Конструируем холодильник для процессора

Создание парокомпрессионной установки — дело не очень простое, оно потребует от вас многочисленных действий. Зато результат превзойдет самые смелые ожидания.

Не так давно мы уже писали (см. www.terralab.ru/supply/25203) о серийных системах охлаждения процессоров, в основе которых лежит знакомый нам всем по бытовым холодильникам и кондиционерам фреоновый цикл. Все у этих систем хорошо, и только одно плохо: они довольно дороги даже для очень фанатичного оверклокера, да и немного их в России. Зато в России всегда было много хороших и умелых рук, которыми можно воспользоваться для самостоятельного конструирования такой системы. Обойдется это существенно дешевле серийного экземпляра, да и моральное удовлетворение вы получите несравнимое ни с чем.

Оговоримся сразу: создание парокомпрессионной установки — дело не очень простое, оно потребует от вас многочисленных действий как руками, так и ногами (в том смысле, что придется много бегать), и, конечно же, кошельком. Так что прежде чем начать, решите для себя, точно ли вам это надо, или, может, достаточно обычного воздушного кулера.

Оговорка номер два: собрать такую систему полностью автономно не удастся хотя бы потому, что для ее заправки придется обращаться в специализирующийся на ремонте холодильников или кондиционеров сервис-центр. Так что не рассчитывайте сделать все без затрат, разобрав старый бабушкин холодильник. Лучше найдите в таком сервис-центре хорошего человека, с которым вы сможете подружиться, и который будет брать за свои услуги денег существенно меньше, чем указано в прайсе. Хороших людей на свете много, и сделать это при наличии языка легко.

И, как обычно, мы не несем ответственности ни за что, кроме своих слов и действий. Все же ваши слова и действия находятся лишь в вашей ответственности, равно как и последствия этих действий.

Поехали.

Обычная малая парокомпрессионная установка (холодильник, проще говоря) состоит из пяти основных элементов: компрессора, конденсатора, испарителя, дросселя (капиллярной трубки), и фильтра-осушителя. Последний элемент необязателен, но крайне желателен. Все эти элементы замкнуты в круг по схеме компрессор-конденсатор-фильтр-осушитель-дроссель-испаритель-компрессор, и в этой замкнутой системе течет специальный хладагент — фреон, представляющий собой соединение углерода, фтора, хлора и иногда водорода. В основе фреонового цикла лежит эффект Джоуля-Томсона — понижение температуры рабочего тела (фреона) при дросселировании, то есть понижении давления рабочего вещества при протекании его через сужение в канале или какое-либо местное сопротивление (в нашем случае — капиллярная трубка). То есть фреон, проходя через капилляр, выходит оттуда, имея куда более низкое давление, чем до него. Обычно эти давления отличаются раз в пять-семь, и, закипая в испарителе, отбирает тепло, так как его температура ниже температуры охлаждаемого объекта. Затем газообразный фреон отправляется в компрессор, где снова приобретает давление 10 (это для 134-го) атмосфер, в конденсаторе газ превращается в жидкость, потом она идет в капилляр, и так далее. Фильтр-осушитель — необязательный элемент, но если его не будет, то в один прекрасный день в капилляре может образоваться ледяная пробка, так как влага, скопившаяся в системе, замерзнет и закупорит его.

Фреоны, вообще говоря, бывают разные, но в современных холодильных схемах используется фреон R134a, как безопасный и дружественный к озоновому слою земли.
Ну вот и вся нужная нам теория. Переходим к практике.

Для начала вам нужно узнать, какую тепловую мощность рассеивает ваш процессор. Затем умножить ее…ну, скажем, на 1,3, так как у нас всегда будут потери в окружающую среду, да и просто запас неплохо бы иметь. Примем для определенности, что у вас получилось N Вт. Все. Следующая остановка — фирма, торгующая компрессорами для бытовых холодильников, в которой вы говорите, что вам нужен компрессор с холодопроизводительностью N Вт на R134a при температуре –15 град. Цельсия.

Стоят компрессоры не очень дорого — от восьмисот до двух тысяч рублей. Компрессору необходимо питание 220 В, а также некая стационарная площадка, к которой его можно прикрепить (четырьмя болтами) Современные компрессоры шумят очень слабо, слабее, чем большинство высокоскоростных воздушных кулеров.

В той же фирме мы покупаем фильтр-осушитель.  Его характеристики не столь важны, так что положитесь на мнение продавцов.

