Водяная система охлаждения процессора и как она работает. Как работает жидкостное охлаждение компьютера

На сводной диаграмме отображены лишь максимальные показатели для основных компонентов (температура CPU – во время его прогрева утилитой OCCT, температура видеоядра – при многократном прогоне теста Firefly Forest из пакета 3DMark06).

Водяная система охлаждения процессора и как она работает

Здравствуйте, уважаемые читатели техноблога. В этой статье попытаюсь рассказать, как работает водяное охлаждение компьютера. Тема весьма актуальна для тех, кто решил сменить воздушную башню на что-то более производительное, чтобы поиграться с разгоном до экстремальных пределов и при этом не угробить драгоценный камень, стоимость которого может превышать 400 долларов.

Ну и заодно пощадить материнскую плату и прочие комплектующие, ведь некоторые водянки ориентированы не только на один контур (ЦП или видеокарта).

Сразу скажу, что назвать СВО лучше воздуха нельзя – это тема для отдельной беседы. Да и некоторые башни могут дать фору большинству необслуживаемых водянок, о чем говорит вот этот рейтинг.

Структура систем жидкостного охлаждения

Для многих не будет секретом, что СВО могут быть открытого (кастомные) и закрытого типа (готовые необслуживаемые решения для охлаждения конкретного типа комплектующих). И если с последними все понятно, то первая категория может быть построена по трем основным принципам:

Схема с параллельным подключением. Все узлы запитаны от одной помпы, которая гонит хладагент к радиатору с кулерами. Через решетку радиатора вода охлаждается и подходит к железу, с которых снимается тепловая энергия. Горячая жидкость возвращается в резервуар с помпой и процесс повторяется заново. Схема выглядит следующим образом.

Схема с последовательным подключением. Элементы также охлаждаются параллельно и очень эффективно, но для этого необходимо иметь мощную помпу и весьма оборотистые вертушки, которые смогли бы оперативно охлаждать хладагент в радиаторе. Схема прилагается.Есть так называемые комбинированные или двухконтурные водянки. Принцип работы основан на последовательном методе, однако каждый контур ориентирован на одну железку. Довольно дорогая схема как в плане строительства, так и по обслуживанию. Хотя владельцы топовых конфигураций в погоне за максимальной производительностью не видят в подобном решении ничего зазорного.

Одним из огромных преимуществ жидкостных кулеров для ЦП является то, что их можно подключать к нескольким компонентам внутри вашего компьютера, например к процессору и графическому процессору, для их эффективного охлаждения.

Что такое водяное охлаждение компьютера?

Любое электронное устройство требует защиты от перегрева. В старых приборах изначально применялись вентиляторы, но постепенно мощность процессоров возросла до таких пределов, что кулеры во многих случаях перестают справляться с проблемой. Система водяного охлаждения в качестве теплоносителя использует жидкость для отвода тепла от CPU наружу. За счет лучшей теплопроводности жидкостные установки сравнительно лучше решают поставленную задачу.

Из чего состоит водяное охлаждение?

По набору комплектующих элементов данная установка напоминает системы, которые устанавливают на автомобильных двигателях. Жидкостное охлаждение состоит из следующих основных узлов:

Как работает водяное охлаждение компьютера?

Жидкостные охладители отводят тепло несколько по иному принципу, чем привычные воздушные кулеры. Разобраться в способе их работы сравнительно просто. Рассмотрим краткое описание, как функционирует система водяного охлаждения для процессора:

1. Помпа обеспечивает непрерывную циркуляцию теплоносителя.
2. По системе трубок жидкость поступает к горячим узлам ПК, на которые прикручены ватерблоки, где происходит непрерывный отбор тепловой энергии.
3. Далее нагретый теплоноситель поступает в радиатор.
4. С помощью вентиляторов пластины радиатора продуваются, и система жидкостного охлаждения отдает тепло в окружающую среду.

