Разгон системы водяного охлаждения до системы фазового перехода

22 июня 2005, среда 01:39

Эта работа была прислана на наш "бессрочный" конкурс статей и автор получил награду – фирменную футболку сайта и материнскую плату Asus A8V Deluxe Wireless Edition.


Важно: данная статья не является прямой инструкцией к действию. Автор не несет никакой ответственности за повреждения, нанесенные вашему оборудованию, или вред здоровью.

Предисловие

Прошло уже более полугода с момента начала эксплуатации самодельного корпуса, напоминающего Zalman TNN 500, который радовал тишиной и достаточно высокой эффективностью. Но температура процессора при нагрузке всегда была около 50 градусов, что мешало дополнительному разгону.

Рассматривалось несколько способов снижения температуры:

1. Самый дешевый – подключиться к системе центрального водоснабжения, температура водоблока составит примерно +10...+15 градусов. Недостатки данного решения очевидны – зависимость от наличия воды, монтаж труб или шлангов по квартире, счетчики и т. д.

2. Вынести охлаждающий жидкость радиатор в окно. Тоже дешево, окно практически всегда есть в комнате с компьютером, тихо, но... Отрицательную или хотя бы близкую к нулю температуру можно получить только в зимнее время и в тех местах, где зима холодная. Может потребоваться теплоизоляция шланга и водоблоков для предотвращения образования конденсата.

3. Модуль Пельтье. Достаточно дорогое решение. С его помощью можно охладить видеокарту или не очень мощный процессор до минусовых температур. Но данный способ имеет множество недостатков: во-первых, сами модули очень дорогие, да найти их проблематично; во-вторых, нужен очень мощный блок питания; в-третьих, для отвода тепла с горячей стороны модулей потребуются высокоэффективные водоблоки. Про количество потребляемой электроэнергии и подумать страшно.





Есть еще несколько вариантов получения низких температур (жидкий азот, каскадная фреонка), но они годятся только для установления рекордов, и использование данных систем для повседневной работы неразумно.

Цель данной статьи – рассмотреть достаточно простую в изготовлении систему фазового перехода (фреонку) с двумя испарителями, для создания которой не потребуются услуги фрезеровщика и дорогие инструменты. Предполагается круглосуточная работа системы.

Итак, первое, что нужно сделать, перед тем как начать строительство фреонки, – прочитать как можно больше теоретического материала. Обязательны для прочтения две статьи автора Sladky (Охлаждение. Системы фазового перехода, Системы фазового перехода. Практика), а также ветка в конференции. Далее нужно определиться с количеством испарителей и мощностью, которую они должны отвести при определенной температуре, – от этого зависит применение того или иного компрессора. В моем случае будет использован компрессор Embraco Aspera NE2125E под фреон R22.

Испаритель

Испаритель – это наиболее сложный в изготовлении компонент для фреонки. В идеале он вытачивается из цельного медного бруска при помощи станка. Но у меня, как и у многих других, нет возможности добыть брусок меди и обработать его на станке. Остается вариант изготовления испарителя из легкодоступных материалов. Для испарителя на центральный процессор пришлось применить медную вставку от старого кулера диаметром 53 мм и толщиной 6 мм, медную полоску длиной примерно 40 см, шириной 16 мм и толщиной 1 мм. Непосредственно медную полоску найти сложно, но ее можно отрезать от медного листа или изготовить из медной трубки, распилив ее вдоль.

Крышка имеет размер 55 x 55 мм со спиленными углами, толщина также 1 мм.

Скрученная в спираль медная полоска припаивается к основанию.





Паять удобнее всего на максимально разогретой электрической плите – это сократит время разогрева. Что касается газовой горелки, то для данных работ покупать очень дорогую горелку с MAPP газом вовсе не обязательно, подойдет что-то вроде изображенной ниже на фото:

В качестве припоя годятся медно-фосфорные или медно-серебряные прутки. Лучше паять медно-серебряным (15% серебра) припоем.

После того как полоска тщательно припаяна к основанию, нужно для более плотного прилегания крышки обработать верхнюю кромку полоски напильником.

