Водяное охлаждение компьютера

водяное охлаждение компьютера

Системы водяного охлаждения уже много лет используются как высокоэффективное  средство отвода тепла от нагревающихся компонентов компьютера.

Качество охлаждения напрямую влияет на стабильность работы Вашего компьютера. При избыточном тепле компьютер начинает  зависать и возможен выход из строя перегревшихся компонентов.  Высокие температуры вредны для элементной базы (конденсаторы,  микросхемы и пр.), а перегрев жесткого диска может привести к потере  данных.

С ростом производительности компьютеров приходится использовать более эффективные системы для охлаждения. Традиционной считается воздушная система охлаждения, но воздух обладает  низкой теплопроводностью и при большом потоке воздуха создаётся сильный шум. Мощные кулера издают довольно сильный рёв, хотя при этом могут обеспечить приемлемую  эффективность.

В таких условиях все более популярными становятся водяные системы охлаждения. Превосходство водяного охлаждения над воздушным объясняется показателями теплоемкости (4,183 кДж·кг-1·K-1 для воды и 1,005 кДж·кг-1·K-1 для воздуха) и теплопроводности (0,6 Вт/(м·K) для воды и 0,024—0,031Вт/(м·K) для воздуха).  Поэтому, при прочих равных условиях, системы водяного охлаждения всегда будут эффективнее  воздушных.

В интернете можно найти много материалов по готовым системам водяного охлаждения от ведущих производителей и примеры самодельных систем охлаждения (последние,  как правило, более эффективны).

Система водяного охлаждения (СВО) —  система охлаждения, в которой для переноса тепла используется  вода в качестве теплоносителя. В отличие  от воздушного охлаждения, в котором  тепло передается  напрямую воздуху, в системе  водяного охлаждения тепло  сначала передается  воде.

Принцип работы СВО

Охлаждение компьютера  необходимо для отвода тепла от нагретого компонента (чипсета,  процессора, …)  и его рассеивания. Обычный воздушный кулер снабжен  монолитным радиатором, который  выполняет обе данные функции.

В СВО каждая часть выполняет свою функцию.  Водоблок осуществляет теплосъем, а другая часть рассеивает тепловую энергию. Примерную  схему соединения компонентов СВО можно посмотреть на схеме ниже.

охлаждение компьютера

Водоблоки  могут включаться в контур параллельно  и последовательно. Первый вариант предпочтительнее  при наличии одинаковых теплосъемников.  Можно эти варианты скомбинировать и получить параллельно-последовательное подключение, но  наиболее правильным  будет соединение водоблоков один за другим.

Отвод тепла происходит по такой схеме: жидкость из резервуара подводится к помпе, а затем перекачивается дальше к узлам, которые охлаждают компоненты ПК.

Причиной такого подключения является незначительный прогрев воды после прохождения первого  водоблока и эффективный отвод тепла от чипсета, GPU, CPU. Прогретая жидкость попадает в радиатор и там охлаждается. Затем она снова попадает в резервуар, и  начинается новый  цикл.

По конструктивным особенностям СВО можно разделить на два типа:

  1.  Охлаждающая жидкость циркулирует за счет  помпы в виде отдельного механического узла.
  2. Безпомповые системы, в которых используются специальные хладагенты, проходящие через жидкую и газообразную фазы.

Система охлаждения с помпой

Принцип ее действия эффективность и прост. Жидкость (обычно дистиллированная вода) проходит  через радиаторы охлаждаемых устройств.

Все компоненты конструкции соединяются между собой гибкими трубками (диаметр 6-12 мм). Жидкость,  проходя через радиатор процессора и других устройств, забирает их тепло, а затем по трубкам попадает в радиатор теплообменника, где охлаждается сама. Система замкнутая, и жидкость в ней постоянно циркулирует.

Система замкнутая

Пример такого соединения можно показать на примере продукции фирмы CoolingFlow.  В ней помпа совмещается с буферным резервуаром для жидкости. Стрелки  показывают движение холодной и горячей жидкости.

