Watercooling, или переходим к водным процедурам. Часть 2

Первая часть статьи была лишь началом, предисловием, вводной частью (см. КГ №45). Главной задачей, которую она несла, было донесение до читателя основы такой обширной темы и направления в компьютерном мире, как водяное охлаждение ПК. Теперь же придется проникнуть намного глубже, узнать, несомненно, больше. Для многих возвращение в школьный курс физики, ввод новых понятий и терминов станет сложным и запутанным, поэтому я постараюсь изложить весь материал как можно более доступным языком, по возможности не прибегая к замысловатым словам и определениям.

Структура СЖО

Начнем, пожалуй, с самого простого. Собственно, из чего состоит система жидкостного охлаждения (в дальнейшем для удобства просто СЖО)? Какие компоненты она включает, и на какие части ее можно условно разделить?

Водоблоки, или ватерблоки (waterblocks), или теплообменники

Возьмем для примера стандартный водоблок. Как это может ошибочно (!) показаться, он не представляет собой ничего особенного, снаружи чем-то напоминая спичечный коробок, значительно увеличенный в размерах. В дальнейшем такое нездоровое сходство заканчивается. Основными металлами, из которых изготовляют водоблок, являются алюминий или медь либо их сочетание. Медь при изготовлении водоблока применяют практически всегда, т.к. она имеет несколько важных и полезных свойств, главное из которых — хорошая теплопроводность. Не прибегая к расшифровке терминов, можно просто утверждать, что теплопроводность играет главную роль в охлаждении: чем быстрее прогреется водоблок, чем быстрее тепло, выделяемое ядром процессора или видеокарты, передастся водоблоку, тем быстрее мы заметим эффект от этого, а выражаться он будет в невысоких температурах охлаждаемого элемента. Отметим, что теплопроводность меди намного выше, чем у алюминия (почти в два раза). Именно поэтому от алюминиевых водоблоков пытаются отказаться в первую очередь — по эффективность у них намного ниже, чем у медных собратьев. Однако есть одно НО. Сегодня медь трудно найти, ее стоимость против того же алюминия значительно выше, поэтому серийно выпускаемые водоблоки (будь то народными умельцами или именитыми производителями) имеют цену, мягко говоря, немалую. При сборке СЖО, особенно первой, нужно учитывать и это обстоятельство. Немного отвлекусь и скажу, что у небольшого количества людей все получается с первой попытки. Но даже те, кто вроде бы собрал достойную СЖО, стремятся многое в ней изменить. В первой СЖО, собранной мною, я применил алюминиевые водоблоки с целью просто понять и пощупать, что есть она, "водянка", без особых денежных затрат. Как оказалось, результаты охлаждения она показала весьма достойные, но все-таки оставалось направление, чтобы двигаться дальше. В итоге все алюминиевые водоблоки были заменены медными. Толщина основания водоблока — одна из самых терзающих умы "водянщиков" проблема при изготовлении либо выборе готового теплосъемника. Задачей основания водоблока является прием тепла от элемента и передача его в жидкостную среду для дальнейшего охлаждения, т.е. основание становится распределителем тепла. Чем больше будет поверхность контакта основания со средой охлаждения, тем лучшую эффективность покажет водоблок. Водоблок имеет внутреннюю структуру, которая может принимать различные формы: от элементарной "змейки" до "игольчатой" поверхности. А зачем вообще нужен внутренний рельеф? Почему бы просто не оставить ровную плоскость? Дело в том, что эффективность такого водоблока весьма ограничена, т.к. площадь теплоотдачи и турбулентность потока жидкости очень мала. Поэтому даже змеевидная структура может значительно улучшить результаты.
Подведем небольшой итог. Итак, водоблок нужен для приема тепла и передачи его жидкости. Основание водоблока скрепляется с крышкой, на которой находятся штуцеры (для входа и выхода потока). Внутренняя сторона основания имеет поверхность различной формы (для увеличения площади теплообмена). Производятся водоблоки из алюминия, меди, редко из серебра. Водоблок является главной частью СЖО, на которую нужно обращать внимание в первую очередь. Важное примечание. Использовать в водоблоке сочетания меди и алюминия крайне не рекомендуется. Их непосредственное взаимодействие приведет к разрушению стенок теплообменника. Что произойдет после появления отверстий, думаю, вы понимаете.

