PTCH-Lab11.pdf

(1243 KB) Pobierz

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Ćwiczenie nr 11

Temat: W ODNE UKŁADY CHŁODZENIA PROCESORÓW

1. W IADOMOŚCI OGÓLNE

Ogólna zasada działania

Chłodzenie wodne (ang. Water cooling) zasadniczo różni się od tradycyjnych układów

chłodzenia w dwojaki sposób. Po pierwsze rodzajem chłodzącego maszynę medium (ciecz).

Druga różnica polega na tym, że powietrze odbiera ciepło z radiatora bezpośrednio, natomiast

woda pośrednio.

Typowy układ chłodzenia wodnego składa się z:

• bloku wodnego,

• pompki,

• chłodnicy,

• węży transportujących ciecz,

• zbiornika wyrównawczego poziom cieczy (rezerwuar),

• opcjonalnie przepływomierza, czujnika temperatury i poziomu płynu.

Zasada działania jest następująca: ciecz chłodząca ze zbiornika wyrównawczego wpływa

do pompki, która pracując powoduje obieg cieczy w układzie. Następnie płyn transportowany

wężami pompowany jest do bloku lub ewentualnie kilku bloków wodnych umieszczonych na

procesorze CPU i często także na procesorze karty graficznej GPU. Po odebraniu z nich

ciepła, nagrzany płyn wpływa do chłodnicy gdzie ulega schłodzeniu i powraca do zbiornika

wyrównawczego. Powierzchnia oddawania ciepła chłodnicy często jest dużo większa niż w

klasycznym radiatorze toteż spotyka się czasami układy bez dodatkowego wentylatora

wymuszającego obieg powietrza na chłodnicy lub stosuje się duże wolnoobrotowe i przy tym

ciche wentylatory. W całym układzie zazwyczaj jeszcze w szeregu umieszczone są czujniki

przepływu i temperatury cieczy oraz w zbiorniku wyrównawczym czujnik poziomu płynu.

Najważniejszy z nich jest czujnik przepływu, który powinien wyłączyć komputer w

przypadku zaniku ruchu cieczy w instalacji.

W chłodzeniu wodnym występują wszystkie trzy rodzaje wymiany ciepła. Najpierw

mamy przewodzenie ciepła z procesora przez miedziany blok wodny, następnie wymianę

konwekcyjną przez ciecz z bloku wodnego do chłodnicy. W żeberkach chłodnicy znów

zachodzi przewodzenie i wreszcie na końcu wymiana konwekcyjna z chłodnicy do powietrza

której także towarzyszy promieniowanie ciepła.

Sens stosowania chłodzenia wodnego wynika z jednego bardzo istotnego powodu –

współczynnik przejmowania ciepła α pomiędzy powierzchnią stałą a wodą jest około

dwadzieścia razy większy niż pomiędzy powietrzem a powierzchnią stałą. To powoduje, że

stosunkowo niewielka ilość wody jest w stanie odebrać duże ilości ciepła z niewielkiej

powierzchni jaką jest blok wodny. Dodatkowo z właściwości fizycznych cieczy wynika że

ciepło właściwe (czyli ilość energii potrzebnej do ogrzania jednego kilograma substancji o

jeden stopień Kelwina) jest niezwykle duże, jest to około 4000[J/(kg*K)]. Ciepło właściwe

powietrza to około 1000 [J/(kg*K)]. Różnica niby nie jest wielka, należy jednak zwrócić

uwagę na fakt iż jeden kilogram wody to zaledwie jeden litr a jeden kilogram powietrza to

887531286.243.png

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

około 780 litrów tej substancji. Do odebrania takiej samej ilości energii cieplnej przy

podniesieniu temperatury czynnika chłodzącego o jeden stopień Celsjusza należy

przepompować 3120 (780*4) razy więcej powietrza niż cieczy. Dodatkowo jeszcze

chłodzenie cieczą umożliwia transportowanie ciepła poza obudowę komputera, co przyczynia

się do obniżenia temperatury wewnątrz obudowy komputera.

Stosowane rozwiązania

Chłodzenie wodne można podzielić na dwie grupy: tzw. układy zamknięte oraz układy

otwarte. Różnica polega na tym, że cieczy w układzie zamkniętym nie powinno ubywać (cały

układ jest hermetycznie zamknięty), natomiast w układzie otwartym płyn należy uzupełniać .

