Vodno hlajenje

• :: 15. avg 2000

Ok, pred vami je končno Gabrijelov prispevek o vodnem hlajenju. Dotični članek zamuja že kar nekaj časa, toda, kot boste sami videli: izplačalo se je počakati. Prvo sva vse skupaj planirala kot nekakšno Overclockersko potovanje, toda po branju se je izkazalo da gre za "pravi" članek. Upam, da bo zadeva še koga navdušila za vodno hlajenje. Mene bi vsekakor, če ne bi že bil :).

Uvod:

Po dolgem trudu mi je uspelo sestaviti brezhibno delujoč hladilni sistem peltier-H2O, ki hladi procesor na temperature od okoli –30°C do –5°C, odvisno od obremenitve procesorja in sobne temperature. S tem sistemom je moč naviti procesorje do skrajnih meja, je pa zato izdelava precej zapletena. Sistem je zaprtega tipa, to pomeni, da v njem kroži ena in ista voda, ki se v enem ciklusu segreje in znova ohladi. Precej bolj enostavni so odprti sistemi, kjer potrebujemo samo veliko posodo z mrzlo vodo (ponavadi je v njej led), črpalko in hladilnik za procesor. Ko gre voda skozi hladilnik, se ne vrača več v sistem, ampak v odtok ali WC, ali kamorkoli že... Odprti sistemi so seveda uporabni samo toliko časa, dokler traja zaloga mrzle vode, kar ponavadi ni prav dolgo. Se pa z njimi dosegajo temperature do –50°C. V članku bom opisal svoje izkušnje, težave in rešitve, ki sem jih uporabil pri izdelavi. Kot boste videli, sem precej stisnjene sorte, in sem čimveč stvari poizkusil narediti sam ali s pomočjo prijateljev. Enako svetujem tudi vam. Seveda se da vse te komponente kupiti v kitu na netu, vendar to ni to. Samo če boste sami naredili kar se bo le dalo, razmišljali in iskali nove rešitve, boste res zadovoljni in ponosni na svoj izdelek. Mislim, da je to filozofija pravega overclockerja :).
Začetniki naj si vzamejo čas in si preberejo odličen članek o peltierjih, ki ga najdejo na www.slo-tech.com. Osnovne stvari in teorijo o vodnem hlajenju lahko najdete na večih domačih straneh, sam sem še največ izvedel na www.overclockers.com. Dober je tudi članek o vodnem hlajenju na Slo-techovi domači strani. Praktično vso toerijo najdete tam, zato je ne bom posebej navajal, le kolikor bo nujno potrebno.

Kaj potrebujemo:

1. Termoelektrični element ( peltier, TEC ):
Kaj to je in kako deluje, si preberite v zgoraj omenjem članku. S peltierji v Sloveniji je križ, zato bo treba pogledati preko meje ali pa na netu, kjer jih dobite za približno 30$ (75W) oziroma 50$ (140W). Z močjo ne pretiravajte, za vsakdanjo rabo je dovolj 70W. Sicer bi sistem deloval tudi brez tega dela, vendar bi bili rezultati precej slabši, saj bi v najboljšem primeru dosegali hlajenje do sobne temperature. Podobne rezultate pa dosežemo tudi s precej enostavnejšimi in cenejšimi zračnimi hladilniki (Alpha, GlobalWIN ali Golden Orb), kar seveda postavlja upravičen dvom v smisel izdelave H2O sistema brez peltierja. Če boste kupovali vodne sisteme v kitu preko neta, bodite pazljivi. Le malokateri prodajalec zraven ponuja peltier, ki ga morate zato dokupiti posebej.

2. Hladna ploščica ( cold plate ):
Bakrena ali aluminijasta ploščica enakih dimenzij kot hladna stran peltierja. Še boljša bi bila srebrna, pa si jo privošči, če moreš... Pri meni je to 40*40 mm, 5mm debela, seveda bakrena ploščica. Marsikomu se zdi uporaba te ploščice vprašljiva. Ima dva osnovna namena. Prvi je, da deluje kot termodifuzijsko dno pri boljših kuhinjskih loncih. Poskrbi torej, da se toplota s procesorja enakomerneje prenese na peltier. V nasprotnem primeru bi se toplota prenašala samo na prav majhen del peltierja, kar bi močno zmanjšalo hladilni učinek. Drugi namen pa je, da ploščica deluje kot neke vrste toplotni »buffer«. Namreč: ko vključimo peltier, se temperatura praktično takoj spusti za nekaj 10°C. Take hitre temperaturne spremembe zagotovo niso dobre za silicij v procesorju. Če pa je vmes ploščica, se njen material »upira« hitrim spremebam toplote, ki so zato manj skokovite.