Радиатор — элемент СЖО, передающий тепло от жидкости внешней среде

По-русски, радиатор нужен для охлаждения жидкости, которая, в свою очередь, охлаждает водоблоки. Поэтому нет никакого смысла иметь хорошие теплообменники, но довольствоваться плохим радиатором — в этом случае жидкость не будет нормально охлаждаться, а будет только сама нагревать водоблоки. Радиаторы различают двух видов: трубчатые и пластинчатые. Трубчатые наиболее распространены и используются чаще, поэтому остановимся на них подробнее. В таком радиаторе металлическая трубка зигзагообразно проходит сквозь "веер" медных или алюминиевых пластин, что дает неплохую эффективность передачи тепла от радиатора во внешнюю среду. Минусом данной конструкции является затрудненность "продуваемости", т.е. пластины обычно расположены очень близко друг к другу, что мешает прохождению воздушного потока от вентилятора. Наилучшим из всех вариантов является простой радиатор обогрева салона автомобиля. Во-первых, он легкодоступен — его можно найти в любом магазине автозапчастей. Во-вторых, выбор очень велик, и каждый может подобрать себе именно нужный, исходя из цены и размеров. Большое количество радиаторов выполнено из различных металлов, даже глаза разбегаются. Алюминиевых намного больше, чем медных, однако предпочтительнее выбирать из последних (думаю, вы помните о теплопроводности). Наверное, это может показаться смешным, но радиатор тоже нужно охлаждать:). Конечно, в пассивном состоянии он может показать неплохую эффективность. Но все же с активным охлаждением радиатор раскроет весь свой скрытый потенциал. Под активным охлаждением подразумевается использование вентиляторов. Чаще всего используют не обычные 80- или 90-миллиметровые, а 120-. Воздушный поток, который они могут создать даже на минимальных оборотах, довольно высок. Но есть маленькая тонкость: вентилятор нужно ставить на обдув радиатора (воздушный поток направлен к ребрам), если расстояние между ребрами достаточно, и вентилятор может "продуть" радиатор. Если же все наоборот, то вентилятор устанавливают таким образом, чтобы воздушный поток был от радиатора. И последнее: приобретайте только новый радиатор, старые часто находятся в очень плохом состоянии. Обращайте внимание на стыки и соединения — лучше всего, если они будут спаяны, а не просто соединены. Лучшим качеством отличаются радиаторы от иномарок.

Насос, или помпа

Помпу можно сравнить с настоящим сердцем, т.к. она должна прокачивать жидкость, быть надежной и тихой и непосредственно от нее зависит "здоровье" СЖО. Минимальные требования, которые должна поддерживать каждая помпа — это скорость прокачивания жидкости (3-4 л/мин.) и максимальная высота столба жидкости (минимум 0,5 м). Не нужно гнаться за сверхмощными помпами (конечно, если они в действительности способны прокачать 1000 л/час), потому что, кроме дополнительного нагрева и излишнего шума (из-за большой мощности, часть которой уходит просто в тепло), в принципе, они ничего не дадут. Помпы бывают внешние и погруженные. Внешние несколько дороже — они дают возможность отказаться от расширительного бачка и тем самым упростить структуру СЖО. Без расширительного бачка общий объем жидкости уменьшается на пару литров — значит, и прогреваться он будет намного быстрее. Поэтому тут уже главную роль будет играть производительность помпы — насколько быстро она сможет донести жидкость до радиатора, чтобы ее охладить. Говорить здесь о дешевых и слабых насосах не приходится — они просто не справятся с задачей. Существуют также циркуляционные насосы, которые отличаются большей мощностью, меньшим шумом и долгой живучестью в сравнении с "рыбьими" помпами. Но и цена на них зашкаливает за сотню-другую. Впрочем, выбор за вами. Все зависит от того, что нужно от помпы: тишина, производительность или малая цена.