Чтобы плотно припаять крышку, нужно обе детали хорошо залудить, затем положить крышку на заготовку, еще раз прогреть до точки плавления припоя, прижать крышку к основанию и пропаять все швы еще раз. Кажется, что сложно, но на изготовление одного испарителя ушло немногим более часа.

В качестве отсасывающей фреон трубки была применена медная трубка длиной 80 см и толщиной 0.8 см, которая шла от испарителя к компрессору. Капиллярная трубка была припаяна к отдельному патрубку в центре испарителя.





Испаритель для видеокарты паялся аналогичным образом, но вместо медной вставки от кулера я применил медную пластинку толщиной 1 мм и трубки сделал сбоку. Это позволит не занимать несколько PCI слотов. В случае изготовления испарителей для двух видеокарт (SLI) данная конструкция полностью оправдает себя. На фото изделие получилось немного страшноватое :), но морозит оно хорошо, а под слоем теплоизоляции ничего не видно.

(В рамках этой статьи испаритель для видеокарты использоваться не будет, причина описана ниже.)

Конденсатор. Фильтры

Не зря я упомянул в начале статьи про свой корпус, отдаленно напоминающий Zalman TNN 500. Почему бы не использовать его в качестве конденсатора и корпуса одновременно? Компрессор по размерам подходит. Первое, на что я обратил внимание, – медная труба будущего конденсатора внутри была покрыта ржавчиной (вот лень было мне налить тосол). Попытался отмыть – не получается, различные бытовые химикаты для удаления ржавчины также не помогают. Пришлось трубку заменить, внепланово ушли 500 руб. и день работы.

Для каждого испарителя используется свой конденсатор, т. е. стенка корпуса.





Фильтр устанавливается на линии прямого потока после конденсатора. В данной конструкции используется два фильтра: один для испарителя на процессор, другой для испарителя видеокарты. Уже от них идет капиллярная трубка к испарителям. Длина 10 и 12 м соответственно, внутренний диаметр 1.07 мм. Для лучшего стекания фреона фильтр должен находиться под наклоном (как на фото).

Манометры

В продаже имеются как готовые манометрические станции, так и отдельно манометры для высокого и низкого давления. Последний вариант предпочтительнее по цене. К системе манометры можно подключить при помощи двух отрезков капиллярной трубки. Один конец нужно припаять к манометру обычным легкоплавким припоем (только нужно не перегреть манометр, т. к. внутри он тоже спаян легкоплавким припоем), другой конец вставить в отверстие, просверленное в трубке соответствующей линии системы, и запаять.

Установка компрессора. Окончательная сборка

Во время работы компрессор нагревается, и его необходимо охлаждать. Для этого в дне корпуса было просверлено множество отверстий для поступления воздуха, а также четыре отверстия для болтов, на которые будет установлен компрессор.

К установленному компрессору припаиваются трубки от конденсатора, испарителей и клапан Шредера для заправки системы.

Заправка

Сколько и как нужно заправлять? Пожалуй, это второй по частоте вопрос, возникающий при создании фреонки (самый популярный – "А как бороться с конденсатом?"). Не имея ни второго компрессора, ни вакуумного насоса, придется жертвовать фреоном, благо 22-й не слишком дорогой и баллон немаленький. Заправить и стравить придется несколько раз. Первый раз нужно заправить примерно до 2 атм., включить секунд на 10 компрессор, затем стравить фреон. Так повторить несколько раз, увеличивая дозу фреона. Большая часть воздуха покинет систему. Однако, если попадет влага, то такой метод не поможет от нее избавиться – здесь необходимо длительное вакуумирование. Я несколько раз перепаивал конструкцию, и воздух в некотором количестве попадал в компрессор и трубки, но с влагой проблем не было. Окончательную заправку нужно производить при включенном компрессоре, подавая небольшими порциями фреон, до того момента как начнут замерзать испарители.

После первой неполной заправки, до включения компрессора, обязательно нужно проверить все швы на герметичность при помощи мыльного раствора.