3. Napajanje za peltier:
Če imate v kišti vgrajen več kot 300W napajalnik, boste nanj lahko priključili tudi peltier (moči do 70W). Vendar vam to iskreno odsvetujem. Pelti so namreč neznansko požrešni z energijo, če bodo priključeni na napajalnik računalnika pa lahko povzročajo padce napetosti, kar slabo vpliva na druge komponente. Edina zanesljiva rešitev je zunanje napajanje. Najprej sem uporabil kar avomobilski napajalnik 12V, ki pa se je izkazal za preslabotnega. Zato sem za okroglih 4.000 SIT izdelal lasten napajalnik (transformator (220/12V), 100VA in in usmernik). Vse skupaj sem zaprl v kovinsko ohišje, ki je dodatno zračeno z 8cm ventilatorjem. Verjemite mi, tak 100W 12V napajalnik se pošteno greje, zato priporočam dodatno ventilacijo. Na začetku sem ta napajalnik vklapljal ročno, kar ni bilo najbolj praktično. Zato sem vklapljanje transformatorja uredil preko releja, ki ga krmili 12V iz računalnikovega napajalnika. Sedaj s pritiskom na tipko Power na ohišju vklopim celoten sistem (računalnik in hlajenje). Enako velja za izklapljanje (s stikalom ali softversko ob izhodu iz Oken). Možnost softverskega izklopa je še posebej pomembna, kot boste videli kasneje.

4. Vodna glava ( water block ):
To je del, ki neposredno hladi peltier. Skozi sistem vrtin teče voda, ki odvaja toploto. Narediti sem ga moral sam. Ahem... Bom povedal bolj natančno. Naredil sem samo načrt, izdelal pa ga je sosed, g. Podjavoršek, za kar sem mu zelo hvaležen (še enkrat boglonej, Vili). Uporabil sem bakreni blok dimenzij 5*10 cm, debeline 1cm, skozi katerega so v obliki serpentin izvrtane in "pofrezane" vrtine. Če nimate doma vsaj povprečne kovinarske ali strojne delavnice, se tega nikar ne lotite sami. Sem sam poskušal, tako da vem kako je... Pljunite teh nekaj tisočakov, naj vam to naredi profesionalec. Lahko kupite tudi preko neta, v tem primeru se boste znebili okoli 30$. Bakreni so boljši, ker baker bolje prevaja toploto kot aluminij, čeprav so tudi aluminijasti dovolj dobri. Pomemben je tudi pritrdilni mehanizem, s katerim boste to čudo pritrdili na procesor (Slot1 ali SlotA) ali pa na podnožje procesorja (FC-PGA, PPGA ali SocketA). V mojem primeru je to Slot1 ( oglejte si na sliki ). Na srečo so na procesorski kartici 4 luknje premera 3mm, ki sem jih uporabil, da sem z navadnimi vijaki 40*3 mm procesor, hladno poščico, peltierja in water block sestavil v celoto. Pritrditev na podnožje 370 je precej bolj težavna, predvsem zaradi izolacije, ki mora biti okoli hladnih delov in procesorja. Sam pritrdilni mehanizem je v bistvu modificiran kovinski klip, lahko pa pogruntate tudi kako drugačno varianto. Z nekaj truda se da tudi to rešiti. Še na nekaj morate biti izredno pozorni, ko pritrjujete waterblock na procesor, ne glede na to, kakšen mehnizem uporabljate. Opozorilo je splošno in velja za vsa hladilna telesa, ki se pritrjujejo na procesor. Coppermine, CeleronII, Thunderbird in Duron imajo izredno občutljivo jedro, ki se ob prevelikem pritisku ali pa če sila ne deluje pravokotno na jedro, kaj hitro okruši ali celo poči. Zato bodite skrajno previdni!