Пару слов хочется сказать о гидродинамическом сопротивлении. В целом от этого параметра зависит то количество жидкости, которое будет прокачано через систему в целом. Берем обычную помпу неизвестного производителя. В спецификациях заявлено, что эффективность ее работы 500 литров/час. Но такой внушающий литраж доступен только без нагрузки на помпу, т.е. без упоминавшегося выше гидродинамического сопротивления. Так, добавим шланги, переходники и разветвители, перепады высот, внутреннюю структуру водоблоков и получим 50 л/час от силы. Полезная работа помпы уменьшается, соответственно, падает и КПД, затраченная на преодоление всех неучтенных преград мощность помпы будет только нагревать воду. Поэтому нужно снизить количество преград, с которыми может столкнуться поток жидкости, соответственно, при этом уменьшив нагрузку на помпу. Себе я приобрел помпу под названием UniStar POW 300-2. На это было несколько причин, главная из которых — на нашем рынке трудно найти более-менее приличный насос от зарекомендовавшего себя производителя (Grundfos, например). К тому же, стоимость его будет заметно выше из-за дефицитности. Помпы производства UniStar (по-видимому, Made in China; на коробке о стране-производителе ничего не указано), по заверению некоторых людей, пользовавшихся ими, довольно нормального качества для своей стоимости — что-то среднее между "хорошо" и "не очень". В спецификации помпы заявлено, что ее мощность составляет 12 Вт, производительность — 700 л/час, максимальный столб высоты жидкости — 0,8 м. К слову, это промежуточная модель, что-то похожее на "истина где-то посередине", т.к. существуют еще модели POW 300-1 и 300-3 — младшая и старшая соответственно. UniStar POW 300-2 у меня уже год. Более полугода она работала практически бесшумно, вибрации также не чувствовалось. Но сейчас ощущается достаточно уловимый шум, который, видимо, создает ротор. Обычно в таких помпах ротор удерживается на оси только магнитами, поэтому под нагрузкой он начинает болтаться и создавать дополнительный шум. Но это можно исправить — сделать из проволоки стопорное кольцо и закрепить его на конце оси — тогда ротор перестанет болтаться. Вот вам характерный пример отличия "китайских" помп от брэндовых насосов. Несмотря на обилие переходников, POW 300-2 достаточно хорошо справляется со своей задачей — всю систему прокачивает полностью, однако заявленные 700 л/час далеки от идеала.

Жидкость

Над этим стратегическим элементом СЖО бьются многие умы "водянкостроения". Придумывают сочетания различных жидкостей — в общем, пытаются выжать все до максимума. Естественно, каждому здравомыслящему человеку в голову придет мысль залить в СЖО воду ввиду ее большой распространенности. Но сначала давайте опять обратимся к физике.

Что мы знаем о воде? Ее теплоемкость составляет 4200 Дж/кг*К, теплопроводность — 0,44 Вт/м*К. Так, копаемся в нашей памяти и вспоминаем, что теплопроводность меди составляет около 400 Вт/м*К. Это говорит о том, что как проводник тепла вода никуда не годится. Если разбить определенный объем воды на пару равных частей, то прогрев будет неравномерным, т.е. первая часть (самый ближний к источнику слой) получит самую большую часть тепла, а дальняя может вообще ничего не получить. К тому же, большая теплоемкость не сказывается положительно на свойствах воды, т.к. она равна количеству теплоты, которое необходимо для сообщения телу (в данном случае воде) массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 кельвин. По-русски говоря, для того, чтобы нагреть воду, нужно большее количество тепла, чем для прогревания такого же количества меди (сравните: у меди теплоемкость 380 Дж/кг*К). На охлаждении это скажется отрицательно — процессор либо видеокарта перегреются. Как исправить ситуацию с водой? Ответ прост: нужен насос, который будет перемещать воду и создавать турбулентность (перемешивать слои воды). Эффективность теплопереноса повышается почти до уровня меди.