Водяное охлаждение для ПК – плюсы и минусы

Споры о целесообразности приобретения жидкостных установок не утихают. Для начала рассмотрим преимущества водяного охлаждения для ПК:

1. Компьютер с водяным охлаждением издает меньше шума.
2. Водяные охладители намного эффективнее.
3. Водяное охлаждение для ПК занимает сравнительно мало места.
4. Система водяного охлаждения способна одновременно использоваться для отвода тепла сразу от нескольких ответственных узлов устройства (видеокарты, CPU, винчестера).

Недостатки водяного охлаждения ПК:

1. Устройство сравнительно сложнее, для монтажа требуются собственные специальные навыки или привлечение специалиста.
2. Существует потенциальный риск протечки жидкого теплоносителя на узлы ПК.
3. Для функционирования системы используется специальная жидкость.
4. Высокая стоимость.
5. Водяное охлаждение для ПК периодически требует профилактики – прочистки микроканалов и замены теплоносителя.

Какое охлаждение лучше водяное или воздушное?

Желательно все варианты рассматривать в конкретных условиях, исходя из мощности собственного компьютера. Для простых задач хватает нескольких стандартных кулеров, но сравнительно мощные устройства требуют эффективного отвода тепла. Попытаемся изучить, что лучше водяное охлаждение процессора или воздушное, исходя из следующих критериев:

1. Простота монтажа – воздушные кулеры проще и быстрее устанавливать.
2. Стоимость – монтаж СВО обойдется пользователю дороже.
3. Использование жидкостных охладителей разрешает осуществлять более тонкие настройки, включая в контур множество дополнительных компонентов.
4. Размеры – в корпусе компьютера требуется больше места для монтажа радиатора и трубок.
5. Уровень шума – комп с водяным охлаждением работает тише благодаря меньшей скорости вентиляторов.
6. Эффективность – жидкий теплоноситель лучше перемещает тепло, разрешая увеличивать мощность приборов.

Это самые базовые сведения о системах жидкостного охлаждения. Если вы решили использовать модульную СВО, то сможете найти подробную информацию по сборке и установке таких систем, а если вы предпочитаете простые решения – на рынке есть доступные модели необслуживаемых жидкостных кулеров «всё в одном».

Работа жидкостного охлаждения процессора

Поскольку сейчас мы кратко рассмотрим большинство деталей, обычно встречающихся в жидкостном охлаждении ЦП, мы можем продолжить обсуждение того, как на самом деле работает жидкостное охлаждение ЦП.

Вы можете легко понять, как работает жидкостное охлаждение ЦП, если разбираетесь в системах охлаждения, установленных в автомобилях.

Установленный CPU в вашем компьютере работает как мозг, чтобы обработать всю информацию, брошенную на него, и в этом процессе, он использует электричество.

Этот процесс выделяет много тепла, которое обычно пропорционально сложности задач, выполняемых ЦП, и его общей мощности.

Тепло, выделяемое в процессе работы ЦП, необходимо отводить.

Это потому, что если вы в конечном итоге проигнорируете весь нагрев, это может привести к ухудшению внутренних компонентов вашего процессора.

Кроме того, процессоры спроектированы так, чтобы замедляться по мере того, как их температура продолжает расти, и могут перестать работать (ваш компьютер выключается), если они достигают определенной температуры, которая в большинстве случаев составляет около 100 градусов Цельсия.

Именно здесь охлаждение ЦП вступают в свою работу.

Оно очень важно по своей основной функции, которая, несомненно, отводит тепло от вашего процессора и вашего компьютера с помощью сложного механизма.

Жидкостное охлаждение ЦП — это один из множества различных типов охлаждений ЦП, доступных на рынке.

Давайте обсудим весь процесс охлаждения, через который проходит обычное жидкостное охлаждение для охлаждения вашего процессора.