5. Izolacija:
Tole pazljivo preberite, ker ne morem dovolj poudariti pomena dobre izolacije. Zakaj? Greste kdaj na hladen pir? Kako pa veste da je hladen? Seveda, kozarec oziroma steklenica se prav simpatično orosi v pričakovanju vaših vročih ust). Stvari se torej orosijo, če so dovolj hladne, da se na njih začne iz zraka izločati vodna para v obliki drobnih kapljic. V našem sistemu pa so nekateri deli prav hladni. To so seveda peltier, hladna ploščica, procesor, procesorska kartica oziroma socket in matična plošča, če uporabljate Socket. Da, tudi matična plošča se ohladi do te mere, da se na njej nabira kondenz. Vsi ti deli morajo biti izolirani tako skrbno, da se na njih ne more narediti niti kapljica. Vidim, da nejeverno odkimavate. Na začetku sem bil seveda tudi jaz zelo »pameten«. Kakšen kondenz neki, sem si mislil. Malo penaste gobe bom dal okrog, pa bo. In res. Po kakih 10 minutah delovanja sem pogledal k procesorju, in kar sem videl mi je dvignilo lase na glavi. Od procesorja in podnožja je kapljalo na grafično kartico! Naj me strela če lažem. Če mi ne verjamete, poizkusite sami. Samo dejstvu, da kondenzirana voda praktično ne prevaja elektrike, ker v sebi nima ionov, se imam zahvaliti, da je računalnik ostal pri življenju. To mi je bila dragocena šola. Problem se je pred mano pojavil v vsej svoji velikosti. Edina rešitev je bila čim bolj tesna in povsem neprodušna izolacija hladnih delov. Poizkušal sem vse sorte. Še najbolj se mi je zdel uporaben stiropor, ki je dober izolator, lahko ga je oblikovati in je dostopen povsod. Ima pa eno slabo lastnost. Če ga stisnete, se sicer bolj ali manj vrne v prvotno obliko, vendar ne popolnoma. Zato ostjajo drobne špranje, skozi katere lahko vstopa zrak. Prvih nekaj poizkusov s stiroporom je torej propadlo. Kondenza sicer ni bilo takoj, se je pa že pojavljal po parih dneh. Po vseh trgovinah sem iskal primeren material, pa nič. Nato so se mi oči doma ustavile na miškini podlogi, ki sem jo imel ves čas pred nosom. Črna penasta guma z izredno drobnimi celicami, mehka, pa dovolj čvrsta in elastična, debela kake pol centimetra. Takoj sem jo žrtvoval za višje cilje in izkazala se je kot idealna rešitev. Iz večih plasti sem izrezal primeren tloris, ki se kar najbolj prilega peltierju, hladni ploščici in procesorju. Ko sem potem vse skupaj sestavil v celoto, je ta guma popolnoma zatesnila ves prostor okoli hladnih delov. Tudi zadnjo stran procesorske kartice sem izoliral z eno plastjo. Po nekaj dneh nepretrganega delovanja sem celo stvar razstavil, na debelo pogoltnil in pogledal, če spet kje kaj kaplja. Nič! Suho kot poper. Alelujah! Od takrat je minilo že kar nekaj tednov. Vmes sem naredil še kaka dva ali tri preventivne preglede, ki so bili bp, tako da lahko končno rečem, da sem "suh" :). Še enkrat vam polagam na srce: pazite na kondenz. Še tako dober peltier in vse drugo vam ne pomaga nič, če boste nemarni pri izolaciji. Obstajajo sicer še bolj radikalne metode. Enkrat sem imel v rokah že pištolo s silkonskoim kitom, pa sem si premislil. Kit bi pomoje sicer zalegel, vendar je problem to spet kdaj razstaviti. Če pa ste prepričani, da nikoli več ne boste razdirali hladilnika in procesorja, pa poizkusite s kitom.

6. Radiator:
Tu se ne da drugače, kakor da ga kupite. Da ne boste mislili, da tudi tega nisem poizkusil narediti sam, pa ni šlo. Potem sem uporabil grelec za zrak v avtu, ki sem ga našel na lokalnem avtoodpadu. Bil je še kar OK, primerne velikosti (okoli 13*18 cm), le lamele so bile pregoste, tako da skozi ni moglo dovolj zraka, ki bi hladil vodo. Končno sem nekje na netu našel radiatorje prav za ta namen. Velikost je okoli 13*13 cm, lamele pa so tanke, tako da je pretok zraka zadosten. Pri radiatorju velja, da večji kot je, boljši je. Senfujevi radiatorji so zelo dobri, čeprav tudi tisti, ki jih dobite na www.3dcool.com sploh niso slabi.