CoolingFlow

Безпомповое жидкостное охлаждение

Есть системы жидкостного охлаждения, не использующие помпу. В них  используется принцип испарителя и создается направленное давление, вызывающее движение  охлаждающего вещества. В качестве хладагентов применяются  жидкости с низкой точкой кипения. Физику происходящего процесса можно рассмотреть на схеме ниже.

жидкости с низкой точкой кипения

Изначально радиатор и магистрали полностью заполнены жидкостью. Когда температура радиатора процессора становится выше определенного значения, то жидкость превращается в пар. Процесс превращения жидкости в пар поглощает тепловую энергию  и повышает эффективность охлаждения. Горячим паром создается давление. Пар, через специальный односторонний клапан, может выходить только в одну сторону – в радиатор теплообменника-конденсатора. Там пар вытесняет холодную жидкость в направлении радиатора процессора,  и, остывая, превращается снова в жидкость. Так жидкость-пар циркулирует в замкнутой системе трубопровода, пока температура радиатора  высокая. Такая система получается очень компактной.

жидкость-пар циркулирует в замкнутой системе трубопровода

Возможен другой вариант такой системы охлаждения. Например,  для видеокарты.

видеокарта

В радиатор графического чипа встраивается  жидкостный испаритель. Теплообменник располагается  рядом с боковой стенкой видеокарты. Конструкция изготовлена  из медного сплава. Теплообменник охлаждается высокооборотным  (7200 об./мин.) вентилятором  центробежного типа.

Компоненты СВО

В системах водяного охлаждения используется определенный набор компонентов, обязательных и необязательных.

Обязательные компоненты СВО:

  • радиатор,
  • фитинги,
  • ватерблок,
  • помпа,
  • шланги,
  • вода.

Необязательными компонентами СВО являются: термодатчики, резервуар, сливные краны, контролеры помпы и вентиляторов, второстепенные ватерблоки, индикаторы и измерители (расхода, температуры,  давления), водные смеси, фильтры, бэкплейты.

  • Рассмотрим обязательные компоненты.

Ватерблок (англ. waterblock) — теплообменник, передающий  тепло от нагревшегося элемента (процессора, видео чипа и др.) воде. Он состоит из медного основания и металлической крышки с набором креплений.

Ватерблок

Основные типы ватерблоков: процессорные, для видеокарт, на системный чип (северный мост). Ватерблоки для видеокарт могут быть двух типов: закрывающие только графический чип («gpu only»)  и закрывающие все нагревающиеся элементы — фулкавер (англ. fullcover).

Ватерблок Swiftech MCW60-R( gpu-only):

Ватерблок Swiftech MCW60-R

Ватерблок EK Waterblocks EK-FC-5970(Фулкавер):

Ватерблок EK Waterblocks EK-FC-5970

Для увеличения площади теплопередачи применяется микроканальную и микроигольчатая  структура. Ватерблоки делают без сложной внутренней структуры если  производительность не столь критична.

Чипсетный ватерблок XSPC X2O Delta Chipset:

XSPC X2O Delta Chipse

Радиатор. В СВО радиатором называют водно-воздушный теплообменник, передающий воздуху  тепло от воды в ватерблоке. Есть два подтипа радиаторов СВО: пассивные ( безвентиляторные), активные (продуваемые вентилятором).

Безвентиляторные можно встретить довольно редко (например, в СВО Zalman Reserator) потому, что данный тип радиаторов обладает более низкой эффективностью. Такие радиаторы занимают много места и их сложно поместить  даже в модифицированном корпусе.

Пассивный радиатор Alphacool Cape Cora HF 642:

Alphacool Cape Cora HF 642

Активные радиаторы более распространенны в системах водяного охлаждения из-за  лучшей  эффективности. Если использовать тихие или бесшумные вентиляторы, то можно добиться тихой или бесшумной работы СВО. Эти радиаторы могут быть  самого разного размера, но в основном их делают  кратными  к размеру 120 мм или 140мм вентилятора.

