Фреоновое охлаждение компьютера что это такое
Фреоновые парокомпрессионные системы охлаждения компьютеров, их готовые серийные решения
На протяжении всего времени развития компьютерной техники всегда остро стоял, и будет стоять вопрос эффективного охлаждения различных элементов компьютеров, которые выделяют значительное количество тепла. Сколько уж копий сломано при решении этой проблемы, но кардинально она так и не решена. И, кажется, что эта борьба двух сил: «выделителей тепла» и «отводителей тепла» будет вечная. Давно известно, чем интенсивнее отводится тепло от нагревающихся элементов компьютера, и чем холодней будут они, тем большим будет их срок службы, и стабильнее работа всего компьютера. Каких только не создано систем охлаждения, и все они обладают различной эффективностью охлаждения. Воздушные и жидкостные системы охлаждения работают по элементарному принципу, они передают тепло от нагреваемых элементов сначала на радиатор охлаждения, а потом от радиатора в окружающую среду, благодаря теплопроводности применяемых в них материалов и воздуха. Такие системы не способны создать температуру в точке отбора тепла (например, на поверхности процессора) ниже, чем температура окружающей среды, или равную ей, так как передача тепла в таких системах возможна только от более горячего к менее горячему. В случае равных температур передача тепла прекратится. Вот и получается, что температура в этих системах всегда будет больше температуры окружающей среды.
реклама
Но если применить для охлаждения компьютера «холодильник» фреоновую систему охлаждения, то ситуация с охлаждением будет в корне изменена.
Экзотические виды систем охлаждения процессоров и видеокарт для разгона
Содержание
Содержание
У большинства из нас на процессорах и видеокартах стоит обычное охлаждение из радиаторов и тепловых трубок. Однако если вы оверклокер и вам нужны более низкие температуры и серьезный разгон, то придется глядеть в сторону сборных систем водяного охлаждения, систем с элементами Пельтье, «фреонок» и даже азотных стаканов. Давайте вспомним самые экзотические системы охлаждения, дающие очень низкие температуры и позволяющие ставить рекорды разгона.
Бурный расцвет систем охлаждения произошел в конце 90-х годов, совпав с огромными темпами роста рынка процессоров и видеокарт. Оверклокинг тогда из нишевого хобби превратился в популярное занятие, приносившее видимый рост производительности. Многие покупатели новых процессоров и видеокарт стали пытаться «выжать» из них дополнительные мегагерцы. Тем более, что прирост частот при разгоне в 30-50% был в то время нормальным явлением.
Если вы пробовали разгонять видеокарту или процессор, то наверняка сталкивались с главным ограничивающим фактором разгона — ростом температур. Хороший разгон не обходится без повышения напряжения, которое вызывает не линейный, а квадратичный рост тепловыделения и энергопотребления. Первыми пасуют обычные кулеры, потом — кулеры с теплотрубками, и если вы хотите наращивать частоту дальше, то, скорее всего, начнете смотреть в сторону водяного охлаждения.
Сборные системы водяного охлаждения
Системы водяного (жидкостного) охлаждения (СЖО) обеспечивают гораздо более эффективный отвод тепла от комплектующих за счет того, что вода имеет более высокие, чем у воздуха, теплоемкость и теплопроводность. При этом есть возможность создать очень тихую систему за счет гораздо большей, чем у обычных кулеров, площади радиаторов.
В последние годы в продаже появилось много необслуживаемых СЖО, которые дают более высокую эффективность, чем обычные кулеры на теплотрубках. Однако у них есть минусы в виде ограниченного срока службы и невозможности вмешаться в конструкцию для чистки, ремонта или замены компонентов. Этих минусов лишены сборные или «кастомные» СЖО.
В них вы можете гибко менять конфигурацию, добавляя, к примеру, водоблок на видеокарту, чипсет, память и даже на систему питания процессора. Можно ставить более мощную помпу и радиатор большей площади для увеличения производительности.
Сборная СЖО имеет гибкость в монтаже и не привязана к определенному сокету, корпусу или видеокарте. Вы можете подстраивать ее под свои нужды, и при апгрейде смена креплений сокета не станет для вас неприятным сюрпризом.
СЖО может обеспечить очень эффективный отвод тепла от видеокарты. Водоблок типа «фулкавер» накрывает видеокарту целиком, отводя тепло и от видеопроцессора, и от чипов памяти, и от системы питания. При этом получается очень компактная система, идеально подходящая для построения ПК с двумя видеокартами.