Теплоизоляция. Установка материнской платы

Низкие температуры на процессоре, испарителе, а также на обратной стороне материнской платы образуют конденсат, и бороться с ним нужно тщательно, иначе придется покупать новый компьютер. Теплоизоляцию можно начинать с испарителя, для этого потребуется немного утеплителя для труб и кусок оргстекла. Что с этим нужно делать, хорошо видно на фото:

На отсасывающую трубку от испарителя одевается разрезанный вдоль утеплитель и перематывается изолентой. Капиллярная трубка идет вдоль отсасывающей трубки. Материнскую плату с обратной стороны теплоизолировать можно следующим способом: вырезать из листа утеплителя по размеру самой платы кусок и разместить на стенке корпуса, к которой будет прикручиваться плата. Толщину утеплителя нужно подобрать так, чтобы после прикручивания платы не было ни зазоров, ни избытка утеплителя.

Система в сборе. Жесткие диски поместились на дне. Вентилятор, обдувающий компрессор, расположен прямо над ним (плохо видно на фото), точнее, он дует вверх, и теплый воздух выходит через открытую дверцу привода CD.

P. S. Система прекрасно работала неделю не выключаясь, но уровень шума был настолько велик, что работать с компьютером было некомфортно. Нужно что-то с этим делать...

Часть 2. Фреонка может и должна быть тихой

С шумом нужно бороться не только за счет звуконепроницаемых стенок корпуса, но и за счет модернизации самого агрегата. Хороший компрессор шумит несильно, но вибрация ощутима. Поэтому бороться нужно именно с вибрацией, так как она передается корпусу и он монотонно гудит. Также источником сильной вибрации является трубка на линии высокого давления, которая соединяет компрессор с конденсатором. В предыдущей части конденсаторами являлись стенки корпуса, а потому, вопреки моим ожиданиям, шум и вибрация всего корпуса были довольно сильными. С первого раза сделать подобную конструкцию без ошибок практически невозможно.

Сборка новой системы

Поняв, где у фреонки источник шума и вибрации, я начал обдумывать методы борьбы с ними. Основу, на которой будут установлены компрессор и конденсатор, я сделал из бетона. Большая масса положительно влияет на снижение вибрации, да и просто мне нравится тяжелый компьютер. Компрессор я решил подвесить на резиновых подвесках для глушителя автомобиля ВАЗ-2108.

Для снижения вибрации на конденсаторе, трубка, идущая к нему от компрессора, была скручена в спираль. Двух метров 6-мм трубы вполне достаточно. В процессе тестирования уже собранной фреонки положительную роль в гашении вибрации и резонанса сыграл силиконовый герметик, который был нанесен между витками трубки.

Конденсатор на этот раз я использовал заводской на 670 Вт. Данная модель недорого стоит (около 30 $) и имеет медные выходные штуцеры, к которым легко припаять трубки. Можно приобрести конденсатор фирмы "LU-VE", который наверняка работает тише и выглядит красивее, но он дороже и имеет стальные штуцеры, паять которые можно только дорогими припоем с флюсом.

Конденсатор сам по себе весит немного, поэтому крепить его на болты я не стал, а просто приклеил на тот же силиконовый герметик. Отсутствие жесткого крепления тоже должно снизить передачу вибрации бетонному основанию и корпусу в целом.

Перед тем как приступить к сборке корпуса и общей шумоизоляции, нужно еще припаять испарители, фильтры и капиллярную трубку.

В прошлой конструкции отсасывающая трубка от испарителя до компрессора была полностью медной, и во время установки испарителя на процессор приходилось ее с довольно большим усилием изгибать. Это все крайне неудобно, если придется часто менять процессор или материнскую плату. Опытные фреонщики зачастую используют стальной гофрированный шланг для газа. Авторы статей описывают всю сложность пайки нержавейки и латунных наконечников. Решил и я пойти этим трудным путем, купив два шланга, 60 и 80 см.

Удалив наклейки, газовой горелкой разогрел латунный наконечник шланга до желтого свечения и отделил от стальной гофры.