Использовать воду из-под крана нельзя. В ней содержится громадное количество всевозможных примесей, ненужных нам веществ и микроорганизмов: железо, соли, бактерии и т.п. В итоге использование такой воды даст "зацветание" шлангов (они покроются пленкой другого цвета, могут даже прорасти водоросли, ведь там для них практически идеальные условия (тепло и комфортно), насос может выйти из строя из-за возросшей нагрузки, внутренняя структура водоблоков и радиатор могут придти в негодность. Восстановить чистоту трудно, но реально. Используют специальные чистящие средства, моют вручную, но такой способ затруднителен, т.к. шланги длинные, а до водоблоков и радиатора изнутри добраться тяжело. Выход был найден. Нашлось такое средство, которое отмывает все. Это… "Спрайт:)". Да, я не ошибся. Горячо всеми любимый напиток Sprite. Достаточно залить его вместо воды часов на 5, предварительно выпустив из него газы (!) — результатом будет абсолютная чистота и аромат. Думаю, что вы слышали о дистиллированной воде. Она полностью очищена, лишена всяких примесей, к тому же, не проводит электричество (вернее, ее диэлектрические свойства очень высоки — не раз было случайно опробовано на себе — все удачно обошлось). Используют ее в автомобильных аккумуляторах, поэтому найти не проблема. Обычно дистиллированную воду используют вкупе с антифризами и тосолом, чтобы полностью исключить зарождение "разумной" жизни в недрах СЖО. Как известно, тосол замерзает намного ниже 0 градусов — именно в целях устойчивости к замерзанию его применяют в СЖО (без смеси с чем- либо), но это необходимо, если температура жидкости каким-либо образом опускается ниже нуля.

Расширительный бачок и шланги

Объем расширительного бачка варьируется только вашей фантазией. Главное, с чем нужно определиться, — где будет установлен бачок. Если размеры компьютерного корпуса позволяют разместить бачок внутри, то это уже хорошо, но, скорее всего, его емкость не будет превышать 2-3 литра. Можно отказаться от малой емкости и функциональности и вынести бачок за пределы корпуса (так в большинстве случае и поступают) — тем самым литраж бачка стремится к бесконечности:), к тому, же радиатор, который в обычном корпусе пристроить некуда, можно разместить рядом с бачком (не уродуя при этом сам корпус). Желательно, чтобы емкость для жидкости была выполнена не из металла — это исключит лишнюю вибрацию и резонанс, в который могут войти насос и емкость. "Попасть в шланг" — так можно перефразировать известное выражение лыжников на лад "водянкостроителей". Да, это не всегда удается с первого раза. Выбрать правильный шланг ничуть не легче, чем выбрать хороший водоблок. Еще до покупки нужно его ощупать: оценить мягкость материала и максимальный угол перегиба. Очень часто можно увидеть шланги, выполненные из обычного пластика — они плохо гнутся, поэтому угол перегиба у них очень мал: если перегнуть его достаточно сильно (как это и бывает), он сомкнется, и вода уже не пройдет. Желательно найти тайгоновые (используются в медицине) — их нельзя перегнуть и порвать, но они труднодоступны. Есть еще силиконовые — они менее эластичные, чем тайгоновые, но приобрести их реально. Если угол, на который нужно изогнуть шланг, превосходит 90 градусов, используют специальные изогнутые металлические или пластиковые переходники.

Pit stop

Резюмируя все вышесказанное, делаем вывод, что структура СЖО не такая запутанная, как может показаться на первый взгляд. Но не нужно забывать, что к выбору каждого элемента нужно подходить внимательно и осознанно, заранее понимая, что вы хотите от СЖО. Поэтому не торопитесь, ведь, как говорится, "поспешишь — дурака насмешишь". А я вам желаю удачи! Оценить способности и эффективность СЖО вы сможете в следующей части. Дерзайте!

Клементенок Владимир aka ANTIHacker, ANTIHacker@mail2k.ru