Системы охлаждения ПК. Как это работает? Часть 1

Любое устройство, потребляющее энергию, выделяет тепло, и избавиться от его избытка зачастую весьма нелегко. О способах охлаждения ПК (системы охлаждения), о возникающих трудностях и о том, как избежать подводных камней — об этом вы узнаете в данной статье. Данная тема очень большая, и поэтому она была разделена на две части. И, так…

Когда лето стремительно вступает в свои права; столбик термометра начинает ползти вверх, тогда все чаще и чаще приходится задумываться о том, как обеспечить комфортную температуру. Поверьте: для компьютеров проблема борьбы с жарой не менее актуальна, чем для их пользователей. Даже если условия в помещении вполне нормальные (20-22°С), температура в системном блоке достигает 30-32°С. И это в лучшем случае. Чем жарче на улице и в квартирах, тем острее вопрос защиты от перегрева и тем пристальнее внимание к системам охлаждения системного блока и его компонентов.

Чтобы грамотно решить проблему, необходимо хотя бы в общих чертах представлять, зачем вообще нужны компьютерам системы охлаждения, почему системные блоки перегреваются и как обезопасить «вычислительного друга» от теплового удара. В этой статье вы не найдете длинного перечня моделей кулеров, но, прочитав ее, сами сможете выбрать подходящие компоненты системы охлаждения ПК и грамотно подойти к выбору нового корпуса.

Почему он греются системы охлаждения

Причина тривиальна: как любой электроприбор, компьютер рассеивает часть (порой весьма значительную) потребляемой электроэнергии в виде тепла — например, процессор переводит в тепло почти всю использованную энергию. Чем больше ее нужно системному блоку, тем сильнее нагреваются его компоненты. Если тепло вовремя не отводить, это может привести к самым неприятным результатам. Особенно актуальна проблема теплоотведения и охлаждения для современных моделей процессоров (как центральных, так и графических), устанавливающих все новые рекорды производительности (а нередко и тепловыделения).

Каждый компонент ПК, рассеивающий много тепла, оснащается охлаждающим устройством. Как правило, в таких устройствах присутствуют металлический радиатор и вентилятор — именно из этих компонентов состоит типичный кулер. Важен также термоинтерфейс между ним и нагревающимся компонентом — обычно это термопаста (смесь веществ с хорошей теплопроводностью), обеспечивающая эффективную передачу тепла к радиатору кулера. Прогресс в области систем охлаждения, благодаря которому появились такие технологические новинки, как термотрубки, обеспечил создателям компонентов для персональных компьютеров новые возможности, позволив отказаться от шумных кулеров. Некоторые компьютеры оснащаются водяными системами охлаждения — они имеют свои достоинства и недостатки. Обо всем этом рассказывается далее.

Рост тепловыделения ПК

Главная причина, по которой компьютеры выделяют все больше и больше тепла, состоит в том, что повышается их вычислительная мощность. Наиболее существенны следующие факторы:

• рост тактовых частот процессора, чипсета, шины памяти и прочих шин;
• рост числа транзисторов и ячеек памяти в чипах ПК;
• увеличение мощности, потребляемой узлами ПК.

Чем мощнее компьютер, тем больше электричества он «съедает» — следовательно, неизбежен рост тепловыделения. Несмотря на применение изощренных технологических процессов при производстве чипов, их потребляемая мощность все равно растет, увеличивая количество тепла, рассеиваемого в корпусе ПК. Кроме того, возрастает площадь плат видеокарт (например, из-за того, что необходимо разместить больше микросхем памяти). Результат — рост аэродинамического сопротивления корпуса: громоздкая плата просто перекрывает доступ охлаждающего воздуха к процессору и блоку питания. Особенно актуальна эта проблема для ПК в маленьких корпусах, где расстояние между видеокартой и «корзиной» для HDD составляет 2-3 см, — а ведь в этом пространстве еще проложены шлейфы приводов и прочие кабели… Микросхемы оперативной памяти тоже становятся все «прожорливее», а современные ОС требуют все большего ОЗУ. Например, в Windows 7 для него рекомендуется 4 Гб — таким образом, рассеивается несколько десятков ватт тепла, что дополнительно усугубляет ситуацию с тепловыделением. Микросхема системной логики на материнской плате тоже является весьма «горячим» компонентом. Налицо парадокс: тепловая нагрузка в современных корпусах растет высокими темпами, а их конструкция почти не меняется: производители берут за основу рекомендованный Intel дизайн почти 10-летней давности. Модели, приспособленные к интенсивному тепловыделению, встречаются нечасто, а малошумные — и того реже.

Системы охлаждения. Последствия пepeгpeвa

При избытке тепла компьютер в лучшем случае начнет тормозить и зависать, а в худшем — один или несколько компонентов выйдут из строя. Высокие температуры очень вредны для «здоровья» элементной базы (микросхем, конденсаторов и пр.), особенно для жесткого диска, перегрев которого чреват потерей данных.

Емкость современных HDD позволяет хранить на них обширные коллекции музыки и видео, рабочие документы, цифровые фотоальбомы, игры и многое другое. Диски становятся все компактнее и быстрее, но за это приходится расплачиваться большей плотностью записи данных, хрупкостью конструкции, а значит, и уязвимостью начинки. Допуски при производстве емких накопителей измеряются микронами, так что малейший «шаг в сторону» выводит диск из строя. Потому HDD столь чувствительны к внешним воздействиям. Если диску приходится работать вне оптимальных условиях (например, с перегревом), вероятность потери записанных данных резко возрастает.
На заметку. Уязвимость жестких дисков. Внутри корпуса жесткого диска над поверхностью вращающихся пластин скользят подвижные магнитные головки, управляемые высокоточной механикой. Они осуществляют запись и чтение данных. При нагревании материалы, из которых сделаны компоненты диска, расширяются. В рабочем диапазоне температур механика и электроника вполне справляются с тепловым расширением. Однако при перегреве оно превышает допустимые пределы, и головки жесткого диска могут «промахиваться», записывая данные не там, где нужно, пока компьютер не будет выключен. А когда его снова включат, остывший жесткий диск не сможет найти данные, записанные в перегретом состоянии. В подобном случае информацию удается спасти только при помощи сложного и дорогого спецоборудования. Если температура превышает 45°С, для охлаждения жесткого диска рекомендуется установить дополнительный вентилятор.

Охлаждение ПК: азы

Если температура воздуха в системном блоке держится на уровне 36°С или выше , а температура процессора — более 60°С (либо жесткий диск постоянно нагревается до 45°С), пора принимать меры по улучшению охлаждения. Но прежде чем бежать в магазин за новым кулером, примите во внимание несколько моментов. Не исключено, что проблему перегрева можно решить более простым способом. Например, системный блок должен располагаться так, чтобы имелся свободный доступ воздуха ко всем вентиляционным отверстиям. Расстояние, на которое его тыльная часть отстоит от стены или мебели, должно быть не меньше, чем два диаметра вытяжного вентилятора. Иначе возрастает сопротивление оттоку воздуха, а главное — нагретый воздух дольше остается рядом с вентиляционными отверстиями, так что значительная его часть вновь попадает в системный блок. Если он установлен неправильно, от перегрева не спасет даже самый мощный кулер (эффективность работы которого определяется разностью между его температурой и температурой охлаждающего радиатор воздуха).

Классическа схема охлаждения корпуса ПК

Максимально эффективное охлаждение достигается при равенстве температур воздуха в системном блоке и в помещении, где он находится. Единственный способ получить такой результат — обеспечить эффективную вентиляцию. Для этого используются кулеры всевозможных конструкций. В стандартном современном персональном компьютере обычно устанавливается несколько кулеров:

• в блоке питания;
• на центральном процессоре;
• на графическом процессоре (если в компьютере имеется дискретная видеоплата).

В отдельных случаях применяются дополнительные вентиляторы:

• для микросхем системной логики, расположенных на материнской плате;
• для жестких дисков;
• для корпуса ПК.

