Компактная система водяного охлаждения, или Сага об интеркулере

Сделай Сам

Предыстория

Два года назад собрал я компьютер. Вполне по тем временам приличный компьютер, Core2Duo 2.00GHz, разогнанный до 2.66 ГГц, MB ASUS P5B Deluxe, видеокарта ASUS-Reference ATI Radeon X1300 512 Passive cooling, 3ГБ памяти DDR2 800, 80 + 400 ГБ дискового пространства и тому подобное. Все честь по чести. Эта конфигурация исправно отработала целый год, и продолжила бы работать дальше, если бы не две вещи. Во-первых, моим вычислительным задачам перестало хватать двух ядер, и я задумался о четырехъядерном процессоре. Во-вторых, мне понадобился CUDA. Я отправился в магазин, и вернулся оттуда с процессором Intel Core2Quad Q9650 3.0 GHz и видеокартой XFX-reference nVidia GeForce 9800 GTX, а заодно — со стоковым набором водяного охлаждения Thermaltake BigWater 770.

Думал сразу решить несколько задач, а именно: ускорить вычисления, охладить греющийся под старым кулером до 70 градусов процессор, устранить тормоза в Warhammer 40'000 Dawn of War II, а главное — устранить раздражающий шум от вентиляторов, которых к тому времени в корпусе набралось уже 5 штук. Но… Господь бог, как известно, располагает, посему сборка новой системы вылилась в целую эпопею продолжительностью в полгода, результатами которой и хочу поделиться с уважаемыми читателями.

Эпопея

Информация к размышлению

Первым же недостатком собранной конфигурации выявился дикий рев кулера видеокарты, который ну никак не желал выводить свою турбину менее чем на 50% скорости. Несмотря на исчезновение 3 из 5 вентиляторов, система шумела совершенно безбожно, хотя на тот момент с этим можно было хоть как-то смириться. Вторым нелицеприятным фактом был северный мост, который грелся до 50 градусов, не обращая никакого внимания на мини-турбинку, предусмотренную в комплекте поставки материнской платы специально на случай установки водяного охлаждения. Как выясняется, благими намерениями именитого производителя тоже можно вымостить дорогу… на свалку. Я скрежетнул зубами, но проглотил и этот факт, благо стабильности работы температура моста не угрожала. Окончательно из терпения меня вывел противнейший металлический лязг, который, как позже выяснилось, издавала, резонируя в корпусе, помпа водяного охлаждения. Тогда я ахнул кулаком по столу, и решил сделать новую систему. Упорный сбор информации по хабру и другим источникам позволил сформулировать достаточно четкие технические требования. Умения новой системы должны были свестись к следующему:

Обеспечить комфортную (55-60 градусов максимум) температуру долговременной работы под полной нагрузкой уже разогнанного к тому времени со штатных трех до 3.33 ГГц процессора
Отвести тепло, кроме того, от видеокарты, транзисторов подсистемы питания процессора и северного моста
Использовать максимально возможную часть деталей существующего комплекта
Собрать все это нужно было в возможно более компактном корпусе, без выносных радиаторов и шлангов

Некоторые расчеты

Самой легкой частью работы оказалась примерная оценка суммарной тепловой мощности, которую предполагалось рассеять. Сбор данных по интернету вывел меня на такие данные:

Процессор Intel Core2Quad Q9650 — 95 Вт в штатном режиме, до 130 Вт при разгоне
Видеопроцессор nVidia GeForce 9800 GTX — 200 Вт в штатном режиме, до 450 Вт при разгоне
Северный мост — до 30 Вт в штатном режиме, до 70 Вт при разгоне
Подсистема питания процессора (см. спецификацию материнской платы) — два блока по десятку транзисторов, суммарная мощность на каждом блоке 15-35 Вт в зависимости от режима

Итого: 355 Вт в штатном режиме, с пиком до 500 Вт

Подбор комплектующих

Как уже стало ясно, использовать штатную помпу Thermaltake с подачей 0.3 м³/ч не имело никакого смысла, так что я решил не скупиться и приобрести помпу «с запасом» на особо жаркие дни или расширение конфигурации системы. Как оказалось, решил не зря… Выбором стала высокопроизводительная помпа Swiftech/Laing D5

с нештатной крышкой от EK Waterblocks. Подача этой помпы достигает 1.5 м³/ч, напор — до 3 м вод.ст., то есть она способна «продавить» трубопроводы почти любой протяженности при условии достаточного сечения. По этой части, впрочем, особого выбора не предполагалось, так как от стокового комплекта осталось добрых три метра шланга с внутренним диаметром 10 мм плюс фитинги.
Далее последовал подбор теплообменной инфраструктуры. Как выяснилось при пробном обзвоне интернет-магазинов, достать водоблок на GeForce 9800GTX в конце 2010 года стало нереально, так что видеокарту решено было поменять. Выбор пал на ASUS-reference nVidia GeForce 470GTX с едва ли не единственным доступным по цене водоблоком EK Waterblocks EK-FC470.