7. Črpalka:
Uporabljam majhno potopno črpalko, ki je potopljena v plastično posodico dimenzij približno 12*12*12 cm. Dobite jih (črpalke) v vsaki malo boljši trgovini z akvarijsko opremo. Niso drage, okoli 3.000 SIT. Pretok, ki ga taka črpalka omogoča je od 50-300 litrov na uro, kar je povsem dovolj. Pazite tudi na to, kakšno višinsko razliko lahko črplaka premaga. Ta naj bo vsaj en meter. Če se le da, vzemite črpalko z rotorjem. Poznamo tudi membranske, ki so ponavadi nekoliko cenješe, so pa glasnejše in imajo krajšo življensko dobo (ker se material, iz katerega je membrana, utrudi in počasi natrga). Posodica za črpalko je nekaj malega plastičnega s pokrovčkom od Tupperwareja. Lahko da vam je bolj pri srcu Domoware ali pa morda Rubbermaid, izbiro prepuščam vam. Pazite samo, da ima pokrov, ki se na robovih povsem tesni. Vanj boste morali izvrtati 3 luknje: za dovod in odvod vode in za črpalkin električni kabel. Luknje naj bodo čim manjše, toliko, da gredo cevi in kabel komaj skozi. Tako vam skozi te odprtine ne bo uhajala voda. Lahko pa jih še dodatno zatesnite s silkonskim kitom.

8. Ventilator:
Z njim hladimo radiator. Večji kot je, boljše je. Vendar ne pretiravajte. 12cm je povsem dovolj. Če se le da, dobite kako low-noise varianto, da ne bo vse skupaj prehrupno. Najbolje je radiator in ventilator postaviti tako, da ventilator sesa zrak ven iz ohišja in ga piha skozi radiator. V nasprotnem primeru vam bo vroč zrak grel notranjost ohišja, za kar pa vsi vemo, da ni najboljše. V mojem primeru sem moral v ohišje z dobro staro flexarco izrezati dodatno luknjo približno takih dimenzij kot ventilator, drugače ni šlo. Tja sem potem pritrdil najprej radiator in nato ventilator. Če imate manjše ohišje zna biti kar težavno... V skrajnem primeru bo moral biti sistem radiator-ventilator zunaj računalnika v svojem ohišju, kar je precej nerodno, še posebej, če morate računalnik kaj prestavljati ali vlačiti naokrog.

9. Cevi:
S cevmi je res še najmanj dela. Najboljše so silikonske, prozorne, tako da vidite, kaj se v sistemu dogaja, ali imate notri kaj zraka, ali so se vam v vodi zaredile alge ali kaj podobnega. Premer cevi je pomemben zaradi upora pri pretoku vode. Moje so 8/12 mm (notranji/zunanji premer). Boljše bi bile še večje, vendar bi moral potem znova prilagajati celoten sistem. Ožje nikakor ne smejo biti, ker vam črplaka zagotovo ne bo zmogla obremenitve zaradi prevelikega upora v ceveh. S cevmi vse elemente povežemo v celoto. Paziti je treba na vrstni red. Zakaj? Ker voda ne hladi samo peltierja in procesorja, ampak tudi črpalko, ki lahko deluje v vodi s T<35°C. Tako je pravilna pot vode: črpalka-procesor-radiator-črpalka. Čista logika. Eni sicer prisegajo na obratno pot vode, češ da črpalka dodatno greje vodo, ki gre do procesorja. Črpalka zagotovo oddaja toploto, vendar so to v primerjavi s celotno toplotno obremenitvijo zanemarljive vrednosti. Se pa lahko njena življenska doba v pretopli vodi občutno skrajša.

10. In nazadnje, H₂O:
Seveda destilirana, čeprav tudi navadna hladi ravno tako dobro. Destilirano priporočam predvsem zaradi daljše življenske dobe črpalke. Vsake toliko preverite nivo vode. Če je sistem dobro narejen, izgube vode ne bo. Če se boste bolje počutili, lahko v vodo dodate antifriz, za vsak slučaj...

Vklapljanje in delovanje:

Tako, to je v bistvu vse najnujnejše, kar potrebujete, če se boste tudi sami lotili izdelave. Edina opazna slabost je, da morate ročno vklapljati napajanje peltierja in vodne pumpe. Če poznate vsaj osnove elektronike, si boste naredili vklapljanje preko releja. Če sami tega ne boste zmogli, gotovo poznate koga, ki bi to znal. Kar brez strahu, meni je pojasnil kar prodajalec v trgovini Žarnica v Celju. Če je bilo meni jasno, bo tudi vam, brez skrbi. Zakaj torej gre? Rele je v bistvu elektromagnetno stikalo, ki ga vklaplja oziroma izklaplja določena krmilna napetost. V našem primeru ne bi moglo biti bolj enostavno. Ko prižgemo računalnik, nam 12V napetost, ki jo potegnemo do releja, premakne stikalo v releju, to stikalo pa vklopi 220V za pumpo in napajanje za peltier. Ko računalnik ugasnemo, s tem izklopimo tudi 12V krmilne napetosti, zato se izključi tudi rele. Celoten sistem se torej prižiga in ugaša z eno samo tipko.