Радиатор Feser X-Changer Triple 120mm Xtreme

Feser X-Changer Triple 120mm Xtreme

Радиатор СВО за компьютерным корпусом:

Радиатор СВО

Помпа — электрический насос, отвечает за циркуляцию воды в контуре СВО. Помпы могут работать от 220 вольт или от 12 вольт. Когда в продаже было мало специализированных компонентов  для СВО, то использовали аквариумные помпы, работающие  от 220 вольт.  Это  создавало некоторые трудности, из-за необходимости  включать помпу синхронно с компьютером. Для этого применяли реле, включающее  помпу автоматически при старте компьютера. Сейчас есть специализированные помпы, обладающие компактными размерами и хорошей производительностью, работающие от 12 вольт.

Компактная помпа Laing DDC-1T

Laing DDC-1T

У современных ватерблоков  довольно высокий коэффициент гидросопротивления, поэтому желательно применять специализированные помпы, так как  аквариумные не позволят  современной  СВО работать на полную производительность.

Шланги или трубки  также являются обязательными  компонентами  любой СВО, по ним вода течет от одного компонента к другому. В основном применяют шланги из ПВХ, иногда из силикона. Размер шланга не сильно влияет на производительность в целом, важно не брать слишком тонкие (менее 8 мм.) шланги.

Флуоресцентный шланг Feser Tube:

Feser Tube

Фитингами называют специальные соединительные элементы для подключения  шлангов  к компонентам СВО (помпе, радиатору, ватерблокам). Фитинги нужно вкручивать в отверстие с резьбой находящееся на компоненте СВО. Вкручивать их нужно не очень сильно (гаечных ключей не понадобится).  Герметичность достиается уплотнительным кольцом из резины. Подавляющее большинство компонентов продаются без фитингов в комплекте. Это делается затем, чтобы пользователь мог  сам подобрать фитинги, под нужный шланг. Самый распространенный тип  фитингов — компрессионный (с накидной гайкой) и ёлочка (используются штуцеры). Фитинги бывают прямыми  и угловыми. Фитинги еще различаются по типу резьбы.  В компьютерных СВО чаще встречается резьба стандарта G1/4″, реже  G1/8″ или G3/8″.

Водяное охлаждение компьютера:

Фитинги типа ёлочка от Bitspower:

Bitspower

Компрессионные фитинги Bitspower:

Bitspower

Вода тоже относится к обязательным компонентом СВО.   Лучше всего заправлять дистиллированную воду  (очищенную от примесей методом дистилляции). Используется и  деионизированная вода, но существенных отличий от дистиллированной у нее нет, только  производится другим способом. Можно применять специальные смеси или воду с различными присадками.  Но использовать воду из-под крана или бутилированную для питья не рекомендуется.

Необязательные компонентами  являются компоненты,  без которых СВО стабильно может работать, и не влияют на производительность. Они делают эксплуатацию СВО более удобной.

Резервуар (расширительный бачек) считается необязательным компонентом СВО, хотя и присутствует в большинстве  систем водяного охлаждения. Системы с резервуаром  более удобны в заправке. Объем воды резервуара не принципиален,  он не влияет на производительность СВО. Формы резервуаров  встречаются самые разные и выбирают их по критериям удобства установки.

Трубчатый резервуар  Magicool:

Magicool

Cливной кран  используется для удобного  слива воды из контура СВО. Он перекрыт в обычном состоянии, и открывается,  когда необходимо слить воду из системы.

Сливной кран Koolance:

Koolance

Датчики, индикаторы и измерители. Выпускается довольно много различных измерителей, контролеров, датчиков для СВО. Среди них  встречаются электронные датчики температуры воды, давления и потока воды, контролеры, согласующие работу вентиляторов с температурой, индикаторы движения воды и так далее. Датчики давления и расхода воды нужны лишь в системах, предназначенных для тестирования компонентов СВО, так как эта информация для обычного пользователя просто несущественна.

Электронный датчик потока от AquaCompute:

AquaCompute

Фильтр. Некоторые системы водяного охлаждения комплектуются фильтром, включенным в контур. Он предназначен для отфильтровывания разнообразных мелких частиц попавших в систему (пыль, остатки пайки, осадок).