W układzie tym zbiornik na ciecz nie jest szczelnie zamknięty a pompa jest zanurzona w

cieczy. Całość zazwyczaj usytuowana jest na zewnątrz komputera z racji dość dużych

rozmiarów takiego rozwiązania. W układach zamkniętych pompa jest poza cieczą a cały

układ napełnia się przez szczelnie zamykany rezerwuar. W układach wykorzystujących ciecz

do transportu ciepła należy się liczyć z jej rozszerzalnością cieplną. W układzie otwartym

problem nie istnieje. W zamkniętym obchodzi się go poprzez odpowiednie umieszczenie

króćców wlotu i wylotu zbiornika cieczy (króciec doprowadzający ciecz musi być

usytuowany powyżej odprowadzającego).

Rys.1. Układy chłodzenia wodnego: po lewej układ zamknięty po prawej układ otwarty

Blok wodny to jedna z najważniejszych części całego układu gdyż to on styka się

bezpośrednio z procesorem, to przez niego płynie ciecz i to on pośredniczy w transporcie

ciepła z chłodzonego elementu do płynu w układzie. Bloki wodne można podzielić na dwa

zasadnicze rodzaje: bloki frezowane i wtryskowe. Obecnie najpopularniejsze, to bloki

frezowane o bardzo różnorodnej konstrukcji, stopniu skomplikowania i wydajności.

Istnieje kilka typów rozwiązań konstrukcyjnych bloków frezowanych:

• Typ „kanałowy”.

Bloki te charakteryzują się prostotą budowy i zazwyczaj stosunkowo niską ceną.

Dodatkowo opór jaki stawiają takie bloki przepływającej cieczy jest mały co pozwala na

stosowanie tańszych pomp o mniejszej wydajności. Niestety zdolność do odbierania ciepła z

procesora takiego rozwiązania jest często mniejsza do innych bardziej skomplikowanych

konstrukcyjnie bloków wodnych.

887531286.264.png

887531286.275.png

887531286.001.png

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Rys. 2. „Kanałowy” blok wodny Frost3duo.

• Typ „pinowy”.

Charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością i uniwersalnością, jedna z najlepszych

typów konstrukcji obecnych bloków wodnych. Swoją wydajność zawdzięczają dużej liczbie

pinów a co za tym idzie dużej powierzchni wymieniającej ciepło bloku z przepływającym

płynem. Ich wydajność w odprowadzaniu ciepła w zupełności wystarcza do zapewnienia

optymalnych temperatur pracy nawet najwydajniejszych procesorów jedno, dwu a także i

cztero rdzeniowych. Z racji wysokiej wydajności jest to rozwiązanie przeważnie droższe od

kanałowego.

Rys.3. „Pinowe” bloki wodne: po lewej Zalman ZM-WB4 GOLD, po prawej Danged Den MPC-680i

• Typ „finowy”

Fin to inaczej cienka blaszka prostopadła do podstawy. Blaszki te są omywane przez

przepływającą ciecz. W blokach tych stosuje się zarówno proste jak i w różnoraki sposób

falowane finy. Bloki tego typu są dość rzadko stosowane ze względu na ich słabą wydajność

zwłaszcza w chłodzeniu procesorów wielordzeniowych.

Rys.4. „Finowe” bloki wodne: po lewej X3N SX, po prawej Danged Den TDX .

Bloki „wtryskowe” (ang. jet-impingement) to drugi rodzaj bloków wodnych. Są one dość

rzadko stosowane. Głównym tego powodem jest konieczność stosowania mocnych drogich

pomp gdyż konstrukcja taka poprawnie działa przy dużej prędkości i ciśnieniu cieczy

wtryskiwanej do wywierconych drobnych otworów.

