Устройство водоблока

Устройство водоблока

Водяным охлаждением пользуются многие моддеры и простые компьютерные энтузиасты. Но понимаем ли мы, что на самом деле скрывается под слоем пластика и металла?

В одной из наших предыдущих статей мы уже рассмотрели плюсы и минусы водяного охлаждения, разобрались с общим принципом работы. Но как показывает практика, большинство людей не знают, какие конкретно физические процессы лежат в основе водяного охлаждения, и как их направить в нужное русло.

Ведущие мировые бренды, специализирующиеся на производстве компонентов для систем водяного охлаждения, располагают в своем ассортименте ряд эффективным и удачных водоболоков. Они зачастую имеют непохожий друг на друга дизайн и конструкцию. Так что же позволяет им работать столь производительно?

Но для начала нам следует разобраться в общих принципах работы водоблока. Итак, вроде бы все ясно, водоблок охлаждает процессор. Но на самом деле это утверждение является спорным. Попробуем перефразировать. Водоблок сохраняет тепловое равновесие между своей контактной поверхностью и теплораспределительной крышкой находящегося снизу чипа. И никакого охлаждения.

Все идентично воздушному охлаждению. Радиатор на самом деле не охлаждает комплектующие, он просто увеличивает площадь поверхности для отвода тепла. И с повышением массы металла, доля тепла, приходящаяся на одну молекулу, уменьшается. Поэтому создается иллюзия охлаждения. Настоящая задача охлаждения – отвести тепло от чипов и прочих греющихся частей компьютера. Будет ли переносчиком воздух или вода – не важно.

Казалось бы, охлаждает радиатор чип или отводит тепло, разницы нет. Но именно эта разница и создает необходимое восприятие роли водоболока. Все вышесказанное можно объединить в один тезис: цель водоблока – не охладить процессор, а обеспечить контакт с наибольшим количеством молекул воды.

Это истина может показаться элементарной. Но из нее можно выделить ряд следствий.

1). Больше - не значит лучше. Большой кусок меди может неплохо отводить тепло. Но у нас стоит другая задача – обеспечить максимально возможный теплообмен между металлом и водой. Представьте, что вдоль огромного радиатора проходит тонкая струя воды. Некоторая часть тепла будет передаваться, но большая часть металла потрачена просто зря.

2). Увеличение площади контакта. Для повышения теплообмена необходимо повысить площадь соприкосновения воды с металлом. Другими словами, требуется установка дополнительных ребер внутри водоблока, как и в воздушном охлаждении. Идея эффективной СВО, где вода быстро и беспрепятственно проходила бы по водоблоку, является простым мифом.

3). Сохранение теплового равновесия. Как известно, температуры распределительной крышки чипа и контактной поверхности водоблока различается. Также разнятся и температуры водоблока и воды внутри него. Это разница носит постоянный характер. Она вызвана тепловым сопротивлением. И чем ближе друг к другу температуры двух смежных сред, тем эффективнее охлаждение.

4). Положение имеет значение. Так как главная задача любого радиатора – отводить тепло, то он имеет более горячие и более холодные зоны. Место пиковой температуры находится прямо над процессором. Поэтому в этой точке следует сконцентрировать максимальную площадь контакта с водой.

Конечно, существует еще ряд принципов охлаждения, которые необходимо рассмотреть. Заглянем в учебник физики. Разберемся с ламинарным и турбулентным течением воды и познакомимся с главным врагом водяного охлаждения – граничным слоем.

Ламинарное или струйчатое течение – физическое свойство воды контактировать с поверхностью веществ. При ламинарном течении вода перемещается равномерно, без фактических изменений скорости и хаотичного движения молекул. При этом молекулы, находящиеся в граничном слое, движутся несколько медленнее по сравнению с внутренними.

Почему создаются само струйчатое течение? Возбужденные молекулы воды начинают двигаться быстрее. Они и образуют центральный слой. По мере охлаждения, молекулы начинают замедляться и переходить на периферийные слои. Промежуточные слои забирают тепло от центральных и охлаждаются от медленных боковых. Таким образом, поддерживается тепловое равновесие.

Итак, центровой слой воды более горяч и быстр. По мере остывания, молекула замедляется и передвигается к периферии. Этот пограничный слой сохраняется на всем пути следования воды. Он сглаживает поверхность, являясь одновременно и тепловым изолятором. Именно это свойство ламинарного течения уменьшает теплообмен воды с водоблоком, а значит, ухудшает охлаждение.

Ламинарное течение порождает еще одну беду – граничный слой. Внутренняя поверхность любого водоблока не является ровной: она усеяна множеством микроскопических ямок и углублений. Как мы уже выяснили, внешний слой ламинарного течения движется с наименьшей скоростью. Это позволяет молекулам воды забиваться в эти неровности, пока поверхность полностью не выровняется. Образовавшийся граничный слой действует наподобие теплового изолятора.

По мере нагревания засевших в ямках молекул воды, их энергия начинает возрастать. Это дает им шанс вылезти из этого заточения. Но процесс является настолько медленным, что его можно не учитывать. К тому же освободившиеся места тут же займут молекулы с меньшей энергией.

Настоящим спасителем является турбулентный слой. Он является противоположным ламинарному течению. Когда молекулы воды перемешиваются, они имеют достаточно энергии для преодоления соседних слоев.

Турбулентное течение образуется из ламинарного. Для этого необходимо только дополнительное усилие, которое разобьет слои воды. Иначе говоря, под действием некоторой силы молекулы воды уже не смогут удержаться в одном слое, что приведет к их перемешиванию. Такой эффект формирует искривленную траекторию движение. Именно поэтому во многих водоблоках имеются части в форме «S».

К чему вся эта сухая теория? Да к тому, что в области турбулентного слоя фиксируется максимальный теплообмен. Хаотично двигающиеся молекулы принимают больше тепла. По мере снижения их скорости, вновь начинает восстанавливаться ламинарный слой.

Теперь мы знаем гораздо больше о физике процессов внутри водоблока. Сам водоблок не должен иметь громадные размеры, необходимо просто максимально увеличить площадь контакта над самим чипом.

Еще одним условием успешного охлаждения является отсутствие граничного слоя. Поэтому при входе в водоблок вода должна иметь необходимую скорость для разрушения ламинарного течения. При этом температуру жидкости следует держать на достаточно низком уровне, чтобы принять тепло от водоблока.

В конце воде необходимо выйти из водоблока. Но лишь после того, как будет впитано максимальное количество тепла, которое вообще в таких условиях может перенести вода. Поэтому выход чаще всего располагается в дальнем углу водоблока. Так жидкость будет контактировать с максимальной поверхностью. К тому же в конце следует восстановить ламинарное течение, чтобы вода без препятствий и потери давления смогла добраться до радиатора, где уже будет охлаждена.

Как вы заметили, о крышке водоблока не было сказано ни слова. Это не упущение автора, просто особой роли в охлаждении она не играет. Верхняя часть крепится к основанию с использованием круглой прокладки, чтобы избежать протечки. Или же две части надежно свариваются. Верхнюю часть можно сделать из поликарбоната, акрила, меди, алюминия – все, что душе угодно. Но помните, если основание и крышка сделаны из двух разных металлов, то такое соединения подвержено повышенной коррозии.

Вот мы и получили описание отличного водоблока. Теперь, когда нам понятны силы, имеющие решающее значение в эффективности этого устройства. Поэтому на рынке существует несколько ведущих компаний по производству СВО: воплотить в реальности все законы теплообмена довольно трудно. В следующем выпуске статьей про СВО мы познакомимся с четырьмя лучшими водоблоками, рассмотрим их сильные и слабые стороны.

Обсуждение материала идет в нашей конференции.

4 самых производительных водоблока

В предыдущей статье про СВО мы рассмотрели все, что нужно знать для постройки производительного водоблока. Мы понимаем, что он делает, и понимаем, как он это делает. Мы также определили некоторые правила, которые необходимо применить при создании водоблока.

Но чистая теория ничего не стоит без прикрепленной практики. Так как бюджет даже самых заядлых компьютерных энтузиастов вполне ограничен, мы предлагаем взглянуть внутрь водоблока перед его покупкой.

Мы решили взять четыре самых производительных водоблока и рассмотреть их поближе. Они упорядочены в алфавитном порядке.

Aquacomputer Cuplex XT

Всем известно качество немецких инженерных изделий. И одним из его лучших примеров является водоблок Aquacomputer Cuplex XT. Модель XT является заменой очень популярной Cuplex Evo, которая имела малые размеры.

Хотя говорить о малых размерах несколько неправильно, ведь всем известно, что чем больше воды, тем больше тепла она сможет впитать. Но не каждый моддер хочет видеть трубки с диаметром сечения в полдюйма, к тому же построить низкопрофильный водоблок довольно сложно.

Сначала рассмотрим нижнюю половину водоблока. Она очень тонкая – медная пластина меньше сантиметра толщиной. Поверхность покрыта лесом небольших медных пик. Он позволяют воде свободно двигаться между ними в любом направлении. Пики сконцентрированы в центре водоблока, прямо над процессором. Периферийные участки имеют гладкую поверхность для свободного выхода воды.

Теперь обратим внимание на средний слой водоблока, находящийся под акриловой крышкой. Выходное отверстие находится слева. Поступает вода через сеть мелких сопел. Это позволяет создать дополнительную турбулентность в потоке. Отверстия поделены на два сектора для равномерного покрытия ребер водоблока.