Zakaj je potrebna še ta dodatna komplikacija v že tako dovolj zapletenem sistemu? Zaradi varnosti. Kot vsak dober overclocker ali pa napreden računalnilčar, verjetno uporabljate kak program za nadzor nad osnovnimi parametri delovanja računalnika (temperatura procesorja, sistema, napetosti, delovanje ventilatorjev...). Sam uporabljam Motherboard Monitor (ali krajše MBM), gotovo ste že slišali zanj. Še ne? Ja ljube duše, kaj pa še čakate? Takoj na http://www.chello.nl/~a.vankaam/mbm po najnovejšo verzijo. Zakaj ga priporočam? Je zastonj, deluje zanesljivo, ima krasen uporabniški vmesnik in prepozna praktično ves hardver, kar ga danes tiči v naših makinah ( luni: Ampak to še ni vse! Ima tudi prevod v Slovenščino, če pa pokličete v naslednjih 10 minutah dobite zastonj tudi liziko, ki jo drugače morate dokupiti posebej! ). Ima pa še eno dobro lastnost. Deluje v navezi s programom ShutDown NOW, ki lahko (med drugim) tudi izklopi računalnik, če dobi ukaz od drugega programa (v našem primeru od MBM). ShutDown NOW lahko potegnete z naslova www.dworld.de. Kako torej gre? V MBM se sproži alarm zaradi previsoke temperature na procesorju. Ob tem alarmu se zažene ShutDown NOW, ki po dločenem času izključi sistem. Ob tem se tudi ustvari zapis v dnevniku v MBM, tako da lahko kasneje izveste, kaj se je zgodilo.

Zdaj pa še ena hipotetična situacija. Končno ste sestavili vodno hlajeni sistem. Kul in oh in sploh. Na koncu ste bili že pošteno naveličani vsega in ste si dejali, kdo sploh še rabi rele. Bomo pač vklapljali pumpo pa peltier ročno. Vseeno pa iz previdnosti uporabljate MBM in Shutdown NOW, saj vas nič ne stane. Okay, tudi v redu. Nekega dne pa zaradi ne vem česa odpove črpalka. Vas seveda ni zraven, da bi vse skupaj ugasnili. Kaj se zgodi? Črpalka je torej crknila, peltier pa še naprej deluje. Voda ne kroži več, zato se peltier in pod njim procesor čedalje bolj grejeta. Ko je dosežena kritična temperatura, se sproži alarm v MBM in se računalnik ugasne. Toda peltier deluje še naprej. Toplota se še naprej kopiči v njem. Ko se nakopiči dovolj toplote, se peltier stali, z njim pa tudi procesor. Pravi mali core-meltdown. Ko boste naposled prišli do računalnika, bo ta ugasnjen... Za stalno. Črn scenarij, ampak še kako mogoč. Odločitev je seveda vaša. ( luni: Da to ni le larifari, vem iz osebnih izkušenj... Ko sem uporabljal Senfujevo vodno hlajenje se mi je zgodilo prav to. Sicer ni crknila pumpa, ampak sem jo pozabil vklopiti, potem pa sem šel na pošto. Ko sem se vrnil domov je preko celotnega zaslona skakalo opozorilo, da je procesor dosegel temperaturo 80 stopinj celzija. Niti pomisliti nočem, kaj bi se zgodilo, če bi v sistemu imel tudi peltier... :))

Finance:

Računica
1 peltier Tellurex 75W (www.alliedelec.com)	30$
2 radiatorja (www.3dcool.com)	70$
1 potopna črpalka (lokalni pet-shop)	10$
1 bakrena ploščica 40*40*5mm (Kovinotehna)	3$
1 water socket 100*50*10 mm	0$ - prijatelj
2m silikonske cevi 8/12mm (Kovinotehna)	5$
transformator 100VA, usmernik, rele, ohišje (Žarnica Celje)	30$
1 12cm ventilator (Žarnica Celje)	7$

Vse skupaj torej okoli 150$, bilo bi seveda še več, če bi moral kupiti še water block. Kar nekaj denarja... Žal, ekstremno hlajenje ni poceni šport. Na netu sicer dobite komplete za okroglih 100$, vendar brez peltierja in napajalnika, k temu znesku pa morate prišteti še poštnino in carino.

Zaključek:

Dobro, s tem končujem svoj prispevek. Če se boste odločili in se še sami poizkusili v elitni disciplini overclockinga, upam, da sem vam s tem pisanjem pokazal bolj ravno pot proti cilju, kot je bila moja. Kljub temu pa boste morali veliko preštudirati, premisliti in (neuspešno) poizkusiti. Zmagoslavje na koncu povrne vse. Sprašujete, če se izplača? Seveda se!