Присадки к воде и различные смеси. Дополнительно к воде  можно использовать различные присадки. Некоторые из них предназначены для защиты от коррозии, другие для предотвращения развития бактерий в системе или  подкрашивания воды. Выпускают также готовые смеси, содержащие воду,  антикоррозионные присадки и краситель. Бывают готовые смеси, повышающие производительность СВО, но повышение производительности от них возможно лишь незначительное. Можно встретить жидкости для СВО, которые сделаны не на основе воды, а использующие специальную диэлектрическую жидкость. Такая жидкость не проводит электрический ток и при утечке на компоненты ПК не вызовет короткого замыкания. Дистиллированная вода тоже не проводит ток, но, если пролившись, попадет на запыленные участки ПК, может стать электропроводной. Необходимости в диэлектрической жидкости нет,  потому, что хорошо протестированная СВО не протекает и обладает достаточной надежностью. Важно также соблюдать инструкцию к присадкам.  Не нужно лить их сверх меры, это может привести к плачевным последствиям.

Зеленый флуоресцентный краситель:

краситель

Бэкплейтом называют  специальную крепежную пластину, которая нужна, чтобы разгрузить текстолит материнской платы либо видеокарты от создаваемого креплениями ватерблока усилия, и  уменьшить изгиб текстолита, снижая риск поломки. Бэкплейт  не является обязательным компонентом, но очень часто встречается в СВО.

Фирменный бэкплейт от Watercool:

Watercool

Второстепенные ватерблоки. Иногда, ставят дополнительные ватерблоки на слабо греющиеся компоненты. К таким компонентам относятся: оперативная память, силовые транзисторы цепей питания, жесткие диски и южный мост. Необязательность таких компонентов для системы водяного охлаждения заключается в том, что, они не несут  улучшения разгона и никакой дополнительной стабильности системы или других заметных результатов не дают. Это связано с малым тепловыделением таких элементов, и с неэффективностью применения ватерблоков для них. Положительной стороной установки таких ватерблоком можно назвать только внешний вид, а минусом является  повышение гидросопротивления в контуре и соответственно увеличение стоимости всей системы.

Ватерблок для силовых транзисторов на материнской плате от EK Waterblocks

EK Waterblocks

Кроме обязательных и необязательных компонентов СВО существует еще категория гибридных компонентов. В продаже встречаются компоненты, которые представляют собой два или более компонента СВО в одном устройстве. Среди таких устройств известны: гибриды помпы с процессорным  ватерблоком,  радиаторы для СВО совмещенные с встроенной помпой и резервуаром. Такие компоненты  заметно  уменьшают занимаемее ими место и более удобны в установке. Но такие  компоненты мало пригодны к апгрейду.

Выбор системы СВО

Различают  три основных типа СВО: внешние,  внутренние и встроенные. Они различаются расположением по отношению к корпусу компьютера их основных компонентов (радиатор/теплообменник, резервуар, насос).

Внешние системы водяного охлаждения, выполняют  в виде отдельного модуля ( «ящика») , который при помощи шлангов подключен  к ватерблокам, которые установлены на комплектующих в самом корпусе ПК. В корпус внешней системы водяного охлаждения практически всегда выносится радиатор с вентиляторами, резервуар, помпа, и, иногда, для помпы с датчиками блок питания. Среди  внешних систем хорошо известны системы водяного охлаждения Zalman семейства Reserator. Такие системы устанавливаются  в виде отдельного модуля, и их удобство заключается в том, что пользователю  не нужно дорабатывать и переделывать корпус своего компьютера.  Их неудобство состоит только в габаритах и  сложнее становится  перемещать компьютер даже на небольшие расстояния, например, в другую комнату.

Внешняя пассивная СВО Zalman Reserator:

СВО Zalman Reserator

Встроенная охлаждающая система вмонтирована в корпус и продаётся в комплекте с ним. Такой  вариант является самым простым в обращении, потому, что вся СВО уже смонтирована в корпусе,  и снаружи нет громоздких конструкций. К недостаткам такой системы можно отнести высокую стоимость и то, что старый корпус ПК будет  бесполезным.

Внутренние системы водяного охлаждения расположены  полностью внутри корпуса ПК. Иногда,  некоторые компоненты внутренней СВО (в основном радиатор), устанавливают на внешней поверхности корпуса. Достоинством внутренних СВО является удобство переноски.  Нет необходимости слива жидкости при транспортировке. Также при установке внутренних СВО не страдает внешний вид корпуса, и при моддинге СВО может отлично украсить корпус вашего компьютера.