Пиковая рассеиваемая мощность на видеокарте мгновенно выросла до 250 Вт в штатном режиме и до 400 Вт в разгоне (впрочем, его пока не планируется). По части же остальных комплектующих выбор оказался довольно широк. Чтобы не лопатить интернет впустую, я обратился за помощью к специалистам-теплотехникам. Они помогли мне установить основной критерий подбора водоблока: тепловая инерционность компонента, соответствующая ей теплопроводность и теплоемкость приемной пластины водоблока. Например, для процессора, как малоинерционного компонента, почти мгновенно меняющего интенсивность тепловыделения, подойдет тонкий водоблок с еще более тонкой малотеплоемкой приемной пластиной из меди. Выбор пал на Alphacool HF14 Livingstone.

Замена водоблока процессора явилась вынужденной мерой после близкого общения с тяжеленной, но при этом подозрительно малотеплопроводной(!) металлической болванкой, названной «водоблоком процессора» в стоковом наборе Thermaltake.
Видеокарта по характеристикам тепловыделения, в общем, сходна с процессором, но значительно большая площадь корпуса GPU позволяет обойти большинство проблем с теплопроводностью. К тому же, большинство современных водоблоков — фуллкаверы, за счет массы металлического основания нивелирующие любые колебания теплового потока. В общем: «Не заморачивайтесь, товарищ!»…
Северный мост. Здесь возникли проблемы из-за монтажа микросхемы — она фактически не имеет корпуса и была впрессована непосредственно в материнскую плату. При этом квадратик микросхемы размером сантиметр на сантиметр заметно выступал вверх, что значительно затрудняло установку обычного «чипового» водоблока — на своих двух винтах он все время перекашивался по диагонали. Проблема решилась изготовлением специальной опорной подкладки под водоблок — из некондиционной термопрокладки.
Подсистема питания, по словам специалистов, вещь весьма инерционная, так что там из двух вариантов водоблоков от EK Waterblocks — EK MOSFET ASUS 01 и 03x — был выбран вариант 01, как имеющий более толстую приемную пластину и широкий канал для жидкости.

Радиаторы

Вопрос с радиаторами встал особо остро, как только нарисовалась общая компоновка системы в корпусе Cooler Master 690, унаследованном от предыдущей конфигурации. В корпусе сразу же нашлось место для радиатора 2х120 мм, даже со штатными креплениями, но итоговый расчет рассеиваемой мощности выходил на 405-410 средних ватт, что подразумевало использование радиатора большой толщины 3х120 мм.
Выход нашелся, но не сразу — как раз в использовании упомянутого в названии топика интеркулера. Додуматься до такого решения мне помогла запись в паспорте штатного 120-мм радиатора Thermaltake о сертификации на отвод до 95 Вт тепла. В итоге система после сборки выглядит следующим образом:
Резервуар 5.25" -> помпа -> процессор -> интеркулер -> видеокарта -> северный мост -> подсистема питания -> основной радиатор 2х120х50-мм -> резервуар.

Баланс тепловых мощностей, если верить паспортным данным, сходится почти точно — бывший штатный Thermaltake отводит 100 Вт тепла от разогнанного процессора, оставшиеся ватты отводит большой и емкий (сертификация на 350 Вт) основной радиатор. Интеркулер занял место в схеме сразу после водоблока процессора на месте штатного корпусного 120-мм вентилятора. На решетку того же вентилятора, снаружи корпуса, пожертвовав частью производительности, подцепил помпу, использовав отверстия под штуцера в нештатной крышке.
Вентиляторы — здесь я смею дать некоторые рекомендации из собственного инженерного опыта. Всем имеющимся на рынке вентиляторам я предпочитаю серию Scythe Gentle Typhoon и их аналоги.

Неоспоримое преимущество этих вентиляторов — не в лопастях и не в оборотах, а в большом и тяжелом роторе, который дает на порядок лучшую плавность хода, чем обычный легкий ротор с магнитом внутри. Вибрации такая схема понижает с ростом оборотов по сравнению с обычным вентилятором ровно в (I_{Gentle Typhoon} / I_{any other fan})² раз, где в скобках — отношение моментов инерции тяжелого и легкого роторов. На практике это означает снижение шумности вентилятора примерно вдвое при равных оборотах. К слову, на основном радиаторе у меня пока стоит парочка вполне обычных вентиляторов от Nanoxia, также унаследованных от старой системы.

Результаты проделанной работы

Итогом всей эпопеи по сборке водоохлаждаемой системы стал практически бесшумный системник (снаружи слышно лишь легкое жужжание помпы, да сипение вентиляторов основного радиатора). Температура процессора при самой интенсивной работе еще ни разу не превысила 65 градусов, видеокарты — 50, мост и питание вообще висят перманентно на 30-35 с очень малыми колебаниями. Система скомпонована в обычный блок, не отличающийся размером от корпуса, если не считать «набалдашника» прицепленной сзади на решетке помпы.