Все начинается с радиатора

У жидкостного охлаждения ЦП, установленного на вашем компьютере, есть пластина, которая находится прямо на радиаторе вашего ЦП.

Это потому, что радиатор ЦП собирает все тепло, выделяемое при работе процессора.

Этот процесс жизненно важен для поддержания допустимого температурного режима ЦП.

Однако радиатор не является самодостаточным, чтобы отводить все или даже большую часть тепла, выделяемого вашим процессором при умеренной или высокой рабочей нагрузке.

Охлаждающая жидкость играет важную роль

Жидкостный кулер ЦП имеет пластину (раковину), которая находится сверху радиатора ЦП.

Раковина подсоединяется к насосу и резервуару через шланги.

Насос направляет охлаждающую жидкость в сторону раковины, и охлаждающая жидкость поглощает большую часть тепла, накопленного в раковине.

После поглощения тепла охлаждающая жидкость направляется к радиатору, от которого она теряет тепло, и цикл продолжается.

Вентиляторы радиатора обеспечивают поступление наружного воздуха

Радиаторы жидкостного охлаждения ЦП оснащены вентиляторами, которые помогают направлять окружающий воздух через радиатор.

Таким образом, нагретая охлаждающая жидкость, присутствующая в каналах радиатора, остывает и готовится к повторному прохождению через всю систему.

Теплообмен между стоком и охлаждающей жидкостью, а также между охлаждающей жидкостью и воздухом происходит практически сразу.

Системный вентилятор направляет горячий воздух наружу

После всего этого часть нагретого воздуха остается в системе, что увеличивает общую температуру системы.

Здесь на помощь приходит системный вентилятор(ы).

Этот вентилятор помогает отводить нагретый воздух из системы, обеспечивая охлаждение.

Цикл продолжается

Пройдя через радиатор, остывшая охлаждающая жидкость снова готовится уйти в раковину через шланг, соединяющий нижнюю часть радиатора с раковиной.

Более того, эти охлаждающие жидкости специально созданы для ускорения процесса поглощения тепла, что очень помогает поддерживать охлаждение вашего процессора даже при тяжелых рабочих нагрузках.

Необслуживаемые СВО

Эти удобные и практичные системы включают в себя помпу, резервуар, радиатор и один или два вентилятора; устанавливать такую систему проще, чем собирать модульную СВО из составных частей, которые монтируются к корпусу и охлаждаемым компонентам ПК. Все составные части необслуживаемой СВО уже герметизированы, протестированы и готовы к использованию. Это исключает ошибки при самостоятельной сборке СВО, обусловленные человеческим фактором.

Цены на необслуживаемые жидкостные кулеры, называемые также системами «всё в одном» (All-in-One, AiO), за последнее время заметно снизились, и сегодня вы можете найти приличную модель всего за сорок с небольшим долларов. Эти кулеры производят мало шума и обеспечивают высокую эффективность охлаждения, хотя по эффективности они сопоставимы с воздушными кулерами чуть более высокого класса.

Охлаждающая жидкость (хладагент), проходя через водоблоки CPU или GPU, отводит тепло от соответствующих компонентов ПК на радиатор, который обычно устанавливается в задней части корпуса ПК. Это способствует быстрому выводу тепла наружу воздушным потоком от заднего корпусного вентилятора, в отличие от традиционных способов теплорассеяния с медленным понижением температуры внутри корпуса.

Установка СВО с закрытым контуром требует внимательного подхода только к размещению радиатора и вентиляторов, здесь не нужно возиться со шлангами и т.д. С другой стороны, возможности необслуживаемого жидкостного кулера в части персональных настроек стиля (подсветка и т.п.) существенно ограничены, а это – одно из главных преимуществ СВО. Кроме того, контур AiO включает в себя только один водоблок, что подразумевает использование отдельного кулера для каждого охлаждаемого компонента, например, для CPU и для GPU.

