Конструируем систему охлаждения компьютера

Конструируем  систему охлаждения компьютера

 

О чём эта статья

Эта статья обобщает опыт автора по конструированию эффективных  и малошумящих систем воздушного охлаждения компьютеров. Рассматриваются  основные принципы построения системы охлаждения, приведены результаты некоторых исследований в этой области и множество практических рекомендаций. Используя приведённые здесь материалы, вы сможете сконструировать систему охлаждения под собственные нужды, исходя из ваших потребностей и возможностей.

Введение

Ни для кого не секрет, что высокое быстродействие современных  компьютеров имеет свою цену: они  потребляют огромную мощность, которая  рассеивается в виде тепла. Основные числодробилки — центральный  процессор, графический процессор  — требуют собственных систем охлаждения; прошли те времена, когда  эти микросхемы довольствовались маленьким  радиатором. Новый системный блок оборудуется несколькими вентиляторами: как минимум один в блоке питания, один охлаждает процессор, мало-мальски  серьёзная видеокарта комплектуется своим вентилятором. Несколько вентиляторов установлены в корпусе компьютера, встречаются даже материнские платы с активным охлаждением микросхем чипсета. 30°C, 40°C, 50°C, 60°C… Мы привыкаем к всё более высоким температурам процессора, чипа видеокарты и других компонентов компьютера. Некоторые современные жёсткие диски также разогреваются до заметных температур.

Большинство компьютеров  оборудуется охлаждением по принципу минимизации стоимости: устанавливается  один, два шумных корпусных вентилятора, процессор оборудуется штатной  системой охлаждения. Такой подход имеет право на жизнь: охлаждение получается достаточным, дешёвым, но очень  шумным. Как сохранить эффективность, снизив при этом уровень шума?

Существует другая крайность  — сложные технические решения: жидкостное (обычно водяное) охлаждение, фреоновое охлаждение, специальный алюминиевый корпус компьютера, который рассеивает тепло по всей своей поверхности (по сути, работает как радиатор). Для некоторых задач такие решения использовать необходимо: например, для студии звукозаписи, где компьютер должен быть полностью бесшумен. Для обычного домашнего и офисного применения такие специализированные системы чересчур дороги: их цены начинаются от сотни долларов и выше. Подобные варианты на сегодня весьма экзотичны, и в рамках этой статьи рассматриваться не будут: ограничимся классическими схемами воздушного охлаждения.

 

 

Общие принципы

Попробуем разобраться в  процессах, которые происходят при  охлаждении. Понимая, что творится внутри системного блока, мы сможем грамотно выбрать стратегию модификации  системы охлаждения.

Физика охлаждения

Все системы охлаждения используют общий принцип действия: перенос  тепла от более горячего тела (охлаждаемого объекта) к менее горячему (системе  охлаждения). При постоянном нагреве  охлаждаемого объекта, рано или поздно прогреется также и система охлаждения, температура её сравняется с температурой охлаждаемого объекта, передача тепла  прекратится — это вызовет  перегрев. Чтобы этого не случилось, необходимо организовать подвод некоего  холодного вещества, способного охлаждать  саму систему охлаждения. Такое вещество принято называть хладагентом (теплоносителем). В статье рассматриваются воздушные системы охлаждения, то есть, хладагентом выступает воздух. Будем считать, что вокруг компьютера есть неограниченный запас холодного воздуха: это предположение справедливо, если объём комнаты, в которой установлен один или несколько компьютеров, достаточно велик — воздух в комнате не нагревается существенно при помощи компьютеров. Типичная комната в жилом доме или офисе вполне удовлетворяет этим требованиям. 
Внимание! Это предположение будет неверным при проектировании охлаждения серверной комнаты: большое количество техники, собранной в небольшом объёме, требует дополнительной принудительной вентиляции.

Существует несколько  механизмов переноса тепла. Первый: теплопроводность, способность вещества проводить  тепло внутри своего объёма; в этом случае нужно только создать физический контакт некоторого объёма вещества с охлаждаемым объектом. Из доступных  веществ наилучшей теплопроводностью  обладают металлы, радиаторы и теплообменники систем охлаждения как раз из них  и изготавливаются. Среди металлов лучше всех проводит тепло серебро, из менее дорогих — медь, затем  алюминий; как правило, именно поэтому  медные радиаторы имеют бoльшую эффективность, чем алюминиевые. Воздух, кстати, имеет очень невысокую теплопроводность (благодаря этому оконные пакеты в наших домах сохраняют тепло). Второй механизм: конвективный теплообмен с хладагентом, связан с физическим переносом охлаждающего вещества; для эффективного охлаждения нужно организовать свободную циркуляцию воздуха. Категорически не рекомендуется устанавливать компьютер в глухой, закрытый ящик стола; также плохо, если компьютер установлен рядом с радиатором отопления. Третий механизм: тепловое излучение, его величина пренебрежимо мала в рассматриваемых процессах.