Второй важный элемент — конденсатор. Его каждый из нас может увидеть, если заглянет за холодильник. Сетка из труб и ребер на задней его стенке и есть конденсатор. Можно, конечно, купить готовую решетку. Но стоит она дорого, да и разместить ее будет сложно, поэтому мы пойдем другим путем. Змеевик в самогонном аппарате видели, полагаю, все? Мы сделаем такой же. В той же самой фирме надо купить десяток метров трубки из отожженной и очищенной меди диаметром 1/4 или 3/16 дюйма. Затем надо взять кусок трубы диаметром двадцать сантиметров или даже больше, и навить трубку на эту трубу так, чтобы расстояние между витками не было меньше диаметра трубки. Осталось оснастить получившуюся конструкцию обдувающим ее вентилятором, и конденсатор готов. Конечно, это — не самый эффективный тип конденсатора, да и не самый компактный — если повозиться с оребрением, то длину трубки можно существенно уменьшить, но зато такой змеевик достаточно прост в изготовлении и наиболее дешев. Температура конденсации при нормальной для нас летом температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия составит около 40 градусов, и горячим этот блок не будет. Однако, его тепловая мощность будет весьма приличной, так что даже думать о его размещении внутри корпуса, или рядом с охлаждаемыми элементами, не стоит.

Следующий блок — капилляр. Между ним и конденсатором, напоминаю, надо разместить еще и фильтр-осушитель, но его конструировать не надо, надо лишь припаять, так что тут мы останавливаться не будем.

Итак, капилляр. Продается он в том же магазине, и представляет собой трубку внутренним диаметром 1 мм. Нам нужно около 2,5 м такой трубки. Затем мы берем ту оправку, на которой мы делали конденсатор, и навиваем на нее теперь уже капилляр, следуя тому же правилу — расстояние между витками не должно быть меньше диаметра трубки. Он в вентиляторе не нуждается. Достаточно будет просто положить его куда-нибудь. Альтернативный вариант — навить часть капилляра на фильтр-осушитель. В этом случае схема займет немного меньше места.

Все уже описанные элементы покупаются практически в готовом виде, и никаких трудностей при их доводке под личные нужды возникнуть не должно. Основные же трудности — впереди. Испаритель, то есть тот элемент, на котором и производится холод, в магазине не продается. Вернее, продается, но там он совсем не такой, какой нужен нам. В нашем случае необходимо отводить тепло с процессора, который, как известно, имеет приличную тепловую мощность, и неприлично малую площадь. Дело осложняется еще и тем, что расчет испарителя — задача сложная, требующая применения дорогих специализированных программ. Простые формулы тут неприменимы, так как они дают приемлемый результат только на простых поверхностях. Применить же те блоки охлаждения, которые входят в состав серийных компьютерных парокомпрессионных систем, нам мешает то, что отдельно от всего остального они не продаются.

Однако простой выход существует, и, хотя это опять-таки не самое эффективное решение, оно вполне работоспособно. Для его изготовления вам понадобится обычный воздушный кулер нормальной формы с медным основанием и медными ребрами, например, в случае с процессором Athlon — Titan TTC-CU5TB, а также лист меди толщиной 1-2 мм, и два медных патрубка. От кулера нам нужно только основание и ребра, все остальное (вентилятор и клипсу крепления) можно выкинуть. Из листа меди изготавливаем (самостоятельно, или с помощью жестянщика) короб, имеющий габариты основания и высоту ребер, накрываем им основание, и крепко и герметично припаиваем их друг к другу. Перед этим на противоположных сторонах короба надо высверлить два отверстия, и припаять к ним патрубки. Получившаяся в итоге конструкция будет иметь вид закрытого со всех сторон параллелепипеда с двумя трубками по бокам, и будет достаточно эффективно отводить от процессора тепло во-первых, за счет массивного медного основания, которое даст работу всем ребрам, а во-вторых, за счет кипения фреона на этих самых ребрах. Крепление же блока испарителя к сокету лучше всего проектировать так, чтобы не задействовать в нем сокет. В случае с Pentium 4 и Socket 478 все и так понятно — скорее всего, штатная рамка от того, что раньше было кулером, подойдет и к этой конструкции. Случай с Socket A сложнее, но не даже он не безнадежен. Большинство материнских плат Socket A имеет в районе сокета четыре отверстия. Существуют также и корпуса, которые имеют четыре отверстия с резьбой ровно в тех же местах, что и материнские платы. Если вам повезло, и у вас — именно такое сочетание, то вкручивайте в резьбовые отверстия корпуса прилагаемые к нему ножки, покупайте в любом хозяйственном магазине четыре достаточно длинных винта с соответствующей резьбой, и ищите две узкие полоски углеродистой стали длиной сантиметра на три больше ширины блока охлаждения. Теперь нужно лишь просверлить в нужных местах этих полосок отверстия, наложить их на блок, и затягивать длинные винты до тех пор, пока вы не поймете, что нужная степень прижатия уже достигнута. Между блоком и полосами можно поместить резиновую или поролоновую прокладку.