Rys. 5. Blok „wtryskowy” Swiftech Storm

887531286.012.png

887531286.023.png

887531286.034.png

887531286.045.png

887531286.056.png

887531286.067.png

887531286.078.png

887531286.089.png

887531286.100.png

887531286.111.png

887531286.122.png

887531286.133.png

887531286.144.png

887531286.155.png

887531286.166.png

887531286.177.png

887531286.188.png

887531286.199.png

887531286.210.png

887531286.213.png

887531286.214.png

887531286.215.png

887531286.216.png

887531286.217.png

887531286.218.png

887531286.219.png

887531286.220.png

887531286.221.png

887531286.222.png

887531286.223.png

887531286.224.png

887531286.225.png

887531286.226.png

887531286.227.png

887531286.228.png

887531286.229.png

887531286.230.png

887531286.231.png

887531286.232.png

887531286.233.png

887531286.234.png

887531286.235.png

887531286.236.png

887531286.237.png

887531286.238.png

887531286.239.png

887531286.240.png

887531286.241.png

887531286.242.png

887531286.244.png

887531286.245.png

887531286.246.png

887531286.247.png

887531286.248.png

887531286.249.png

887531286.250.png

887531286.251.png

887531286.252.png

887531286.253.png

887531286.254.png

887531286.255.png

887531286.256.png

887531286.257.png

887531286.258.png

887531286.259.png

887531286.260.png

887531286.261.png

887531286.262.png

887531286.263.png

887531286.265.png

887531286.266.png

887531286.267.png

887531286.268.png

887531286.269.png

887531286.270.png

887531286.271.png

887531286.272.png

887531286.273.png

887531286.274.png

887531286.276.png

887531286.277.png

887531286.278.png

887531286.279.png

887531286.280.png

887531286.281.png

887531286.282.png

887531286.283.png

887531286.284.png

887531286.285.png

887531286.002.png

887531286.003.png

887531286.004.png

887531286.005.png

887531286.006.png

887531286.007.png

887531286.008.png

887531286.009.png

887531286.010.png

887531286.011.png

887531286.013.png

887531286.014.png

887531286.015.png

887531286.016.png

887531286.017.png

887531286.018.png

887531286.019.png

887531286.020.png

887531286.021.png

887531286.022.png

887531286.024.png

887531286.025.png

887531286.026.png

887531286.027.png

887531286.028.png

887531286.029.png

887531286.030.png

887531286.031.png

887531286.032.png

887531286.033.png

887531286.035.png

887531286.036.png

887531286.037.png

887531286.038.png

887531286.039.png

887531286.040.png

887531286.041.png

887531286.042.png

887531286.043.png

887531286.044.png

887531286.046.png

887531286.047.png

887531286.048.png

887531286.049.png

887531286.050.png

887531286.051.png

887531286.052.png

887531286.053.png

887531286.054.png

887531286.055.png

887531286.057.png

887531286.058.png

887531286.059.png

887531286.060.png

887531286.061.png

887531286.062.png

887531286.063.png

887531286.064.png

887531286.065.png

887531286.066.png

887531286.068.png

887531286.069.png

887531286.070.png

887531286.071.png

887531286.072.png

887531286.073.png

887531286.074.png

887531286.075.png

887531286.076.png

887531286.077.png

887531286.079.png

887531286.080.png

887531286.081.png

887531286.082.png

887531286.083.png

887531286.084.png

887531286.085.png

887531286.086.png

887531286.087.png

887531286.088.png

887531286.090.png

887531286.091.png

887531286.092.png

887531286.093.png

887531286.094.png

887531286.095.png

887531286.096.png

887531286.097.png

887531286.098.png

887531286.099.png

887531286.101.png

887531286.102.png

887531286.103.png

887531286.104.png

887531286.105.png

887531286.106.png

887531286.107.png

887531286.108.png

887531286.109.png

887531286.110.png

887531286.112.png

887531286.113.png

887531286.114.png

887531286.115.png

887531286.116.png

887531286.117.png

887531286.118.png

887531286.119.png

887531286.120.png

887531286.121.png

887531286.123.png

887531286.124.png

887531286.125.png

887531286.126.png

887531286.127.png

887531286.128.png

887531286.129.png

887531286.130.png

887531286.131.png

887531286.132.png

887531286.134.png

887531286.135.png

887531286.136.png

887531286.137.png

887531286.138.png

887531286.139.png

887531286.140.png

887531286.141.png

887531286.142.png

887531286.143.png

887531286.145.png

887531286.146.png

887531286.147.png

887531286.148.png

887531286.149.png

887531286.150.png

887531286.151.png

887531286.152.png

887531286.153.png

887531286.154.png

887531286.156.png

887531286.157.png

887531286.158.png

887531286.159.png

887531286.160.png

887531286.161.png

887531286.162.png

887531286.163.png

887531286.164.png

887531286.165.png

887531286.167.png

887531286.168.png

887531286.169.png

887531286.170.png

887531286.171.png

887531286.172.png

887531286.173.png

887531286.174.png

887531286.175.png

887531286.176.png

887531286.178.png

887531286.179.png

887531286.180.png

887531286.181.png

887531286.182.png

887531286.183.png

887531286.184.png

887531286.185.png

887531286.186.png

887531286.187.png

887531286.189.png

887531286.190.png

887531286.191.png

887531286.192.png

887531286.193.png

887531286.194.png

887531286.195.png

887531286.196.png

887531286.197.png

887531286.198.png

887531286.200.png

887531286.201.png

887531286.202.png

887531286.203.png

887531286.204.png

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Chłodnica to następny kluczowy element chłodzenia wodnego. Cała energia cieplna

odebrana z bloku wodnego musi zostać rozproszona do otoczenia przez wydajną chłodnicę.

