению с традиционными (точнее описанными ранее), помимо того, что расположена целиком внутри системного блока, имеет ряд существенных отличий.

  • Основной вентилятор крепится к радиатору через переходную секцию. Это позволяет достаточно эффективно преобразовать турбулентный поток на входе вентилятора в ламинарный на выходе радиатора. Что, в свою очередь, приводит к уменьшению сопротивления движению воздушного потока в радиаторе. А это – увеличение эффективности теплообмена и, что также немаловажно, уменьшение уровня шума.
  • Воздуховод имеет большое рабочее сечение, что позволяет применить дополнительный низкооборотный вентилятор большого диаметра (скорость фиксированная – 1200 об/мин). Появляется возможность применения на входе достаточно плотного пылезащитного фильтра, в необходимости которого вряд ли кто может усомниться. В противном случае придется, по крайней мере, раз или два в месяц, промывать радиатор, а это без его демонтирования практически невозможно будет сделать.
  • Неполностью замкнутая по воздушному потоку система из двух вентиляторов позволяет, при постоянной скорости дополнительного вентилятора, изменять скорость основного без существенного снижения эффективности. Для производительной работы полностью замкнутой системы необходимо строго связать скорости обоих вентиляторов. А это потребует при изменении скорости одного, по какому-то неизвестному нам закону, изменять и скорость второго.
  • Габариты дополнительного вентилятора превышают размер входного отверстия воздуховода. Это приводит к тому, что довольно значительная часть его воздушного потока напрямую направляется на наиболее жизненно важные элементы системного блока. Отпадает необходимость использования дополнительных нагнетающих вентиляторов.
  • В качестве термоинтерфейса применена индиевая фольга, имеющая коэффициент теплопроводности на порядок выше, чем лучшие термопасты, непревзойдённую пластичность (с помощью ручных вальцов за один проход прокатывается миллиметровая заготовка в фольгу толщиной 0,05мм), абсолютно предсказуемый результат при использовании и стабильность параметров во времени.

4. Краткая теория.

В схеме водяного охлаждения отвод теплоты от структуры процессора (ядра) осуществляется по следующим цепям.

Первая характерная цепь: материал кристалла процессора (кремний) - присоединительный слой (термоинтерфейс) - основание теплообменника – внутренняя полость теплообменника со стороны основания. Перенос теплоты за счёт механизма теплопроводности. Тепловое сопротивление этой цепи обозначим – R1. Эффективность отвода теплоты зависит в первую очередь от удельной теплопроводности всех элементов этой цепи, а также от их площади и толщины. Если считать, что ядро процессора изотермическое, а площадь термоинтерфейса равна площади кристалла, то тепловой поток через кристалл и термоинтерфейс однороден и это позволит нам вычислить тепловое сопротивление этого участка цепи. Тепловое сопротивление слоя R[К/Вт]=h/(?*S), где ? – коэффициент теплопроводности материала слоя [Вт/см*К]; h – толщина слоя [см]; S – площадь слоя [см2].

Приведем некоторые необходимые нам для расчетов цифры. Коэффициенты теплопроводности: кремний – 1.4, индий – 0.715, алюминий – 2.1, медь – 4.2, термопасты от 0.07 до 0.09, воздух в малых зазорах – 0.00025.

Вторая цепь: внутренняя полость теплообменника – трубка – радиатор – трубка – помпа – трубка – и снова теплообменник. Здесь происходит прямой перенос теплоты потоком охлаждающей жидкости (теплоноситель - дистиллированная вода) по замкнутому контуру. Тепловое сопротивление – R2. На этом участке цепи отвод теплоты в первую очередь зависит от следующих факторов: теплоемкости и скорости движения охлаждающей жидкости (производительности помпы и сопротивления движению жидкости), эффективности теплообменника и радиатора. При этом необходимо учитывать, что при работе помпы в охлаждающий контур вбрасывается дополнительная мощность порядка 7Вт. Для оценки этой цепи нам потребуются следующие параметры: масса и теплоёмкость воды, те же параметры для алюминия и производительность помпы.

Перегрев физического тела при подведении к нему мощности в течение некоторого времени t[K]=P*T/(c*m), где P – подводимая мощность [Вт]; T – время [сек]; c – удельная теплоёмкость [Дж/(г*K)]; m – масса [г]. Масса воды 0,6кг, теплоемкость воды в диапазоне температур от 20 до 700C с=4,18 Дж/(г*К). Производительность помпы в реальной системе – 1,5л/мин.

Масса основания теплообменника примерно 60г, теплоёмкость – 0,92.Дж/(г*K). Полное тепловое сопротивление системы R=R1+R2.

5. Тестируем систему.