Для организации переноса тепла к хладагенту необходимо организовать тепловой контакт системы охлаждения с воздухом. Для этого конструируют различные радиаторы (англ.: heatsink). Очевидно, чем больше площадь теплового контакта, тем интенсивнее передаётся тепло. Используют два метода увеличения площади радиатора. Первый: увеличение площади рёбер при сохранении размера радиатора; оребрение получается более густым, сами рёбра — более тонкими. Теплообмен в таком радиаторе улучшается, но растёт его гидравлическое сопротивление: необходимо создать бóльшее давление, чтобы прокачать через радиатор заданный объём воздуха. Второй метод: увеличение геометрических размеров радиатора, что позволяет вовлечь в процесс теплообмена бóльший объём воздуха, также снижается гидравлическое сопротивление радиатора. Таким образом, предпочтительными оказываются радиаторы больших размеров.

Обратная сторона  медали: стоимость и шум

Казалось бы, исходя из всего  сказанного выше, следует простой  вывод: нужно взять радиаторы  больше, да организовать поток воздуха  мощнее —  и вся наука! Однако есть ещё два важных фактора: стоимость системы охлаждения и шум, который она создаёт при работе. Стоимость систем охлаждения растёт с ростом размера используемых радиаторов: повышается металлоёмкость и сложность обработки. Из-за бoльшей стоимости, медные радиаторы используются гораздо реже, чем алюминиевые. В недорогих компьютерах обычно устанавливаются один-два дешёвых вентилятора, работающих на высокой скорости. Они справляются с охлаждением, но создают много шума; а ведь малошумностью определяется комфорт пользователя.

Таким образом, перед нами встаёт задача сконструировать систему охлаждения достаточной эффективности, при этом минимизировать шум от её работы и стоимость.

Охлаждение процессоров  и видеокарт

Центральный процессор и  графический процессор — самые  мощные источники тепла внутри современного компьютера. Разработано множество  различных конструкций систем охлаждения для этих компонент, разнообразие конструкторских  решений поражает воображение. Классификация, описание и сравнение этих кулеров выходят за рамки этой статьи: обратитесь к соответствующим разделам популярных сайтов компьютерной тематики: iXBT.com, Overclockers.ru и другим. Ограничимся общими рекомендациями.

Как правило, существенным ограничивающим фактором при выборе кулера для процессора и видеокарты, является размер бюджета: высокоэффективные и тихие системы охлаждения весьма недёшевы. Из сказанного в разделе о принципах охлаждения следует, что лучше использовать системы охлаждения с максимально большими радиаторами, желательно медными. В силу дороговизны меди, часто применяют комбинированную схему: медный сердечник, впрессованный в алюминиевый радиатор; медь помогает более эффективно распределять тепло. Лучше использовать низкоскоростные вентиляторы системы охлаждения: они работают тише. Чтобы сохранить приемлемую производительность, применяют вентиляторы большого типоразмера (вплоть до o120 мм). Так, например, выглядит процессорный кулер Zalman CNPS7700-AlCu:

Часто для построения большого радиатора используют тепловые трубки (англ.: heat pipe) — герметично запаянные и специальным образом устроенные металлические трубки (обычно медные). Они очень эффективно переносят тепло от одного своего конца к другому: таким образом, даже самые дальние рёбра большого радиатора эффективно работают в охлаждении. Так, например, устроен популярный кулер Scythe Ninja:

Для охлаждения современных  производительных графических процессоров  применяют те же методы: большие  радиаторы, медные сердечники систем охлаждения или полностью медные радиаторы, тепловые трубки для переноса тепла  к дополнительным радиаторам:

Рекомендации по выбору здесь  такие же: использовать медленные  и крупноразмерные вентиляторы, максимально большие радиаторы. Так, например, выглядят популярные системы  охлаждения видеокарт Zalman VF700 и Zalman VF900:

Обычно вентиляторы систем охлаждения видеокарт лишь перемешивали воздух внутри системного блока, что  не очень эффективно, с точки зрения охлаждения всего компьютера. Лишь совсем недавно для охлаждения видеокарт стали применять системы охлаждения, которые выносят горячий воздух за пределы корпуса: первыми стали Arctic Cooling Silencer и, схожая конструкция, IceQ от бренда HIS:

Подобные системы охлаждения устанавливаются на самые мощные современные видеокарты (nVidia GeForce 8800, ATI x1800XT и старше). Такая конструкция зачастую более оправдана, с точки зрения правильной организации воздушных потоков внутри корпуса компьютера, чем традиционные схемы.