Standardowo stosowane chłodnice posiadają mocowania na duże wolnoobrotowe wentylatory

o średnicy 120 [mm] powszechnie stosowane w układach chłodzenia komputerów (cichy

wentylator 120 [mm] na niskich obrotach poniżej 1000[obr/min] tłoczy podobną ilość

powietrza co przeciętny głośny 80 milimetrowy wentylator pracujący z prędkością ponad

2000 [obr/min]). Głównym kryterium podziału chłodnic jest ich rozmiar, który zazwyczaj jest

tak dobrany by umożliwiał mocowanie jednego, dwóch lub trzech wspomnianych

wentylatorów z każdej strony. Dwa pierwsze rozmiary chłodnic stosuje się w układach

chłodzących sam bardziej lub mniej wydajny procesor CPU. Stanowią kompromis między

wymaganą wydajnością a w miarę niewielkimi rozmiarami. Konstrukcja z trzema

wentylatorami umożliwia ciche rozproszenie ogromnych ilości ciepła co pozwala schłodzić

nie tylko procesor CPU ale także stosując dodatkowe bloki wodne procesor (procesory)

graficzne GPU. Istnieją także bardzo drogie rozwiązania nawet na 6 i 9 takich wentylatorów

lecz stosowanie tak dużej chłodnicy ma sens tylko gdy podłączone do chłodzenia wodnego

zostają praktycznie wszystkie grzejące się elementy komputera. Tak duże chłodnice stosuje

się także w rozwiązaniach pasywnych. Chłodnice produkowane są zazwyczaj z aluminium,

miedzi bądź mosiądzu. Aluminium jest tańsze oraz lżejsze lecz miedź ma oczywiście większą

zdolność rozpraszania ciepła.

Rys. 6. Typowe chłodnice kolejno: Black Ice Pro 1, Black Ice Pro 2, Black Ice Pro 3.

Aby wspomóc obieg płynu w układzie chłodzenia wodnego stosuje się pompki które

zasadniczo dzielą się na zatapialne i niezatapialne. Ze względów praktycznych pompki

zatapialne stosuje się w układach otwartych w których pompa musi być umieszczona

wewnątrz zbiornika z cieczą. Oprócz konstrukcji specjalnie zaprojektowanych do tego celu

powszechnie stosuje się stosunkowo tanie pompki akwarystyczne które znakomicie się w

takim zastosowaniu sprawdzają. Pompka niezatapialna jest umieszczona poza zbiornikiem z

cieczą. Obecnie powszechnie producenci zestawów chłodzenia wodnego stosują pompki

niezatapialne różniące się przede wszystkim wydajnością i wysokością podnoszenia cieczy.

Pompki te charakteryzują się doskonałą jakością i niezawodnością.

Przy obiegu płynu wykorzystany jest efekt naczyń połączonych który powoduje, iż słup

płynu pchanego do góry przez pompę jest równoważony słupem płynu spływającego w dół.

Następuje równowaga dzięki której pompa nie musi pokonywać grawitacji tłocząc ciecz i

nawet pompa o niewielkiej mocy wystarcza do wprawienia chłodziwa w ruch. Powszechnie

panuje błędna opinia iż im mocniejsza pompa tym lepiej. Zazwyczaj zwiększenie przepływu

poprawia tylko minimalnie wydajność układu. (Poza blokami „wtryskowymi” które

wymagają dużych prędkości przepływu cieczy).

Pompy zazwyczaj mają bardzo małe ciśnienie cieczy na głowicy. Oznacza to, że np.

pompa o teoretycznej wydajności 1500 [l/h] po włączeniu w układ będzie w rzeczywistości

pompowała tylko 150-200 [l/h]. Pompy większej mocy wydzielają odpowiednio więcej ciepła

które w większości oddawane jest do cieczy omywającej silnik więc zysk ze zwiększenia

przepływu często jest niweczony przez większa ilość ciepła oddawanego do układu .