Более продвинутые компоненты СЖО приходится покупать уже в специализированных магазинах и здесь проявляется один из их минусов — высокая цена. Еще из минусов СЖО можно назвать потенциальный риск протечки жидкости, необходимость периодической чистки и перезаправки системы и довольно высокую сложность сборки.
Системы на элементах Пельтье
В СО на элементах Пельтье применяется термоэлектрический охладитель или термоэлектрический модуль, работа которого основана на эффекте Пельтье. Действие этого эффекта заключается в возникающей разнице температур в месте контактирования материалов при прохождении сквозь них электрического тока. В зависимости от направления тока, выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое называется теплом Пельтье.
Модуль Пельтье состоит из термоэлектрического охладителя, сделанного из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа с радиаторами. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов, соединенных с радиаторами: один радиатор охлаждается, а другой — нагревается. С него и отводят тепло радиатором с вентилятором или водоблоком СЖО.
Для работы системе требуются довольно высокие мощности в пределах от 80 до 300 ватт. Например, одно из самых эффективных заводских решений — водоблок со встроенным элементом Пельтье Swiftech MCW6500-T — потребляло до 226 Вт. Температуры, которые он поддерживал, составляли от 0 градусов в простое и 20-30 под полной нагрузкой на процессоре уровня Core i7 965 Extreme Edition.
СО на элементах Пельтье начали активно развиваться в 90-е годы. Их начали производить компании KryoTech, Computernerd, DesTech Solutions и Step Thermodynamics для охлаждения процессоров Pentium и Pentium II.
А самые известные СО на элементах Пельтье появились в нулевые годы. Это было время их расцвета.
И самый частый гость печатных изданий тех времен — суперкулер Titan Amanda.
Широкому распространению СО на элементах Пельтье помешали серьезные недостатки: очень высокое энергопотребление и цена.
Фреоновые системы охлаждения
Фреоновые СО оверклокеры начали активно применять в нулевых годах. Система состоит из пяти компонентов: компрессора, конденсатора, испарителя, осушителя и дросселя (капиллярной трубки).
По системе прокачивается хладагент — фреон. В основе фреонового цикла лежит эффект Джоуля-Томсона — понижение температуры рабочего тела (хладагента) при понижении его давления в ходе протекания через сужение в канале.
Грубо говоря, фреоновая СО — это обычный бытовой холодильник, который есть у каждого из нас на кухне, но построенный для охлаждения компонентов ПК. Температуры, получаемые в такой системе, уже ниже нуля и позволяют осуществлять экстремальный разгон.
Даже само по себе сильное снижение температуры процессора или видеокарты серьезно повышает их разгонный потенциал. Это заметно по механизмам буста современных видеокарт и процессоров — чем ниже температура, тем выше частота.
А еще очень низкая температура позволяет сдержать огромное тепловыделение при серьезном повышении напряжения на чипе. За счет этого и достигаются экстремальные частоты в 6, 7 и даже 8 ГГц на современных процессорах и до 3 ГГц на видеокартах.
Серьезную проблему при минусовых температурах на комплектующих вызывает образование конденсата, который может легко вывести их из строя. Построение эффективной фреоновой СО — непростая задача даже для профессионала холодильного оборудования. Поэтому такие системы — удел энтузиастов и профессиональных оверклокеров.
Но были и серийные корпуса с встроенной фреоновой СО, например — Xpressar RCS100 от Thermaltake. Корпус формата Super Tower и весом около 30 кг обеспечивает охлаждение процессора с автоматическим поддержанием температуры в пределах 20-45 градусов, что исключает появления конденсата.
Стоит упомянуть гибриды СЖО и фреоновой СО — чиллеры. В них фреоновая СО охлаждает хладагент, текущий по обычной СЖО. Они отличаются более простым монтажом, так как к компонентам ПК подводятся обычные водоблоки.
Минусы фреоновых СО исключили их широкое распространение: сложность изготовления и монтажа, высокая цена и громоздкость.
Азотные стаканы
Поэтому разгон с помощью жидкого азота используется для кратковременного экстремального охлаждения процессора и видеокарты для получения рекордов. Процедура разгона на первый взгляд довольно проста: на процессор или видеокарту устанавливается медный стакан, пространство вокруг стакана тщательно изолируется.
Подливая жидкий азот небольшими порциями в стакан, добиваются его охлаждения до 110-130 градусов ниже нуля.
Но оверклокера поджидают две проблемы, coldbug (CB) — потеря стабильности системы, ее зависание и отключение при определенной низкой температуре.