Припаять к испарителю стальной шланг оказалось совсем не сложно, ведь концы у него уже луженые. Паять нужно аккуратно, так как стальной шланг, в отличие от медной трубки, прогревается докрасна мгновенно, и припой, который остался после снятия латунных наконечников, может сильно окислиться – тогда без флюса не обойтись.

от испарителя к докипателю

к компрессору

Перед тем как паять стальной шланг к компрессору или докипателю, нужно знать более-менее точное расположение процессора и материнской платы, т. к. стальной шланг не работает на скручивание.

Пара слов о докипателе. Если нет нагрузки на испарителе, то жидкий фреон может достигать компрессора и докипать уже там. В этом нет ничего хорошего. Для предотвращения попадания жидкого фреона в компрессор лучше установить докипатель. У меня докипателем является метровый отрезок медной трубы диаметром 10 мм, скрученный одним витком в спираль и расположенный за вентилятором конденсатора.

Осталось припаять фильтр и капиллярную трубку. Тут ничего сложного нет, только надо внимательно нагревать и не пережечь капилляр. В этой конструкции я использовал 3 метра капилляра внутренним диаметром 0.8 мм. С такой длиной на испарителе температура минус 42 градуса без нагрузки и теплоизоляции.

На этом основной этап сборки закончен.

Один испаритель против двух

Когда я уже всерьез задумал заняться сборкой фреонки, то планировал использовать именно два испарителя: на процессор и видеокарту. В некоторых статьях также описываются попытки сборки системы с двумя испарителями. Но мало где можно найти описание той проблемы, которая возникает при неравномерной нагрузке на испарители. Есть некоторые упоминания в специальной ветке конференции, но, собирая фреонку впервые, хочется изучить как можно больше разных нюансов, попытаться самому найти какие-то выходы из сложившейся ситуации, придумать что-то свое.

Данная проблема, видимо, не имеет простого решения, и тогда я обратился к товарищу Sladky с вопросом: "Что происходит с фреоном при перекосе?". Ответ оказался убедительным:

"Фреон распараллеливается и идет по капиллярам в свои испарители. Предположим, что мы выровняли схему идеально, и фреон абсолютно равномерно течет в оба испарителя. Теперь повесим нагрузку на один испаритель. Что будет? Тепло заставит фреон активно кипеть в испарителе, давление газа в нем повысится. А во втором испарителе ничего не кипит и давление там низкое. Вопрос: куда (в какой капилляр) из фильтра потечет больше фреона? Правильно – туда, где ниже давление, то есть в ненагруженный испаритель. Т. е. тот испаритель, который нуждается во фреоне и греется, в результате получает меньше ненагруженного испарителя. Этот эффект и называется перекосом нагрузки. Пока нагрузки на испарители нет или она примерно равнозначная – все хорошо, но когда есть перекос – температура испарителей перекашивается обратно пропорционально.

Пример: Два испарителя, проц и видео. Допустим, и проц, и видео выделяют по 150 Вт. Запускаем систему без нагрузки и получаем по -40°C на обоих испарителях. Хорошо!.. Запускаем систему с нагрузкой в 2001 марке (и проц, и видео греются) и получаем по -30°C на обоих испарителях. Хорошо!.. Запускаем CPU Burn и получаем -40 на видео и +10 на проце. Плохо..."

В общем, так оно и есть, тестовый стенд, состоящий из схемы с плавным увеличением тока на мощном транзисторе, показал, что уже при мощности в 120 Вт на одном из испарителей перекос возникает критический. Также Sladky подметил, что возможно влияние перепада высот между капиллярами и испарителями относительно фильтра. Гравитацию никто не отменял. Фреон жидкий, а потому влияние тоже будет ощутимым.

Из всего вышесказанного сделан соответствующий вывод, и дальнейшая настройка системы будет происходить с одним испарителем.