Достоинства:

Недостатки:

• ограниченность настроек;
• охлаждает только один компонент ПК;
• невозможность какой-либо модификации или модернизации готовой системы.

Пример кулера «всё в одном» – NZXT Kraken M22, который предлагает отличную производительность и удобную конструкцию. Этот кулер мог бы победить только за счет бренда, но он обладает еще и высокими техническими характеристиками. Он оснащен легким 120-мм радиатором и в целом почти ничего не весит.

Соберите свой модульный контур СВО

Делать это придется самостоятельно, без страховки со стороны производителей и экспертов, но результатом этой тяжелой работы станет не только эффективная, но и эффектная система охлаждения. Специально для этого в компьютерных корпусах делают окна, чтобы можно было заглянуть внутрь ПК и увидеть, как оранжевая жидкость перекачивается через прозрачные водоблоки с хромированными крышками.

Для сборки модульной СВО вам понадобятся следующие компоненты:

Хладагент – охлаждающая жидкость, и это, как правило, не вода – заливается в резервуар, из которого она перекачивается (силами помпы) по контуру системы охлаждения, компоненты которой соединены шлангами. Шланги подводят хладагент к водоблокам, которые устанавливаются на охлаждаемые компоненты ПК – например, на CPU и GPU. Блоки обычно делаются медными или алюминиевыми с проходящими через них узкими каналами, в которых происходит передача тепла от металла жидкому хладагенту.

Далее хладагент поступает на радиатор, где снова происходит передача тепла – от жидкого хладагента на металлические контакты радиатора и далее – в воздушный поток, создаваемый прикрепленным вентилятором. Некоторые могут подумать, что вместо всего этого можно просто установить вентилятор на процессор – разница будет небольшая – однако это не так: дополнительное использование жидкого хладагента позволяет не только охлаждать непосредственно целевой компонент, но и быстрее выводить тепло из самого корпуса ПК – низкая температура поддерживается внутри всего корпуса, что повышает интенсивность охлаждения, прежде всего целевых компонентов.

Здесь нужно обратить внимание на несколько вещей. Если вы используете несколько блоков в одном контуре, то на каждом участке между двумя «соседними» блоками нужно поставить дополнительный радиатор. Это нужно для того, чтобы хладагент, получивший тепло от предыдущего компонента ПК, не поступал в нагретом состоянии на следующий охлаждаемый компонент, что очевидно менее эффективно. Еще можно использовать краску для хладагента, а также проложить шланги в корпусе в «авторской» компоновке. Кроме того, нужно будет подобрать фитинги подходящего размера и типа.

Достоинства:

• возможность сборки СВО с «пользовательским» дизайном;
• возможность замены и апгрейда компонентов СВО;
• охлаждение нескольких компонентов ПК в одном контуре СВО.

Недостатки:

• высокая цена;
• более высокий риск протечки;
• сложность сборки, особенно для начинающих пользователей.

Это самые базовые сведения о системах жидкостного охлаждения. Если вы решили использовать модульную СВО, то сможете найти подробную информацию по сборке и установке таких систем, а если вы предпочитаете простые решения – на рынке есть доступные модели необслуживаемых жидкостных кулеров «всё в одном».

Желательно все варианты рассматривать в конкретных условиях, исходя из мощности собственного компьютера. Для простых задач хватает нескольких стандартных кулеров, но сравнительно мощные устройства требуют эффективного отвода тепла. Попытаемся изучить, что лучше водяное охлаждение процессора или воздушное, исходя из следующих критериев:

Характеристики СЖО и варианты выбора

Обслуживаемая СЖО является выбором энтузиастов. Такие системы всегда дороже необслуживаемых, сложны в сборке и установке, а также после установки нет гарантии отсутствия протечек.

Следующим параметром, на который следует обратить внимание при выборе СЖО — это типоразмер радиатора. Радиаторы изготавливают под размер, кратный числу установленных вентиляторв. Вам нужно заранее определиться с тем, радиатор какого размера сможет уместиться в корпусе.