Ciecz chłodząca - bez niej nie uruchomimy całego układu. Mimo, iż „water cooling” w

znaczeniu dosłownym oznacza chłodzenie wodą, to obecnie układów z czystą wodą

887531286.205.png

887531286.206.png

887531286.207.png

887531286.208.png

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

w rurkach już się praktycznie nie spotyka. Firmy zajmujące się produkcją podzespołów do

chłodzenia wodnego mają także w swojej ofercie specjalne płyny które oprócz lepszego

przejmowania ciepła zabezpieczają przed korozją galwaniczną która występuje jeżeli w

jednym układzie połączymy np. miedziany blok wodny z aluminiową chłodnicą. Dodatkowo

płyny takie zapobiegają powstawaniu glonów oraz charakteryzują się mniejszą od wody

rozszerzalność cieplną. Alternatywą dla nich jest płyn chłodniczy stosowany w samochodach

który ma bardzo podobne właściwości. Ilość płynu krążącego w układzie wpływa na jego

bezwładność (pojemność) termiczną. Oznacza to, że pojemniejszy układ dłużej dochodzi do

równowagi termicznej.

Pojemność całego układu poza objętością rezerwuaru w dużej mierze zależy od długości i

średnicy zastosowanych węży. Przez długi czas panowało powszechne przekonanie, że im

większy przekrój węża tym układ wydajniejszy (podobnie jak z pompą). Obecnie rzadko

spotyka się instalacje na rurkach grubszych niż 10/12 [mm] (średnica wewnętrzna/średnica

zewnętrzna) gdyż użycie grubszego, ciężkiego w zginaniu węza marginalnie zwiększa

wydajność (różnica rzędu 1 [°C] to maksimum). Najlepszym kompromisem między średnicą,

małym promieniem zagięcia bez załamania a przyzwoitą przepustowością są węże o

rozmiarach od 8/10 [mm] do 10/12 [mm]. Węże nakładane są na specjalne króćce (metalowe

końcówki na blokach, pompie, chłodnicy) w celu uzyskania szczelnego połączenia. Króćce te

w postaci szybkozłączek występują w typowych rozmiarach: 6,4 [mm] (1/4"); 9,5 [mm]

(3/8"); 12,7 [mm] (1/2").

Ostatnim elementem składowym chłodzenia wodnego aczkolwiek nie koniecznym jest

zbiornik wyrównawczy (rezerwuar). Umożliwia szybkie i łatwe odpowietrzenie całości przy

napełnianiu i zwiększa zapas cieczy pozwalając na rzadsze uzupełnianie jej stanu (układy

otwarte). Montuje się go szeregowo w układ najlepiej w najwyższym jego punkcie. Celem

takiego umieszczenia rezerwuaru jest fakt, iż pęcherzyki powietrza powstałe w trakcie

napełniania mogą samoistnie przedostać się do góry, z czasem docierając do rezerwuaru, co

pozwala na szybkie i bezproblemowe napełnienie układu. Istnieje bardzo wiele różnych

rozwiązań z czego do bardziej udanych należą konstrukcje przystosowane do montażu w

standardowej zatoce 5.25" którą posiada każda obudowa komputerowa, oraz zbiorniki

pełniące równocześnie funkcje chłodnicy mające dodatkowe żeberka odprowadzające ciepło

do otoczenia.

Rys.7. Przykładowe rezerwuary: po lewej Thermaltake Water AquaBay M3, po prawej Thermaltake Tank

CL-W0009

W układach w których nie zastosowano rezerwuaru konieczne jest stosowanie trójnika

który umożliwia napełnianie cieczą oraz odpowietrzanie układu. Umieszcza się go tak jak

zbiornik wyrównawczy (szeregowo) tyle że w najniższym punkcie układu najlepiej tuż przed

pompą. Rzadko stosowane rozwiązanie z powodu dość kłopotliwego i czasochłonnego

napełniania całego układu.

Wszelkiego rodzaju czujniki tj. przepływomierz, czujnik poziomu oraz czujnik

temperatury cieczy są elementami opcjonalnymi podnoszącymi bezpieczeństwo użytkowania

układu chłodzenia wodnego. Zwłaszcza droższe rozwiązania które posiadają dźwiękowy

887531286.209.png

887531286.211.png

887531286.212.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

05.opracowanie.doc (1546 KB)
06.pytanka PE opracowane.doc (183 KB)
06.pytanka PE opracowanes pomoc naukowa.doc (663 KB)
06.pytanka PE opracowanes.doc (667 KB)
Charakterystyki termometryczne termoelementów i metalowych oporników termometrycznych.docx (71 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin