VODNÉ CHLADENIE od Martina (SOČ práca) 1.časť

Martin mi zaslal vlastnú SOČ prácu, ktorá sa týka vodného chladenia. Nebudem veľa písať - načítate sa  v článku o vodnom chladení pomerne dosť od A po Z.  Meno autora:Martin Tichov, Konzultant:Ing. Anton Hrčka,Škola:SPŠE Piešťany Marec 2003

Úvod

Neodmysliteľnou súčasťou procesorovej technológie a nutnou požiadavkou dnešných vysokovýkonných procesorov  je zabezpečiť odvod tepla z ich povrchu. Účinné chladenie umožňuje využiť maximálny výkon procesora a tým aj výkonnosť počítača .

Nejde  len o chladenie samotného procesoru, ale aj chladenie grafickej karty, zdroju, pamätí, diskov a chipsetov. Pre procesory rady 286, 386 to boli pasívne chladiče - hlinníkové rebrá prilepené k procesoru, ktoré postačovali tepelnému výkonu týchto CPU. Procesory rady 486 a vyššie vyžadujú účinnejšie chladenie. Na pasívny chladič sa pripevnil ventilátor, ktorý prúdom vzduchu ochladzuje povrch chladiča. S rozvojom nových technológií rástli a rastú pracovné frekvencie procesorov. Rast výkonosti má za následok aj nárast teplotných pomerov procesora  a tým súvisiaca potreba lepšieho odvodu tepla. Na základných doskách sa začali objavovať masívne chladiace bloky tvorené kombináciou ventilátora a pasívneho chladiča. Dôležitosť chladenia a sledovanie teploty procesora je viditeľná aj zavedením senzorov  na meranie teploty procesoru doplnené regulátorom otáčok ventilátora.   Medzi najväčších výrobcov procesorov patria firmy Intel a AMD. Intel procesory majú menší tepelný výkon ako procesory AMD, čiže sa aj ľahšie chladia. Výhodou Intel-u je tzv.- tepelná poistka, ktorá pri kritickej teplote CPU spôsobí automatické zníženie taktovacej frekvencie procesoru , čím sa zníži jeho teplota a zároveň zabráni jeho zničeniu. Popri už uvedenej, štandartnej  metóde chladenia procesorov som sa rozhodol pre realizáciu málo známenho, ale určite zaujímavého spôsobu - pomocou vodného chladiča. Jeho účinnosť je oveľa vyššia ako u aktívnych chladičov a nespornou výhodou je aj nízka hlučnosť. Na trhu sa začína objavovať čoraz  viac firiem ponúkajúcich tento typ chladenia, no zatiaľ je tento spôsob chladenia finančne náročný, na Slovensku len s ťažkosťami dostupný a v menšej miere aj rizikový . Ide tu totiž o odvekých nepriateľov: vodu a elektrický prúd. Nižšou teplotou procesoru a ostatných častí PC sa dá zvýšiť výkon až o niekoľko  desiatok percent. Ku svojmu vodnému chladeniu som pridal Peltierov článok, pre zvýšenie účinnosti chladenia.

 

Vodné chladenie

Vodné chladenie sa skladá z týchto častí:

 

1.)    Vodný chladič - je to hranol z medi, v ktorom vo vyfrézovných     

drážkach prúdi voda a odoberá vyprodukované teplo z CPU a  Peltierovho článku

2.)    Peltierov článok – jeho úlohou je vyprodukovať teplotu nižšiu, ako je teplota oklia 

3.)    Čerpadlo - je to srdce celého chladenia

4.)    Tepelný výmenník (radiátor) - v ňom ohriata voda odovzdáva teplo, ktoré odobrala z vodného chladiča. Pre lepšie ochladzovanie vody je na ňom pripevnený ventilátor

5.)    Uchytenie chladiča k základnej doske- zahŕňa stručný návod na zhotovenie ukotvovacieho mechanizmu

6.)    Ostatné časti celého obvodu - sem patria hadičky, spoje a  teplovodivá pasta

 

Princíp činnosti chladiacej sústavy

Kaskáda vodného chladiča:  

                                                                                     

     1.     Neoprénová izolácia

Peltierov článok totiž dokáže vyprodukovať teplotu nižšiu ako je teplota okolia a na studenej doštičke peltiera by mohlo dochádzať ku kondenzácii vody. Izolovaním peltierovho článku od okolitého vzduchu zamedzíme možnej kondenzácii vody.

2.     Socket 478 – pätica procesora

3.     CPU

4.     Peltierov článok

5.     Vodný chladič

 

 Na obrázku je znázornený bočný pohľad na chladiacu sústavu. Medzi jeho jednotlivými časťami – procesorom(3), peltierom(4), vodným chladičom(5) je z dôvodu lepšej tepelnej vodivosti použitá teplovodivá pasta. Srdcom celého chladiaceho obvodu je čerpadlo, zabezpečujúce cirkuláciu chladiaceho média celou chladiacou sústavou. Asi najdôležitejšia časť obvodu je tepelný výmenník, tzv.- radiator, ochladzovaný ventilátorom pre lepší odvod tepla. Chladiaca vodná sústava reprezentovaná výmenníkom tepla, vodným chladičom a nádržkami s čerpadlom je pospájaná akvaristickými hadičkami. Ako chladiaca kvapalina je použitá demineralizovaná voda.

Vodný chladič

 

Vodný chladič zohráva v celom obvode najdôležitejšiu úlohu. Absorbuje teplo vyžarované z CPU a z peltiera. Preto je nutné aby mal materiál, z ktorého bude chladič vyrobený čo najlepšiu tepelnú vodivosť. Rozhodoval som sa medzi troma druhmi kovov: striebro, meď a mosadz. Na porovnanie tepelnej vodivosti jednotlivých kovov  uvádzam nasledujúcu tabuľku.

 

 

Veľmi ma lákala možnosť strieborného chladiča no v pomere cena/ tep. vodivosť zvíťazila meď. Ale ako som zistil, nájsť taký kus medi nebude asi ľahké. Po viacerých neúspechoch som chcel chladič vyrobiť z mosadze, pretože je ľahšie dostupná ako meď. Po dlhom hľadaní v zberných surovinách a po rôznych elektro výrobniach sa mi nakoniec podarilo kúpiť medený hranol o rozmeroch 100x 100x 10 mm. Pre dokonalý odvod tepla vodou som do požadovaného hranolu  dal vyfrézovať kanálik v tvare hada(obr. 1). Veľmi dôležitá je rovnosť plochy, ktorá sa bude dotýkať peltieru.

1.  2.

Veko chladiča ( obr. 2) je vyrobené z ocele, nakoľko nie je potrebné odoberať teplo aj z vrchnej časti. Sú v ňom navŕtané 2 driery pre vstup a výstup chladiaceho média, v ktorých je narezaný závit pre uchytenie priechodiek. Ako materiál pre priechodky som použil mosadznú tyčku. Z nej som vysústružil trubky, na ktoré som narezal požadovaný závit. Závit som natrel silikónovým lepidlom, ktoré má zabrániť priesaku vody von z chladiča.  Ďalšia veľmi dôležitá vec je vodotesnosť. Na veko som prilepil  tesniacu gumu, ktorá vypĺňa všetky nerovnosti na hranách chladiča (obr. 3). Celé veko je k chladiču priskrutkované 4 skrutkami. Hotový chladič v celej svojej kráse je  na obrázku č. 4. Po dotiahnutí všetkých skrutiek a kontrole celého chladiča som ho pripojil k čerpadlu. Aby som sa uistil, že je vodotesný, nechal som ho položený na papieri a zapnutý 1 deň. Mal som obavy z pretekania vody z chladiča a chcel som ho ešte v spojoch zaliať silikónovým lepidlom, no pre dokonalú tesnosť som od tohoto kroku upustil.

3.    4. Peltierov článok

Francúzsky fyzik Peltier sa už v roku 1834 zamýšľal nad známym Seebeckovým javom. Ak sú dva vodiče z rôznych kovov spojené do uzavretého obvodu a majú rôznu teplotu, vzniká v obvode elektrický prúd. Takému spojeniu sa hovorí Seebeckov  obvod. Peltier zistil, že tento jav sa dá využiť aj obrátene. Pokiaľ sa teda privedie jednosmerný prúd do Seebeckovho obvodu, vzniká teplotný rozdiel medzi spojmi. Na tomto objave bol založený Peltierov článok. Ten je vytvorený z dvoch teliesok a elektrického mostíku. Ako polovodiče sa používajú špeciálne materiály (vizmut- telluridy), ktoré majú vhodné termoelektrické vlastnosti, hlavne nízky merný odpor a malú tepelnú vodivosť. Pre spojovacie články sa používa meď s malým elektrickým odporom. Spojením viacerých takýchto článkov vznikne termobatéria. Jednotlivé termočlánky sú za sebou a sú umiestnené medzi keramické doštičky s dobrou tepelnou vodivosťou. Keramické doštičky zároveň slúžia ako elektrická izolácia. Privedením jednosmerného prúdu na výstupy termobatérie sa jedna ohrieva a druhá ochladzuje. Pokiaľ má termobatéria pracovať ako tepelné čerpadlo, je treba zaistiť čo najlepšie odvádzanie tepla z horúcej doštičky. Privedený prúd sa teda premení na tepelnú energiu a tá sa musí odviesť spolu s teplom odčerpaným z ochladzovanej doštičky. Určitou nevýhodou sú teda zvýšené nároky na chladenie systému. Naproti tomu je ale možné na ochladzovanej strane získať teplotu nižšiu ako je teplota okolia.