Проект Overclocked Orange:

Overclocked Orange

Недостатками  внутренних систем водяного охлаждения являются сложность их установки и  необходимость модификации корпуса во многих случаях. Также внутренняя СВО прибавляет вашему корпусу несколько килограмм веса.

Планирование и установка СВО

Водяное охлаждение,  в отличие от воздушного,  требует некоторого планирования перед установкой. Ведь жидкостное охлаждение налагает некоторые ограничения, которые необходимо принять во внимание.

Во время установки нужно всегда помнить об удобстве. Необходимо оставлять свободное место, чтобы  дальнейшая работа с СВО и комплектующими не вызывала трудностей. Нужно, чтобы трубки с водой свободно проходили  внутрь корпуса и между компонентами.

Кроме того течение жидкости не должно ничем ограничиватся. При прохождении через каждый водоблок охлаждающая жидкость нагревается. Чтобы снизить эту проблему, продумывается схема с параллельными путями  охлаждающей жидкости. При таком подходе поток воды менее нагружен, и в водоблок  каждого компонента поступает  вода, которая не нагрета другими компонентами.

Хорошо известен набор Koolance EXOS-2. Он  предназначен для работы с соединительными трубками сечения 3/8″.

При планировании расположения своей СВО рекомендуется сначала начертить простую схему. Начертив план на бумаге, приступают к реальной сборке и установке. Необходимо разложить на столе все детали системы и приблизительно промерять нужную длину трубок. Желательно оставлять запас и не обрезать слишком коротко.

Когда подготовительные работы проделаны,  можно начинать установку водоблоков. На задней стороне материнской платы за процессором  устанавливается  металлическая скоба крепления головки охлаждения Koolance для процессора. Эта скоба крепления комплектуется пластмассовой прокладкой, для предотвращения замыкания с материнской платой.

материнская плата

Затем снимается радиатор, прикреплённый к северному мосту материнской платы. В примере используется материнская плата Biostar 965PT, у которой охлаждение чипсета происходит с помощью пассивного радиатора.

Biostar 965PT

Когда радиатор чипсета снят, нужно установить элементы крепления водоблока для чипсета. После установки этих элементов материнскую плату  ставят снова в корпус ПК. Не забывайте  удалять с процессора и чипсета старую термопасту перед нанесением тонким слоем новой.

После этого  осторожно устанавливаются водоблоки на процессор. Не прижимайте их с силой. Применяя силу вы можете повредить комплектующие.

устанавливаются водоблоки на процессор

Потом проводятся работы с видеокартой. Необходимо удалить имеющийся на ней радиатор и заменить его водоблоком. Когда водоблоки установлены, можно подсоединить трубки и вставить видеокарту в слот PCI Express.

вставить видеокарту в слот PCI Express

Когда все  водоблоки установлены, следует подсоединить все оставшиеся трубки. Последней подключается трубка, ведущая к внешнему блоку СВО. Проверьте правильность направления движения воды: охлаждённая жидкость должна сначала поступать в водоблок процессора.

После выполнения всех этих работ вода  заливается в резервуар. Наполнять резервуар нужно только до уровня, который указан в инструкции. Внимательно смотрите за всеми креплениями и при малейших признаках протечки, немедленно устраните проблему.

признаки протечки

Если все правильно собрано и не возникло протечек, нужно прокачать охлаждающую жидкость для удаления пузырьков  воздуха. Для системы Koolance EXOS-2 нужно замкнуть  контакты на блоке питания ATX, и подать питание водяному насосу, не подавая питание на материнскую плату.

Пусть система немного поработает в таком режиме, а вы осторожно наклоняйте компьютер то в одну, то в другую стороны, чтобы избавится от пузырьков воздуха. После выхода всех пузырьков  добавьте охлаждающей жидкости, если потребуется. Если пузырьков воздуха больше не видно, то можно запускать систему полностью. Теперь вы можете протестировать эффективность установленной СВО.  Хотя водяное охлаждение еще является редкостью для обычных пользователей, его преимущества неоспоримы.