Организация воздушных  потоков

Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров  среди прочего регламентируют и  способ построения системы охлаждения. Начиная ещё с систем на базе Intel Pentium II, выпуск которых был начат в 1997 году, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку):

Интересующихся подробностями отсылаю к последним версиям стандарта ATX.

Как минимум один вентилятор установлен в блоке питания компьютера (многие современные модели имеют  два вентилятора, что позволяет  существенно снизить скорость вращения каждого из них, а, значит, и шум  при работе). В любом месте внутри корпуса компьютера можно устанавливать  дополнительные вентиляторы для  усиления потоков воздуха. Обязательно  нужно следовать правилу: на передней и левой боковой стенке воздух нагнетается внутрь корпуса, на задней стенке горячий воздух выбрасывается наружу. Также нужно проконтролировать, чтобы поток горячего воздуха от задней стенки компьютера не попадал напрямик в воздухозабор на левой стенке компьютера (такое случается при определённых положениях системного блока относительно стен комнаты и мебели). Какие вентиляторы устанавливать, зависит в первую очередь от наличия соответствующих креплений в стенках корпуса. Шум вентилятора главным образом определяется скоростью его вращения (см. раздел Уровень шума вентиляторов), поэтому рекомендуется использовать медленные (тихие) модели вентиляторов. При равных установочных размерах и скорости вращения, вентиляторы на задней стенке корпуса субъективно шумят несколько меньше передних: во-первых, они находятся дальше от пользователя, во-вторых, сзади корпуса расположены почти прозрачные решётки, в то время как спереди — различные декоративные элементы. Часто шум создаётся вследствие огибания элементов передней панели воздушным потоком: если переносимый объём воздушного потока превышает некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум (он напоминает шипение пылесоса, но гораздо тише).

Выбор компьютерного  корпуса

Практически подавляющее  большинство корпусов для компьютеров, представленных сегодня на рынке, соответствуют  одной из версий стандарта ATX, в том  числе и по части охлаждения. Самые  дешёвые корпуса не комплектуются  ни блоком питания, ни дополнительными  приспособлениями. Более дорогие  корпуса оснащаются вентиляторами  для охлаждения корпуса, реже — переходниками  для подключения вентиляторов различными способами; иногда даже специальным  контроллером, оснащённым термодатчиками, который позволяет плавно регулировать скорость вращения одного или нескольких вентиляторов в зависимости от температуры основных узлов (см. напр. Обзоры корпусов на сайте iXBT). Блок питания включается в комплект не всегда: многие покупатели предпочитают выбирать БП самостоятельно. Из прочих вариантов дополнительного оснащения стоит отметить специальные крепления боковых стенок, жёстких дисков, оптических приводов, карт расширения, которые позволяют собирать компьютер без отвёртки; пылевые фильтры, препятствующие попаданию грязи внутрь компьютера через вентиляционные отверстия; различные патрубки для направления воздушных потоков внутри корпуса.

Исследуем вентилятор

Для переноса воздуха в  системах охлаждения используют вентиляторы (англ.: fan).

Устройство вентилятора

Вентилятор состоит из корпуса (обычно в виде рамки), электродвигателя и крыльчатки, закреплённой при помощи подшипников на одной оси с  двигателем:

От типа установленных  подшипников зависит надёжность вентилятора. Производители заявляют такое типичное время наработки  на отказ (количество лет получено из расчёта круглосуточной работы):

Тип подшипника	Время наработки  на отказ
	часов	лет
Подшипник скольжения  (sleeve bearing)	10 000	1
Один подшипник скольжения, один подшипник качения  (ball bearing)	20 000	2
Два подшипника качения —  на фото сверху  (2 ball bearing)	30 000	3
Гидродинамический подшипник	60 000 и больше	6

С учётом морального старения компьютерной техники (для домашнего  и офисного применения это 2-3 года), вентиляторы с шарикоподшипниками можно считать «вечными»: срок их работы не меньше типового срока работы компьютера. Для более серьёзных  применений, где компьютер должен работать круглосуточно много лет, стоит подобрать более надёжные вентиляторы.