На сегодняшний день в продаже имеется несколько типоразмеров радиаторов:

В процессе эксплуатации СЖО необходимо регулярно прочищать радиатор от пыли, иначе эффективность охлаждения резко снизится. Еще очень важно, чтобы водоблок на процессоре располагался ниже верхнего уровня шлангов. Это нужно для того, чтобы имеющийся небольшой пузырек воздуха, оставляемый для компенсации расширения жидкости, внутри системы не попал в водоблок.

Количество подключаемых вентиляторов не оказывает прямое влияние на эффективность СЖО, но чем их больше, тем можно сделать ниже скорость вращения каждого отдельного вентилятора при сохранении общего воздушного потока, и, соответственно, снизить шумность при поддержании эффективности.

Минимальный уровень шума выше 40 дБ уже может восприниматься как некомфортный (40 дБ соответствует обычному звуковому фону в жилом помещении — негромкая музыка, спокойный разговор). Чтобы шум вентиляторов не мешал сну, он не должен превышать 30 дБ.

Регулировка скорости вращения вентиляторов может быть ручной и автоматической. Ручная регулировка позволяет менять скорость вращения вентиляторов в соответствии с личными предпочтениями, автоматическая же подстраивает скорость под текущую температуру процессора и обеспечивает лучшие условия работы оборудования.

Защита от протечек представляет собой емкость, которая отвечает за регулировку давления в замкнутом контуре. Емкость выполнена из эластичного материала. При избыточном давлении стенки емкости растягиваются, благодаря чему увеличивается фактический объем контура.

Тип коннектора питания вентилятора и помпы. У простых СЖО с вентиляторами без подсветки используется 2 коннектора – для помпы и для вентилятора. Если вентиляторы имеют подсветку, то добавляется еще третий коннектор для управления подсветкой и синхронизации смены цветов. Сегодня на рынке встречаются четыре типа коннектора питания помпы: 3-pin, 4-pin, SATA 15 pin и Molex.

3-pin коннектор на старых материнских платах не позволяет изменять скорость вращения вентилятора, но все новые материнские платы способны менять напряжение на таких коннекторах, меняя тем самым скорость.

Если ваша материнская плата не может управлять скоростью вращения 3-pin вентилятора, то кулеры и двигатель помпы СЖО с 3-pin коннектором питания будут всегда вращаться на максимальной скорости. Для изменения степени охлаждения придется дополнительно покупать «реобас».

4-pin коннектор предполагает управление скоростью вращения двигателей с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом питание подается полное — 12 вольт, но не постоянно, а импульсами, меняя продолжительность которых можно очень точно задавать частоту вращения двигателей. Кроме того, при таком способе нет ограничения на минимальную скорость вращения — регулируемый таким способом двигатель может вращаться даже со скоростью 1 об/мин. Единственный недостаток такого способа — он сложнее в реализации, а, следовательно, — дороже, но не намного. Также, при использовании этого типа коннектора можно через программы мониторинга узнавать текущую скорость вращения вентиляторов. Примеры СЖО с питанием 4-pin можно увидеть здесь.

3-pin коннектор на старых материнских платах не позволяет изменять скорость вращения вентилятора, но все новые материнские платы способны менять напряжение на таких коннекторах, меняя тем самым скорость.

Сборка и запуск СВО

Для построения оптимальной системы водяного охлаждения можно использовать как единичные компоненты, так и промышленные комплекты, при необходимости дополненные нужными узлами, приобретаемыми отдельно.

Во время сборки СВО при правильном выборе составляющих понадобится только инструмент для резки шлангов. «Водянку» лучше собирать вне корпуса ПК – таким образом легче будет быстро исправить недостатки, проявившиеся в первые минуты работы. Заправку можно производить с помощью лейки или шприца.