Устройство для автоматического включения и выключения компрессора

Фреонка, в отличие от других систем охлаждения процессора, должна сначала выйти в рабочий режим, т. е. охладить испаритель до заданной температуры, и только затем запускается компьютер. Для реализации такой автоматики потребуется термостат для холодильников, некоторые легкодоступные радиодетали и паяльник. Подойдет любой малогабаритный термостат с плавной регулировкой от -30 до +30 градусов.

Из-за того, что теплосъемный элемент у данного типа термостатов имеет длину более 10 см, его размещение непосредственно на испарителе не представляется возможным. Как вариант, можно просто намотать капилляр на этот элемент и теплоизолировать. Из-за снижения давления в капилляре перед испарителем фреон начинает понемногу кипеть, и капилляр обмерзает. Именно эту часть нужно наматывать на датчик термостата.

Для лучшего теплового контакта можно применить теплопроводящую пасту.

Одного термостата для автоматического включения-выключения фреонки недостаточно. Для практически полной автоматизации пришлось разработать несложную схему.

В основе конструкции используется два реле: одно на 5, другое на 12 В. (Я применил два одинаковых реле, только на одном пришлось ослабить пружинку для надежной работы от 5 В.)

Принцип работы. Компьютер выключен, фреонка тоже. Блок питания компьютера подключен к сети, на фиолетовом проводе присутствуют дежурные 5 В.

Нажимаем на кнопку SB1, реле K1 замыкает контакты K1.1, K1.2 и K1.3, включаются компрессор M1 и вентилятор конденсатора M2. Когда жидкий фреон начнет поступать в испаритель, капилляр перед испарителем тоже начнет охлаждаться, попутно охлаждая датчик термостата. При достижении нужной температуры замкнется контакт t1. Благодаря связке резистора R1 и конденсатора C2 подается короткий импульс на разъем PWR ON, и материнская плата стартует. Одновременно с этим включается блок питания и замыкается реле K2, шунтируя контакт t1 и K1.3 контактом K2.2 (при подаче нагрузки на испаритель в нем меняется давление, и капилляр, намотанный на датчик термостата, может время от времени менять температуру и отключать термостат) и K1.2 контактом K2.3, а контакт K2.1 размыкает цепь, и реле K1 отключает контакты K1.1, K1.2 и K1.3.

После работы с компьютером БП обесточивается и реле K2 размыкает контакты K2.2 и K2.3 и замыкает K2.1, приводя автоматику в исходное положение. Учитывая некоторую температурную инертность датчика термостата, контакт t1 может быть некоторое время в замкнутом состоянии после выключения компьютера, что приведет к тому, что материнская плата не запустится, если попытаться включить компьютер сразу же после выключения. В таком случае для принудительного запуска или отключения есть кнопка SB2. Резистор R1 подбирается таким образом, чтобы при замыкании им разъема материнской платы PWR ON она не стартовала (примерно 47 кОм), а конденсатор C2 подбирается минимальной емкости, но так, чтобы при замыкании им плата стартовала (примерно 33 мкФ). Конденсатор C1 должен удерживать реле примерно на 0.5 сек во включенном состоянии после размыкания контакта K2.1. Диоды подойдут любые средней мощности.

Предупреждение: Данный вариант автоматики не дает 100% гарантии запуска материнской платы, поэтому после запуска фреонки нужно всегда контролировать старт материнской платы. В случае длительного промораживания неработающего процессора может появиться конденсат за пределами теплоизоляции. В таком случае нужно отключить питание БП компьютера, чтобы разомкнулись контакты K1.2, которые отключат компрессор и подождать не менее часа для высыхания конденсата. При последующем запуске нужно отрегулировать термостат.

Шумоизоляция корпуса

Корпус я решил сделать из ламинированного ДСП, а внутри обложить самоклеющимся звукоизоляционным материалом, который купил у фирмы, занимающейся шумоизоляцией автомобилей. Сначала я обклеил конденсатор, где только можно, вибродемпфирующим материалом.

Затем обклеил и всю внутреннюю часть корпуса, но уже шумопоглощающим, плюс по бокам виброгасящим материалом.

Данный материал пожаробезопасен.