Можете ли вы определить наиболее удачные решения в этом водоблоке? Сеть мелких сопел еще на входе создает турбулентный поток. Это отличает Aquacomputer Cuplex XT от многих других экземпляров. Но есть и слабые места. Так, площадь впускных отверстий можно было увеличить для повышения давления.

Danger Den TDX

Довольно немногие имена ассоциируются с СВО настолько сильно, насколько Danger Den. И этому есть свое объяснение. Уже в течение нескольких лет сумасшедший моддер из США конструирует водоблоки.

Самым популярным водоблоком в модельном ряде Danger Den сегодня является TDX. Одна из его модификаций MC-TDX предназначена для многоядерных процессоров.

Danger Den TDX имеет невероятно простой дизайн. В центре водоблока находятся пластины радиатора, именно там, где они действительно необходимы. TDX имеет довольно большую глубину. Это сделано для использования высокого давления.

Одной из особенностей водоблока является насадка на ребрах. Она позволяет максимально сконцентрировать входящий поток воды. Это не только повышает его скорость, но и окончательно разрушает ламинарное течение. Большая площадь гладкой боковой поверхности позволяет воде восстановить граничный слой и беспрепятственно выйти из водоблока.

Что можно изменить в Danger Den TDX? Ребра можно было сделать меньше по диаметру и выше. Это увеличило бы площадь контакта. Но если повышение теплоотдачи под вопросом, то цена такой модификации точно увеличится.

D-Tek FuZion

Один из самых интересных наборов СВО делают ребята из компании D-Tek. С 2001 года они не устают разрабатывать интересные идеи для своих будущих водоблоков. Но на практике дела обстоят не так радужно. Ранее выпускаемые модели едва ли отличались внушительной производительностью.

Нарушить сложившуюся традицию пытается D-Tek FuZion. На сегодняшний день многие компьютерные энтузиасты считают его самым эффективным предложением на рынке. Для того чтобы понять причины высокой производительности водоблока, заглянем внутрь.

Как и Aquacomputer Cuplex XT, он имеет трехуровневую структуру. Верхняя крышка имеет только отверстия впуска и выпуска, так что остановимся сразу на двух нижних слоях.

Медная пластина толщиной менее одного сантиметра усыпана мелкими выступами в центре. Поток воды входит прямо по центру, проходит через ребра и выталкивается к углам. Там уже находятся небольшие медные ребра, расположенные вдоль направления течения воды. Это создает дополнительную площадь контакта, не снижая скорость потока.

Стоит отметить, что средняя секция водоблока сделана из полиформальдегида, так что тепло от воды не впитывается обратно в водоблок при выходе, а полностью переносится дальше.

Можно ли сделать самый производительный водоблок еще лучше? Впрочем, все вещи можно сделать лучше. В данном случае входная струя имеет ламинарное течение. Можно установить насадку для создания дополнительной турбулентности.

EK Supreme

Продукция EK сравнительно недавно появилась на рынке, но уже успела сделать свое имя узнаваемым благодаря серии быстропоточных водоблоков. Последнее поколение Supreme имеет наиболее необычный дизайн среди всех рассмотренных моделей. Перпендикулярные линии ребер водоблока и отверстий входного канала выглядят немного парадоксально. Но это работает.

Основа водоблока довольно проста – только 49 длинных медных параллельных ребер. Площадь контакта доведена до максимума. Непрерывность ребер означает, что вода пройдет вдоль всей их длины. Это создает много контакта, но и много граничного слоя.

Как бы то ни было, необычная средняя секция делает свое дело. Семь длинных отверстий расположены перпендикулярно ребрам внутри водоблока. Их длина рассчитана так, чтобы все желобки были заполнены.

По краям внутренней поверхности водоблок гладок. Это сделано для воссоздания ламинарного течения.

Единственной проблемой является все-таки именно это ламинарное течение. Ребра имеют довольно большую длину, так что высокая турбулентность сохраняется только под входящими отверстиями. Они расположены прямо по центру, над самой горячей точкой процессора, что позволяет снять значительную часть тепла.

Теперь, когда мы рассмотрели лучшие мировые водоблоки, мы можем точно сказать: теория нашла воплощение в практике. И хотя каждый экземпляр имеет как сильные, так и слабые стороны, в каждом из них применены знания физики и термодинамики.

Впрочем, можно взяться за создание собственного водоблока. Если подойти к делу с ответственностью, то у любого моддера получится собрать медный водоблок, эффективность которого не будет сильно уступать рассмотренным выше. По крайней мере, вполне реально добиться разницы в 3-5 градусов. Все что для этого нужно – медь, руки и набор необходимых инструментов.

Обсудить статью можно на нашем форуме.