Первый запуск системы обязательно проводится при выключенном компьютере. Для начала в расширительный бачок необходимо залить немного жидкости. Если помпа рассчитана на питание от ~ 220 В, она подключается непосредственно в сеть, а вот модели, предназначенные для работы от 12 В, нужно соединять с БП компьютера. Перед этим обязательно отсоединяются кабели от всех комплектующих (материнской платы, видеокарты, жестких дисков, приводов). Блок питания должен быть подключен в сеть. Запускать его следует вручную, замкнув любым проводником (например, канцелярской скрепкой) контакты из 24(-20)-пинового разъема, к которым идут зеленый и черный провода. ВНИМАНИЕ! Будьте предельно осторожны на этом этапе! Не допускайте контакта перемычки с любыми другими проводами или компонентами ПК!

После включения помпы следует доливать теплоноситель в контур до тех пор, пока весь объем не окажется заполненным жидкостью. Несколько раз включив-выключив питание, необходимо тщательно прокачать систему и добиться удаления пузырьков воздуха из воды. Удостоверившись в отсутствии течей, охлаждение можно устанавливать непосредственно в системный блок. После первого запуска компьютера с новой СО еще раз следует убедиться в надежности всех соединений и креплений, и лишь потом переходить к тестированию.

Чтобы наглядно продемонстрировать возможности водяного охлаждения, мы собрали систему на основе комплекта Thermaltake BigWater 735. Штатный водоблок заменили на Waterworker WC-155Cu и добавили комбинированную воздушно-жидкостную СО для видеокарт – Thermaltake TMG ND4. Конфигурация тестового ПК приведена в таблице. Сборка испытательного стенда проводилась в корпусе Thermaltake Armor Jr., радиатор СВО установлен внутри системного блока.

Для сравнения приводятся температуры, полученные на той же конфигурации с процессорным кулером Scythe INFINITY и штатной турбиной видеокарты.

На сводной диаграмме отображены лишь максимальные показатели для основных компонентов (температура CPU – во время его прогрева утилитой OCCT, температура видеоядра – при многократном прогоне теста Firefly Forest из пакета 3DMark06).

Полученные результаты, возможно, кому-то покажутся странными – вроде бы, воздушный кулер охлаждает CPU лучше, чем «водянка». В то же время трудно не заметить громадный отрыв в пользу СВО в температуре GPU – разница составляет порядка 30° С при загрузке видео-адаптера! Такая расстановка сил обусловлена тем, что первый элемент, который охлаждался водой, – графический чип. Нагретый теплоноситель потом поступал в процессорный водоблок, и отводил тепло от CPU. При иной расстановке приоритетов получилась бы другая итоговая картина. К тому же акцентируем ваше внимание на немаловажном факторе – тепло от столь мощных компонентов ПК отводилось относительно слабой СВО с одним компактным радиатором, продуваемым тихим 120-миллиметровым вентилятором. Эффективность охлаждения в случае применения более производительной модели и/или выноса данного узла за пределы корпуса возросла бы довольно ощутимо.

Выводы

Системы водяного охлаждения все еще остаются уделом немногих энтузиастов. Однако в свете растущих требований к кулерам топовых графических адаптеров и центральных процессоров у них есть возможность вернуться на массовый рынок.

Эксплуатация СВО связана с определенными трудностями – правильным подбором компонентов, настройкой системы, защитой от случайных протеканий контура. Использование водоблоков вместо традиционных кулеров вызывает необходимость обдува околопроцессорного пространства во избежание перегрева элементов материнских плат и видеокарт. Однако стоят СВО несколько дороже, чем суперкулеры на тепловых трубках.

В то же время сбалансированная система водяного охлаждения способна охлаждать несколько узлов ПК одновременно, и часто делать это намного более эффективно, чем лучшие воздушные кулеры. СВО открывает перед энтузиастами новые горизонты разгона, а обычные пользователи могут существенно снизить уровень шума системного блока.