В передней части заметно заглушают шум конденсатор и лицевая решетка типа горизонтальных жалюзи из алюминиевой полосы. Сзади также стоят подобные жалюзи, но для большей эффективности перед ними в верхней части установлена перегородка из шумопоглотителя.

Ниже на фото изображена полностью собранная фреонка с автоматикой и контроллером температуры:

Улучшенная теплоизоляция испарителя и материнской платы

Если в предыдущей конструкции я делал теплоизоляцию "на скорую руку", то в этот раз попробую выполнить ее максимально надежно и качественно. Итак, сначала подверглась теплоизоляции материнская плата. Тут все просто: вырезаем из утеплителя подходящие кусочки и размещаем вокруг гнезда процессора.

Потом утеплитель нужно плотно прижать оргстеклом и стянуть болтами.

Большую дыру в оргстекле сделать проще простого: нужно зажать кусок в тисках, а дрелью с тонким сверлом прорезать вдоль размеченной линии. Сверло нагреется, и дело пойдет быстро.

С обратной стороны также прямоугольный кусок оргстекла, но с ямками для выступающих ножек некоторых деталей.

С теплоизоляцией материнской платы Abit AS8-V проблем не было, т. к. преобразователь питания и конденсаторы расположены на приличном расстоянии от сокета. Сложнее теплоизолировать платы, где конденсаторы установлены практически вплотную к сокету, например, как на ASUS P5P800. В таких случаях не обойтись без прижимной пластины.

Т. к. активный обдув процессорным кулером силовых элементов питания процессора отсутствует, нужно снабдить мосфеты небольшими радиаторами.

Если отсутствует кулер на чипсете, то надо его установить.

Теплоизоляцию испарителя тоже придется переделать. Убрав с него все лишнее, я вырезал из утеплителя колечки и плотно надел на испаритель. Со стороны отсасывающего шланга тоже пришлось применить пару листов изолона и обмотать все изолентой.

Теперь можно смело устанавливать испаритель на процессор, но перед этим нужно установить материнскую плату в компьютерный корпус. Тут произошла небольшая заминка – шляпки болтов сильно выпирали с обратной стороны, и пришлось проковырять дырки в корпусе.

Перед установкой испарителя на процессор нужно на него (испаритель) нанести ровным слоем термопасту, затем установить на процессор и накрутить гайки. Благодаря обжиму оргстеклом с двух сторон материнской платы можно не бояться за ее перекос и затянуть с большим усилием. Затем все открутить и снять испаритель – на термопасте должен остаться след от прижима. Если следа нет, то, возможно, слишком толстый слой утеплителя на испарителе.

На фото окончательно прикрученный испаритель.

Утеплитель имеет свойство со временем спрессовываться, и первые 2-3 дня нужно понемногу подкручивать гайки. После нескольких дней непрерывной работы нужно открутить испаритель и проверить наличие конденсата – его не должно быть!

Полностью собранная система уже стоит на месте старого ребристого монстра.

Индикатор температуры уютно разместился в отсеке для привода ZIP.

Заключение

Прошло более двух месяцев между моментом покупки компрессора и тем, как была построена фреонка. Спасибо жене за ее терпение к беспорядку в комнате. Получилась очень тихая система: урчания компрессора практически не слышно, не громче помпы для водяного охлаждения.

Температура испарителя при незагруженном процессоре с частотой 4.42 ГГц -31 градус, утилита S&M прогревает до -22 градусов.

Наиболее стабильная работа процессора наблюдается на частоте 4.37 ГГц (FSB 291 МГц). Самым шумным компонентом осталось охлаждение видеокарты. Ее шум заглушает все кулеры и компрессор вместе взятые, но и она в недалеком будущем обретет свою собственную фреонку.

Автоматика при всей своей простоте работает исправно: после нажатия кнопки PWR на системном блоке запускается компрессор, и примерно при -16 градусах автоматика запускает материнскую плату. Отключается вся система тремя привычными кликами мыши: "Пуск" – "Завершение работы" – "Выключить".

Страницы материала
Страница 1 из 0
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают