Vodní chlazení - detailní konstrukce bloků | Kapitola 3
Seznam kapitol
Zaujal vás minulý článek o vodním chlazení a chcete víc? Máte vodní chlazení a chtěli byste si ho něčím vlastním okořenit? Rádi zkoumáte věci do hloubky? Nebo se chcete dát na dráhu profesionálního konstruktéra vodních bloků a vyrábět vlastní bloky? Pokud jste odpověděli alespoň na jednu otázku ano, pak se pohodlně usaďte, protože právě po vás je připravených několik vět o této problematice.
Dostáváme se k tomu nejdůležitějšímu v tomto článku. Bez ohledu jak blok vyrábíte a kde ho vyrábíte, vždy chcete dosáhnou toho nejlepšího možného chladícího účinku jaký je ve vašich možnostech. Pomyslný výkon vodního bloku nám určuje teplotní rozdíl mezi
styčnou plochou čipu a teplotou chladicí kapaliny. Čím menší je tento rozdíl, tím blok méně omezuje předávání tepla a je lepší - výkonnější. Ideální by byl tedy rozdíl 0 °C, kterého v praxi nelze dosáhnout vlivem omezené schopnosti látek vést teplo, ale to jsme si již řekli v minulém článku.
Kapitolku o vhodných materiálech pro výrobu základny bloku, pomocí kterých bychom se k této hodnotě mohli alespoň přiblížit, již máme za sebou a teď se podíváme na další parametry, jaké musí blok dosahovat, abyste byli se svým výtvorem spokojeni. Tuto věc není lehké vysvětlit ani pochopit, protože „všechno souvisí se vším“ a pokud změníte jeden parametr, ovlivníte tím i ostatní. Nejpodstatnější je „trefit“ poměr mezi velikostí styčné plochy a vzniklému odporu kapalině – nikdo přeci nechce ve svém vodníkovi používat čerpadlo velké jak počítač samotný :-)
Možná si teďka říkáte, že si protiřečím, když v podstatě říkám, že jsme omezeni čerpadlem, i když jsme v minulém článku tvrdili opak. Jelikož je tohle next-level povídání, tak to upřesním. Můžete vyrobit vodní blok s opravdu malými výstupky, s opravdu malými cestičkami pro tok vody s teoreticky obrovským potenciálem, který by uchladil úplně všechno co vás napadne, ale tu vodu přes něj musíte protlačit… čerpadlem… V tom případě zapomeňte na malinkatá čerpadla o velikosti pár centimetrů, protože na tohle byste potřebovali čerpadlo s výkonem několika desítek atmosfér. A samozřejmě takový tlak nevydrží běžné hadičky, takže byste museli použít speciální tlakové a dalo by se pokračovat. Aby náš počítač vypadal jak továrna, to přece nikdo nechceme. Takže se musíme pohybovat v hodnotách již zavedených trhem - to jen tak na okraj.
Nejdůležitější věcí, kterou si musíte uvědomit je, že každá srážka molekuly vody s plochou bloku vede k přenosu tepla z bloku do vody a tím ochlazení čipu. Takže jak dosáhnout co možná největšího počtu těchto srážek?
Velikost „aktivní“ styčné plochy
Tento parametr vyjadřuje, na jak velké ploše se stýká chladicí kapalina s blokem. Logicky, čím větší styčná plocha je, tím se odevzdá více tepla kapalině, protože molekuly kapaliny se častěji stýkají s povrchem bloku. Proč ale zmiňuji zrovna „aktivní“? Protože čip má velikost 15x15 mm, tepelný rozvaděč 35x35mm a třeba takový Viscool waterblock V2 má tuto plochu v okruhu jen 17 mm a přesto chladí výborně, zatímco blok Swiftech Apogee má výstupky po celé ploše základny, ale není vzhledem několika násobně větší styčné ploše adekvátně výkonnější. Pro správné pochopení se podívejte na obrázek níže.
Na obrázku je znázorněný prostup tepla blokem ze středu čipu ke krajům. Jelikož je nejteplejší část přímo u zdroje tepla, musíme dosáhnout velké plochy právě zde. Další zvyšování plochy u chladných okrajů je zbytečné, ba dokonce nežádoucí kvůli dalšímu zvyšování odporu proudící kapalině. Říkáte, že je to jasná věc? Divili byste se, kolik moderních bloků tuto věc neřeší a zbytečně se okrádá o výkon. Zároveň je toto jedna z nejčastějších chyb v návrzích, které se objeví na fóru. Vyřešit tento problém u GPU a monolitických CPU je celkem brnkačka, ale jelikož nás firma Intel zásobuje i „slepenci“ dvou jader, tak vznikají i speciální řešení šitá na míru těmto procesorů. Podtrženo sečteno – pro náš cíl potřebujeme dosáhnout co možná největší styčné plochy v teplé (aktivní) zóně bloku.