И cold boot bug (CBB) — невозможность запуска системы при определенной низкой температуре.
Разные процессоры имеют разные температуры, при которых возникают coldbug и cold boot bug, и от оверклокера требуется умение поддержать определенную температуру, сохраняя стабильность системы для прохождения тестов.
Практически все известные рекорды разгона процессоров и видеокарт получены с использованием жидкого азота. Но этот способ крайне сложен, дорог и не может использоваться долговременно.
Второй способ — это использование в азотном стакане жидкого гелия. Температура его составляет 269 градусов ниже нуля, а стоимость в 15-20 раз выше, чем у жидкого азота. Обычно такой разгон проводится на спонсорские деньги и является довольно редким событием.
Определенную трудность составляет подбор комплектующих, выдерживающих столь низкие температуры без появления coldbug.
Итоги
За последние годы рынок экзотических систем охлаждения изменился — СО на основе фреона и на элементах Пельтье стали уделом узкого круга энтузиастов. Найти их в продаже практически нереально. А азотные стаканы остаются нишевым решением для установки рекордов.
А вот рынок СЖО бурно развивается, и сегодня вы можете купить хорошую сборную систему водяного охлаждения за умеренную сумму. Тем более, что новые многоядерные процессоры требуют СЖО уже даже для небольшого разгона.
Добавьте сюда возможность тихой работы и кастомизации под новые сокеты и видеокарты и вы получите почти идеальную систему охлаждения на сегодня.
Какие существуют виды, типы и способы охлаждения ПК
Жидкостное
Принцип работы состоит в передаче тепла от нагревающегося элемента охлаждающему радиатору. Это происходит при помощи рабочей жидкости (обычно воды), которая циркулирует в системе по специальным трубкам.
Воздушное
Можно разделить на →
Принцип работы пассивного охлаждения заключается в передаче тепла от нагревающегося элемента на радиатор. Радиатор 
может быть сделан из алюминия или меди, а более продвинутые модели имеют тепловые трубки, которые помогают увеличить площадь рассеивания тепла.
Радиатор полученное тепло рассеивает в окружающее пространство, тем самым отводя его от нагревающихся компонентов.
Эффективность такого пассивного охлаждения, напрямую зависит от циркуляции воздуха и его температуры.
Чем больше объема воздуха, участвует в теплообмене и чем ниже его температура, тем лучше работает пассивное охлаждение.
Субъективно, полностью пассивную воздушную систему охлаждения создать невозможно, так как для создания потоков воздуха внутри замкнутого объема, так или иначе нужны вентиляторы.
Ну а теперь подробно разберем активное воздушное охлаждение. Оно самое распространенное и недорогое. Главное подойти к его организации с умом.
В этом способе используются вентиляторы совместно с радиаторами 
. Обычно их называют куллерами. Вентилятор обдувает радиатор, который отводит тепло от греющего его компонента компьютерной системы. Чем больше воздушный поток проходящий через радиатор и чем он холоднее, тем эффективнее происходит охлаждение.
Теперь перейдем к альтернативным способам охлаждения ⇒
Фреоновые установки
Принцип работы системы охлаждения на основе фреона, несмотря на внешне сложное устройство, довольно прост. Это холодильник в компьютере.
В замкнутом контуре циркулирует газ (фреон), который забирает тепло от центрального процессора или видеокарты. Двигаясь дальше по контуру, он охлаждается в специальном радиаторе. Дальше, охлажденный фреон под давлением, поступает к охлаждаемым компонентам и процесс повторяется снова.
Криогенное или азотное
Криогенные системы охлаждения с жидким азотом представляют из себя металлический (чаще всего медный) стакан 
. Такие стаканы делают в основном для охлаждения процессора и видеокарты. Они, как и радиаторы, плотно закрепляются с охлаждаемым элементом. Далее компьютер запускается и начинает вручную наливаться в стакан/ы азот. В процессе охлаждения он постепенно испаряется, поэтому его постоянно необходимо подливать.
На охлаждении азотом, ставятся все рекорды по разгону железа.
Криогенные установки используются только для экстремального охлаждения.
Плюс у данного вида охлаждения ПК только один — этот способ лучше всего охлаждает.
Остальное — одни минусы. Цена, неудобство, сложность и т.п.
Элемент Пельтье
Термоэлектрический преобразователь (термоэлектрический охладитель), принцип действия которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока.
В принципе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.
В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Если нагревающуюся сторону элемента Пельтье охлаждать при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны станет ещё ниже. Разность температур может достигать 70 °C.
До азотного охлаждения, энтузиасты использовали модуль Пельтье для охлаждения процессоров при экстремальном разгоне.
Так же существуют различные комбинации всех перечисленных выше систем, но их практическая реализация очень сложна.
По совокупности всех положительных качеств, лучшим способом охлаждения компьютера и комплектующих, остается воздушное охлаждение.
«Фреонка по-умному» (рассказ о постройке системы охлаждения, интегрированной в компьютерный корпус и основанной на принципе фазового перехода)
реклама
Всего несколько лет назад, когда тепловыделение процессоров не достигало и 50Вт, подобные системы пользовались спросом только среди горстки энтузиастов, которым были необходимы отрицательные температуры для достижения рекордов разгона. Но в настоящее время тепловыделение процессоров значительно выросло. Так, пиковое тепловыделение Pentium4 (Prescott) при напряжении 1.8В и рабочей частоте 4.3ГГГц превышает 200Вт. Очевидно, что никакие традиционные методы охлаждения не способны эффективно справиться с такой тепловой мощностью. Даже со стандартным тепловыделением старших моделей неразогнанных P4 возникают некоторые проблемы, поэтому системы на основе фазового перехода будут распространяться всё шире, и вскоре, как мне кажется, перестанут быть экзотикой. Что, собственно, не так давно уже произошло с водяными системами охлаждения.
Краткий обзор серийных систем.
Ряд иностранных фирм уже выпускает серийные изделия. Как правило, это системы, смонтированные в корпусе, в котором для них предусмотрен отдельный отсек. Это куда удобнее, чем смастеренные многими энтузиастами ghetto-looking системы без каких-либо кожухов, смонтированные на первой попавшейся дощечке. Оно, конечно, хардкорно, но, на мой взгляд, очень уж неэстетично.
На данный момент известной фирмой, выпускающей серийные системы phase-change, является датская компания Asetek, продающая свои системы под торговой маркой VapoChill. Asetek выпускает на данный момент 4 модели (SE, PE, XE и LS):
реклама
Все три системы конструктивно схожи между собой, различаясь только мощностью компрессора и используемым хладагентом.
Обзор моих старых систем.
Ты помнишь, как всё начиналось.
Минусом было то, что хладагент (ТОСОЛ) промораживался до минусовой температуры достаточно долго, то есть разогнанный комп нельзя было запускать непосредственно после запуска чиллера, так как температура на процессоре опускалась очень медленно. Шум от неслабого компрессора и помпы водянки так же не добавляли комфорта. Да и габариты, трубки в комнате.
Я решил делать direct-die систему. Был уже умудрен опытом построения подобных систем и решил всё делать по-хитрому: вторая система проектировалась сразу в отдельном корпусе, было заранее продумано удобное и не мешающее размещение, шумоизоляция и схема включения. Я старался учесть все минусы, найденные при строительстве чиллера. Корпус габаритами по размерам стандартного компьютерного, 490х210х270 (ДхШхВ), я планировал поставить его под системный блок и протянуть туда трубку испарителя. Конструкция сильно напоминает серийный VapoChill LS (который я увидел гораздо позднее и был немало удивлен сходством). Был выбран мощный низкотемпературный компрессор Tecumseh 574Вт на фреоне R22. Конденсатор серийный Lu-Ve, тихий итальянский вентилятор. Компрессор оказался достаточно тихим, система работала прекрасно. Но такая башня из 2-х корпусов не облагораживала внешний вид комнаты, интерьер не позволял разместить систему скрытно и удобно. Да и зуд творчества не ослабевал. В следующей статье я планирую рассказать подробно про строительство фреонки в отдельном корпусе (а эта статья носит в основном обзорный характер)
реклама
реклама
Для установки системы был выбран BigTower Chieftec DA01-BD размерами 470x205x670 (ДхШхВ)
Немалой проблемой являлось то, что в это корпус (да и ни в один другой) стандартные серийные конденсаторы не влезали. Было принято решение изготовить конденсатор самостоятельно.
реклама
Взят алюминиевый радиатор от печки ВАЗ2108 и распилен пополам. Проходящие в нем трубки были соединены между собой так, чтобы фреон проходил их все последовательно. Пришлось паять порядка 30 швов, притом требовалось, чтобы конденсатор мог выдерживать пиковое давление до 25Атм (и рабочее порядка 12-15Атм), так как находится в линии высокого давления. На этот этап ушла неделя работы по вечерам. Опрессовка показала, что конденсатор уверенно держит 35 атмосфер
Вентилятор был выбран обычный 120мм фирмы Akasa (с голубой подсветкой, всё что было под рукой). Шум, производимый им, достаточно низок. Из жестяного листа был изготовлен кожух для более эффективного охлаждения конденсатора (см. фото №18)
Испаритель 50х50х60мм был изготовлен фрезеровкой и спайкой из медной шины 12.5мм по моим чертежам. Жидкий фреон в нем попадает в центр спиральной камеры и получившийся пар с недоиспарившимся фреоном попадают в верхнюю камеру-доиспаритель. Оттуда по сильфонному стальному шлангу газообразный хладагент попадает обратно в компрессор. Испаритель целиком из меди, массой примерно 400 грамм. Можно было сделать более легкую конструкцию, но такая масса является дополнительной защитой (даже если по каким-то причинам фреонка выключится, процессор не сгорит, у него будет более минуты времени для аварийного отключения, пока до опасной температуры не прогреется болванка испарителя). Подошва отполирована до 8й степени чистоты.
реклама
По обычной схеме всё собрано на подготовленной монтажной плате, которая устанавливается уже в корпус. Между собой компоненты паялись меднофосфорным и с примесью серебра (6% и 15% Ag) припоями с помощью горелки с МАРР газом (1350С). Потом в контур закачивался газ под давлением 30Атм и искались утечки. Соединение испарителя с отсасывающим шлангом – резьбовое, с прокладкой из тефлона. Длительные испытания доказали надежность такой схемы.
реклама
Блок питания в корпусе остался горизонтально на оригинальном месте, впереди него полностью свободны внешние два 3.5” и два 5” отсека (ну и 6 внутренних для HDD, конечно). К сожалению, верхние четыре 5” свободны только частично (DVD-привода туда не установить, но какой-нибудь реобас вполне влезет). Как это ни грустно, все-таки приходится чем-то жертвовать
Интересующемуся данным вопросом читателю должно быть известно, что точно рассчитать количество хладагента в системе практически невозможно. Эмпирическим путем подбираются оптимальная длина капилляра и количество фреона. Если капилляр слишком длинен и фреона много – будет избыточное давление на линии нагнетания, компрессор будет перегреваться. Если слишком короток и фреона всё еще много – будет повышенное давление на линии отсасывания, что приведет к недостаточно низким температурам. Если длинен и фреона мало – давления в норме, но холодопроизводительность падает. Если короток и фреона мало – это совсем беда.
Далее пришлось повозиться с изоляцией от конденсата. Но данная проблема достаточно широко освещена на специализированных сайтах типа (http://xtremesystems.org, http://www.phase-change.com/ ), да и в работах отечественных энтузиастов я уже видел их варианты решения. Если коротко – отсасывающая трубка и испаритель изолируется чем-то теплонепроводящим и воздухонепроницаемым (типа поролона с закрытыми порами). Сокет материнской платы должен заливаться силиконом или диэлектрической смазкой и облепливаться тем же поролоном с обеих сторон. Я поступил примерно так же.
реклама
Моя родная система собрана на Epox 8RDA3 (nForce2Ultra), процессоре Duron (Applebred) 1.4ГГц и 133МГц шиной и памяти PQI PC3200. У Duron-а был включен дополнительный кэш, так что он превратился в Athlon XP, с шиной 200МГц и тактовой частотой 2.0ГГц. При водяном охлаждении он разгонялся (в смысле, устойчиво работал) с повышением питания 1.8В до 2152МГц и шиной 205МГц *10.5. Расчетное тепловыделение 95Вт. При этом температура с мощной водянкой поднималась до 45-50 градусов.
На практике эта система используется мною на момент написания статьи в качестве круглосуточного сервера в локальной сети.
Я планирую переходить в ближайшем будущем на А64 1.8ГГц (2800+) 140долл. Планируемый разгон заставит его работать на 2.8-3ГГц. При цене А64 4000+ (2.6ГГц) в 800-900долларов, фреонка сразу начинает себя окупать. При этом она будет переходить с процессора на процессор по мере того, как системы будут устаревать и заменяться, то есть вложив деньги один раз и покупая изредка младшие в линейке и недорогие модели процессоров, я ближайшие годы буду иметь самый быстрый компьютер.
Итак, система перед вами. Судить Вам, удалось ли мне достичь поставленной цели.
Благодарен всем участникам конференций Overclockers.ru и Modlabs.net за неоценимую помощь и особенно Sladky и Steff.
Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.