5.1. Конфигурация реальной системы:

  • корпус Full Tower с блоком питания 300 Вт;
  • системная плата Soltek 75DRV5 KT333;
  • процессор AMD Athlon XP 1800+ (ядро Palomino): FSB 166 Мгц, к=10x, напряжение ядра 1,8 В;
  • память 512 МB PC 2700 DDR CL 2,5 Samsung: FSB 166 Мгц, режим работы синхронный;
  • видеоплата ASUSTeK V8420 TD 128 MB: AGP 4x - 1,6 В;
  • звуковая плата SB Creative Audigy with 1394, 5.1;
  • DVB плата SkyStar 1;
  • плата модема;
  • сетевая плата;
  • HDD 40,0 GB Western Digital BB ATA 100 (7200 rpm);
  • CD-ReWriter CR 4808 TE Mitsumi;
  • FDD.
  • ОС Windows XP.
Как видим, системный блок укомплектован практически по полной программе. Скриншоты приведены ниже.

5.2. Определяемся с методикой тестирования.

По аналогии с законом Ома для электрической цепи (I=U/R) запишем: P=t/R, где:

  • Р – мощность, выделяемая ядром процессора,
  • t – разность между температурой ядра и окружающей среды (далее по тексту температура перегрева),
  • R – тепловое сопротивление цепи.

Наша задача: попытаться с достаточной для практики точностью вычислить все составляющие полного теплового сопротивления.

Для проведения экспериментальных работ нам потребуется некоторые исходные данные и инструментарий:

  • мощность, выделяемая ядром процессора в ненагруженном состоянии, площадь и толщина кристалла, площадь и толщина термоинтерфейса и толщина основания теплообменника,
  • основные температуры, включая температуру ядра и температуру окружающей среды.

Мощность ядра ненагруженного процессора нам поможет показать Sandra 2003 (66Вт), там же мы увидим динамику процесса экстремальной нагрузки. Необходимые температуры нам помогут увидеть встроенные средства системной платы и обычный лабораторный или домашний термометр. Потребуются секундомер или часы. Наличие в системе достаточно инерционного звена, а именно жидкостного контура с объёмом 0,6л, позволит нам вычислить не только полное тепловое сопротивление системы, но и тепловые сопротивления всех элементов.

Для этого выдерживаем без включения в течение нескольких часов системный блок, чтобы температура всех элементов стала равной температуре окружающей среды. Это наиболее важно для охлаждающей жидкости. Если теперь мы сумеем в течение достаточно короткого времени после включения компьютера замерить температуру ядра процессора, то основную задачу мы успешно выполним. Предварительно проверяем, сколько времени уйдет на включение, вход в BIOS, считывание температуры ядра и фотографирование экрана. Времени уходит, около 30 сек. За это время температура воды в контуре согласно приведенным выше формулам и данным не поднимется выше, чем на 0,5 градуса, а перегрев основания теплообменника без отбора теплоты составил бы порядка 1000C. То есть в точке соединяющей R1 и R2 реализуется режим короткого замыкания температуры, что позволит вычислить тепловое сопротивление R1. Затем пронаблюдаем за изменением во времени температуры ядра и других, доступных для наблюдения температур. В установившемся режиме рост температур прекратится и мы сможем вычислить полное тепловое сопротивление системы и, дополнительно, R2.

5.3. Проводим тестирование.

Исходное состояние системы:

  • температура окружающей среды 170C,
  • система около 20 часов находится в выключенном состоянии.

Включаем компьютер, входим в BIOS и фотографируем экран.

Здесь температуры: Temp. ABS II –ядра, Temp. 1 – терморезистора под процессором и Temp. 2 – термодатчика в районе северного моста – теплообменника.

Наблюдаем за температурами до момента, когда Temp. ABS II станет практически неизменной (примерно 20мин).

Делаем фотографию экрана и выходим из BIOS.

Входим в систему и запускаем Sandra 2003. Скорость основного вентилятора устанавливаем примерно 3000об/мин. Проверяем мощность, потребляемую ядром процессора – приблизительно 67Вт. Запускаем Burn-in-Wizard - 10 циклов арифметического и мультимедийного тестов. Загрузка ЦП– 100%. 10 циклов это потому, что иначе невозможно показать скриншот всего процесса экзекуции. Весь процесс занимает 400сек. Как мы увидим дальше, этого вполне достаточно. Более того, мы после пятого цикла снизим до возможного минимума обороты основного вентилятора: гореть – так гореть.

Burn, Baby, Burn!

Здесь и далее по тексту цвета графиков: оранжевый – Temp. ABS II, синий – Temp. 1, красный – Temp. 2, зелёный – неопознанное устройство, (возможно, это температура ядра GPU).

Но не сгорели, а только немного согрелись!

Выходим обратно в BIOS и проверяем скорость вращения основного вентилятора (как известно, Sandra принципиально не понимает вентиляторов с малой скоростью) – около 2000об/мин.

Тестирование завершено.

6. Анализ и выводы.

6.1. Вычисление тепловых сопротивлений.

R1=t/P=20/66=0,3K/Вт.

R=R1+R2=35/66=0,38К/Вт для скорости основного вентилятора 3000об/мин, 0,39К/ВТ для 2500 и 0,4К/Вт для 2000.

На этом можно было бы и успокоиться – основная цель тестирования достигнута. Можно, например, высчитать, какая мощность ядра процессора достижима при температуре окружающей среды 250C и температуре ядра 750C при скорости вентилятора 3000, P=50/0,38=131,6Вт. Этого более чем достаточно. Но мы попытаемся объективно исключить из полного теплового сопротивления системы тепловое сопротивление кристалла процессора, чтобы сопоставить жидкостную систему и лучшие воздушные кулеры.

Тепловое сопротивление R1 равно сумме тепловых сопротивлений кристалла процессора, термоинтерфейса и основания теплообменника. Площадь кристалла процессора равна 1,28см 2. При толщине индиевой фольги равной 0,005см мы имеем сопротивление термоинтерфейса R=0,005/(0,715x1,28)=0,0055К/Вт, т.е. почти на два порядка меньше, чем R1. Тепловое сопротивление основания теплообменника при толщине основания примерно 5мм с учетом растекания теплового потока примерно 0,2K/Вт. На долю кристалла, таким образом, остаётся 0.1K/Вт, что недалеко от истины. Те же цифры мы получим при толщине кремниевого кристалла 1мм. При равномерном распределении теплового потока по всей площади кристалла мы получили бы R=0,06K/Вт. Если учесть то обстоятельство, что в реальном процессоре теплота по площади кристалла распределена неравномерно (чего стоит только тепловыделение полноскоростного КЭШ), то величина теплового сопротивления кристалла R=0,1K/Вт достаточно правдоподобна.

Исключив это значение из R, мы получим тепловое сопротивление по отношению к поверхности процессора - от 0,28 до 0,3K/Вт. Именно его и приводят изготовители воздушных кулеров. И нам эти цифры до боли знакомые – тепловое сопротивление Вулкана 7+ в незамкнутом пространстве при скорости вентилятора 6000 об/мин. Как говорится, комментарии излишни.

6.2. Выводы.

Построенная на базе WCL-02 Poseidon система охлаждения отвечает современным требованиям. И это несмотря на то, что самым слабым звеном цепи оказался теплообменник. Одна только замена алюминия на медь снизила бы тепловое сопротивление системы на 0,1K/Вт - это очень много. Радиатор, напротив, будучи алюминиевым показал высокую эффективность, о чём говорит тепловое сопротивление R2: от 0,08 до 0,1К/Вт.

Умышленно не напоминаю о шуме, создаваемом вентиляторами системы. Грамотный человек понимает, что говорить об уровне дополнительного шума при скоростях вентиляторов 1200 и 2000об/мин, по большому счету, некорректно.

Система имеет резерв на ближайшие год – два пока её не вытеснят более эффективные (в принципиальном смысле) системы отбора теплоты с малых площадей, вероятнее всего тепловые трубки.

После написания статьи.

Написал статью, попытался расслабиться и отдохнуть с чувством исполненного долга. Но тут накатило чувство глубокой неудовлетворённости. Ведь все полученные цифры оказались привязанными к уже неактуальному процессору. А тут все, кому не лень, с диким восторгом гоняют бедолагу Athlon XP 1700+ (Thoroughbred-B). Похоже, расслабляться не время. Пришлось присоединиться к погонялам.

Процессор без труда запустился на к=12х (дальше мама не пустила, и, как увидим дальше, напрасно), FSB=166Мгц при напряжении питания ядра 1.8В. При этом потребляемая мощность, если судить по температуре ядра, была заметно меньше, чем у ядра Palomino. Снижаю напряжение, проверяю устойчивость системы. Результат поразительный: система абсолютно устойчива при напряжении ядра 1,6В.

Sandra показала потребляемую (при загрузке ЦП 0%) мощность 55Вт, температура перегрева 180.

Запускаем Burn-in-Wizard c теми же параметрами, что и в разделе 5 при температуре окружающей среды 200C.

Burn-in-Wizard

При 100% загрузке процессора температура перегрева 220! И всё это при скорости основного вентилятора 2000 об/мин. Расчет полного теплового сопротивления системы показал цифру 0,33К/ВТ. А это означает, что при температуре ядра 750C и при 250C окружающей среды, система охлаждения справится с мощностью ядра в 150Вт!

Тут бы, как и все, шашкой помахать. Коэффициент умножения и напряжение до упора! Вот где проявил бы себя весь потенциал системы охлаждения. Но – увы.

Теперь серьёзно. Поскольку все элементы тепловой цепи (кроме процессора) остались теми же, резонно предположить, что столь существенное уменьшение теплового сопротивления кристалла процессора достигнуто за счёт значительного уменьшения его толщины (это, кстати, видно невооружённым глазом). И видимо по этой причине с него была убрана лазерная гравировка.

Остался ещё один момент – для скептиков: привожу фотографию снятой с предыдущего процессора индиевой фольги.

Без комментариев.

Теперь всё.


Эта статья была прислана на наш второй конкурс и автор выиграл приз – видеокарту NVIDIA GeForce 4 Ti4600

Оцените материал →

Объявления компаний (реклама) и анонсы
  • Новинка - дешевая GTX 1060 EVGA SC Gaming
  • Комп за 415 000р - HP OMEN - смотри характеристики