Schéma termobatérie zložená z Peltierových článkov

Pri výbere peltieru je dôležitý jeho výkon. Ten by mal byť vyšší ako tepelný výkon procesoru. Preto som navštívil zopár overclockerských stránok a na jednej z nich som našiel tabuľku č.1 , ktorá je zrejme staršia, pretože v nej nie sú uvedené novšie typy procesorov. V tabuľke sú staršie procesory Pentium 4, s jadrom Willamette- vyrábané 0,18m technológiou. Je teda jasné, že Pentiá na jadre Northwood(0,13m), budú mať pri týchto frekvenciách tepelný výkon nižší, pretože majú aj nižšie Ucc(1,520V). V mojom prípade bol použitý procesor  Intel Pentium 4 na frekvencii 2,4 GHz- Northwood. 

 

 

Tabuľka č.1

Predpokladaný tepelný výkon bude okolo 100W. Najväčšia firma, zaoberajúca sa chladením CPU a všetkého príslušenstva je TITAN. Zistil som si, že ponúkajú aj peltierove články, o rôznom výkone. Pre mňa bol najzaujímavejší typ TITAN DESTECH TEC1-127120-50. Jeho napájanie je Umax = 15,4V; Imax= 12A; Qcmax= 113W. Prúd je síce dosť vysoký, no pri terajších výkonoch pc zdrojov, by to nemal byť problém. K peltieru bol priložený aj tento graf. Tc je teplota na studenej strane peltieru a Th je teplota na horúcej strane. Z toho vyplýva, že v prípade, ak môj peltier má výkon 120W a teplotu horúcej strany  má 27°C, na studenej strane by mal vyprodukovať -33°C. Čím lepšie je odvádzané teplo z horúcej strany, tým nižšia je teplota na studenej strane.

Pri teste som na studenej strane nezaťaženého peltieru nameral približne - 12 °C. Horúca strana bola chladená vodným chladičom, no táto teplota nebola určite minimum, pretože peltier bol k chladiču prichytený gumičkami a nebola použitá teplovodivá pasta. Táto hodnota je teda približná hodnote z grafu.

 

Čerpadlo

Kritériá pre výber čerpadla by mali byť približne nasledujúce. Za prvé by čerpadlo malo byť čo najtichšie, pretože nie každý rád pracuje a premýšľa v strojovni s klapkami na ušiach. Za druhé by čerpadlo malo mať dostatočný prietok a tým pádom i obehový výkon, aby voda prúdila čo najrýchlejšie. Nie nepodstatné je aj napájanie (najlepšie 220 V) , príkon (okolo 5W) a výstupný otvor z čerpadla (asi 10 mm). Pri výbere čerpadla by som poznamenal iba  to, že niektoré lacnejšie typy majú problém vytlačiť vodu do výšky, ktorá je uvedená. Preto je dobré nádobku s vodou umiestniť nad počítač, aby objem vody nad čerpadlom bol čo najmenší. Akonáhle sa celý okruh naplní vodou, potom je to už bez problémov. Obišiel som niekoľko obchodov pre akvaristov a zistil, ktoré typy se dajú použiť. Prehľad je v nasledujúcej tabuľke.

 

Použil som čerpadlo Micra (obr. 5), ktoré má regulovateľný prietok 50- 400l/ hod. Čerpadlo je umiestnené v plastovej nádobe, ktorá sa používa na odkladanie potravín. Pre lepšiu manipuláciu som si vyrobil z medenej trubky tzv.- priechodky(obr. 6), ktoré som osadil do veka nádoby. Čerpadlo bude spínané 12V relé, ktoré je napájané z počítača. Schéma zapojenia je na obrázku č. 7.

5. 6.

 Obrázok   č. 7

Tepelný výmenník (radiátor)

Tepelný výmenník je dôležitá súčiastka chladiacej sústavy. Väčší výmenník znamená lepšie chladenie, ale na druhej strane nastáva problém s jeho umiestnením. Kompromisom z hladiska velkosti i dostupnosti bolo použitie chladiča z automobilu (obr. 8). Je vyrobený z mosadze a hliníku. V radiátore musí voda odovzdať čo najviac tepla okolitému vzduchu, ktoré odobrala z chladiču a peltieru. Pre lepšiu účinnosť som na radiátor pripevnil 3 ks 80 mm ventilátorov, ktoré prúdením vzduchu ochladzujú rebrá radiátora. Voda tu odovzdá približne 5°C. V prípade, že by som nepoužil ventilátory, ohriaty vzduch by sa hromadil medzi rebrami radiátor, čo by malo za následok zvýšenie teploty vody.  

Pokračovanie v II. časti