Если же в вашем корпусе таких отверстий нет, то вся тяжесть блока ляжет на материнскую плату. Помимо полосок стали и винтов, вам понадобится еще и достаточно толстый (миллиметров 5) лист металла размером больше размеров прямоугольника, ограниченного отверстиями в плате, и точно такой же лист резины или другого изолирующего упругого материала. Приложив лист металла к обратной стороне материнской платы, наметьте места расположения отверстий, затем высверлите их, и нарежьте внутри нужную вашим длинным винтам резьбу. В куске резины проделайте дырки ровно в тех же местах, и соберите полученную конструкцию, проложив резину между металлом и материнской платой. Затем — все так же, как и в предыдущем случае.

А уж если у вас нет даже отверстий в материнской плате, то вам можно только посочувствовать. Придется крепить блок на лапки сокета, а это, во-первых, непрочно, а во-вторых, не очень просто.

Кроме этого, нам понадобится соединительная трубка, тоже медная, диаметром 3/8 дюйма. Она свяжет испаритель и входной патрубок компрессора. Также крайне желательно обзавестись трубчатым рубафлексом (тепловой изоляцией) соответствующего диаметра для того, чтобы изолировать все промежуточные трубки от окружающей среды. Также купите несколько десятков квадратных сантиметров любой вспененной листовой теплоизоляции — ей мы обклеим блок охлаждения CPU. Крайне желательно обзавестись некоторым количеством низкотемпературного герметика — им придется залить все щели и пустоты между основанием блока охлаждения и процессором. Это нужно для того, чтобы избежать образования в этих пустотах конденсата. Разумеется, класть герметик нужно до того, как вы установите блок на процессор, и особенно жалеть его не надо — его излишки просто вытекут, и их можно будет удалить. Главное — не залить герметиком сам процессор.

Все соединения необходимо тщательно пропаивать. Пайка обеспечивает наибольшую надежность соединений. Есть еще один тип соединения, который используется в такого рода системах, однако, несмотря на то, что сам способ получается дешевле, техническое его исполнение достаточно сложное — из-за необходимости хорошо и ровно развальцовывать конец трубки. Так что не будем о нем.

Можно, в принципе, паять все и самому, для этого вам понадобится небольшая газовая горелка, а также медный припой с флюсом. Но, если вы не чувствуете в себе уверенности, и никогда такой пайкой не занимались, лучше обратиться в фирму, специализирующуюся на оказании такого рода услуг, или хотя бы в автосервис. Возможная дырка в системе выйдет вам дороже. Никаких соединительных трубок, кроме указанной, вам не понадобится — сразу за компрессором начинается трубка конденсатора, которая на нужном вам удалении закручивается в спираль, а дальше, до испарителя, идет капилляр.

Заправочный патрубок находится на самом компрессоре, и как ей пользоваться, специалисты-заправщики знают. Заправлять самостоятельно — дело сложное и дорогое, так что тут без услуг фирмы не обойтись. Рассчитать массу заправки фреона можно, но достаточно сложно, и делать это надо индивидуально для каждой системы, поэтому проще всего заправлять систему до тех пор, пока давление в неработающей системе не установится на уровне около четырех атмосфер. Само собой, заправлять надо полностью собранную и герметичную систему.  И разумеется, желательно проверить ее перед тем, как устанавливать на процессор.

Вот, пожалуй, и все, что можно сказать о конструировании такой системы. Можно, конечно, привести тут массу формул, и много разных справочных данных, но не очень нужно, потому что многое в холодильникостроении подбирается и конструируется опытным путем. Вот так мы предлагаем поступить и вам. Для этого необязательно заканчивать институт по специальности «Физика низких температур», достаточно лишь иметь желание, правильные руки и немного денег на запчасти и заправку системы. Дерзайте! Такой системы точно ни у кого нет. Но мы никакой ответственности ни за что не несем!