Tvorba lineárního a turbulentního proudění
V úvodu kapitoly jsme si řekli, jak důležitý je styk molekul kapaliny s blokem, ale jeden z těchto druhů proudění tomu moc nenapomáhá. Při laminárním proudění kapaliny se proudnice (trajektorie pohybu částic v kapalině) pohybují vůči sobě rovnoběžně a nemísí se. Naopak při turbulentním proudění se proudnice kříží, mísí a navzájem se ovlivňují. Vznik těchto proudění závisí na rychlosti proudění kapaliny, kdy při nižších rychlostech se tvoří laminární proudění a u vysokých rychlostí vzniká turbulentní proudění. A co je teda pro nás lepší? Z hlediska nízkého kinematického odporu kapaliny je lepší vést kapalinu lineárně (například v hadičkách), ale pro přenos a odvod tepla v bloku je klíčové turbulentní proudění. Problematiku nejsnáze pochopíte z obrázku:
Vlevo nastává situace, kdy důsledkem laminárního proudění chladicí kapaliny se musí teplo složitě (a hlavně pomalu) vést přes jednotlivé vrstvy molekul v kapalině (důvod si vysvětlíme později). Proto u zdroje tepla je kapalina nejteplejší a na opačné straně je naprosto nevyužita její tepelná kapacita. Tento problém řeší turbulentní vedení kapaliny, kdy se molekuly pohybují po téměř celém objemu kapaliny a tím se maximálně využije její kapacita, ale co je důležitější, několikanásobně se tím zvýší rychlost odvodu tepla ze zdroje. Naštěstí dilema „vést či nevést“ máme vyřešený, protože vzhledem k rozměrům, které se vyskytují v běžném okruhu, se v něm všude kapalina pohybuje turbulentně. Záleží tedy pouze jak moc.
Rychlost proudění kapaliny
Ano, ne jenom čerpadlem, ale i konstrukcí bloku můžeme ovlivnit rychlost proudění kapaliny blokem. Jak je to možné? Kdysi dávno pan Daniel Bernoulli zjistil, že pokud kapalina proudí daným průřezem, tak se její průtok nemění, ani když tento průřez měníme. Mění se pouze rychlost jejího proudění. Přeloženo: čím menší prostor vodě dáme, tím větší rychlostí budě proudit. Jestliže v minulém článku z nás mohli být milionáři, pokud by nám někdo dával korunu pokaždé, když se někdo na fóru zeptá, jak dostat teplotu na 20 stupňů když je léto a teploty přes 30 stupňů, tak zde by to bylo pokaždé, když se někdo zeptá, jak se změní průtok, když použije širší hadičky. Co je smutnější, objeví se i tací, kteří tvrdí, že se širšími hadicemi se dosáhne většího průtoku. To je samozřejmě hloupost. Teda abych byl přesný s předešel různým nařčením, platí to pouze do určité míry, protože širší průměr hadic tvoří menší tlakové ztráty, a tím se v okruhu o malinko zvedne průtok, nicméně zvýšení je skutečně zanedbatelné.
Dynamický odpor prostředí
Bohužel, nic na světě není tak jak bychom si přáli, a tak částice v kapalině na sebe působí a vzniká tření, které ji zpomaluje. Tento jev závisí na tzv. viskozitě kapaliny. Co to viskozita je, vysvětlím na příkladu. Představte si hadičku, kterou protéká kapalina. Její rychlost ale není v celém průřezu stejná, protože kapalina proudí hadičkou ve vrstvách, a vrstva těsně u stěny trubice má rychlost prakticky nulovou a brzdí pohyb sousedních laminárních vrstev. Z toho plyne, že nejvyšší rychlost má kapalina ve středu průřezu. Vzpomínáte si na obrázek o rozvodu tepla v kapalině? Nyní je jasné, proč dochází u lineárního proudění k tak špatnému rozptylu tepla, když se molekuly na povrchu styčné plochy nepohybují. Vzniklý odpor tedy způsobuje snížení rychlosti proudění kapaliny, která je důležitá pro odvod tepla. Musíme tedy navrhovat takové konstrukce, které mají minimální odpor.
U turbulentního proudění se kapalina sice nepohybuje ve vrstvách, ale stále zde existuje zmíněná vnější vrstva, která se téměř na povrchu nepohybuje. Také dochází k brzdění kapaliny, ale ne tak markantně jako u lineárního vedení.
Dynamický odpor lze v jednoduchých případech (například když vkládáme teplotní čidlo do hadičky) snadno spočítat, ovšem u tak složitých případů jako jsou vodní bloky je mnohem jednodušší si celou situaci nechat nasimulovat ve speciálních programech. Bohužel tyto programy jsou velmi drahé (i milionové licence) a musí se v nich umět. Nejsnadnější je se odporem příliš nezabývat a s příchodem zkušeností se naučíte velikost odporu odhadovat a porovnávat.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