Эффективность охлаждения

Выбирая корпус для системного блока ПК, каждый из пользователей руководствуется собственными критериями. Например, моддерам требуется оригинальное дизайнерское решение либо возможность переделки для воплощения оного. Оверклокерам нужен корпус, в котором комфортно почувствует себя до предела разогнанный процессор, видеокарта, оперативная память (список можно продолжать). И при этом все, конечно, хотят, чтобы системный блок был тихим и небольшим по размеру. Однако навороченный ПК может выделять до 500 Вт тепла (см. таблицу). Осуществимы ли пожелания с точки зрения законов физики?

Примерные параметры тепловыделения компонентов среднестатистического системного блока компьютера (при высокой вычислительной нагрузке). Основными источниками тепла являются материнская плата, центральный процессор и графический процессор видеокарты (на их долю приходится более половины рассеиваемого тепла).

На заметку. Сколько же тепла выделяет компьютер? Есть несколько способов измерить тепловыделение.

1. По значениям потребляемой мощности, указанным в документации к компонентам ПК. ДОСТОИНСТВА: доступность, простота. НЕДОСТАТКИ: высокая погрешность и как следствие завышенные требования к системе охлаждения.
2. С помощью сайтов, предоставляющих сервис для расчета тепловыделения (и потребляемой мощности),- например, . ДОСТОИНСТВА: не придется рыться в мануалах или путешествовать по сайтам производителей — нужные данные имеются в базах предлагаемых сервисов. НЕДОСТАТКИ: составители баз не поспевают за производителями узлов, поэтому базы не редко содержат недостоверные данные.
3. По значениям потребляемой узлами мощности и коэффициентам тепловыделения, найденным в документации или измеренным самостоятельно. Этот способ — для профессионалов либо больших энтузиастов оптимизации системы охлаждения. ДОСТОИНСТВА: дает самые точные результаты и позволяет наиболее эффективно оптимизировать работу ПК. НЕДОСТАТКИ: чтобы использовать данный способ, необходимы серьезные знания и немалый опыт.

Системы охлаждения. Пути решения

Главный принцип: чтобы отвести тепло, необходимо пропустить через системный блок определенное количество воздуха. Причем его объем должен быть тем больше, чем жарче в помещении и чем сильнее перегрев. Простой установкой дополнительных вентиляторов проблему не решить. Ведь чем они многочисленнее, мощнее и «оборотистее», тем «звучнее» ПК. Причем мало того, что шумят двигатели и лопасти вентиляторов, — вследствие вибраций шумит весь системный блок (особенно часто это бывает при некачественной сборке и использовании дешевых корпусов). Для исправления такой ситуации рекомендуется применять низкооборотные вентиляторы большого диаметра. Чтобы можно было добиться эффективного охлаждения, не используя шумные вентиляторы, системный блок должен иметь низкое сопротивление для воздуха, который через него проходит (на профессиональном языке это называется аэродинамическим сопротивлением). Говоря попросту — если воздух с трудом «пролезает» сквозь тесное пространство, забитое кабелями и компонентами, приходится ставить вентиляторы с большим избыточным давлением, а они неизбежно создают сильный шум. Другая проблема — пыль: чем больше воздуха надо прокачивать, тем чаще требуется очищать внутренность корпуса (об этом поговорим отдельно).

Аэродинамическое сопротивление

Для оптимального охлаждения всегда желательно использовать большой корпус. Только так можно добиться комфортной работы без шума и перегрева даже при аномальной (свыше 40°С) жаре. Маленький корпус уместен лишь в том случае, если компьютер имеет низкое тепловыделение либо используется водяное охлаждение. Впрочем, для минимизации шума вовсе не обязательно собирать ПК с воздушным охлаждением в морском контейнере или в холодильнике. Достаточно учесть рекомендации специалистов. Так, свободное сечение в любом разрезе корпуса должно быть в 2-5 раз больше проходного сечения вытяжных вентиляторов. Это также относится и к отверстиям для подачи воздуха.

Для того чтобы снизить аэродинамическое сопротивление, нужно:

• обеспечить в корпусе достаточно свободного места для потоков воздуха (оно должно быть в несколько раз больше суммарного сечения вытяжных вентиляторов);
• аккуратно уложить кабели внутри системного блока, используя стяжки;
• в месте подачи воздуха в корпус установить фильтр, задерживающий пыль, но не оказывающий сильного сопротивления воздушному потоку; фильтр следует регулярно чистить.

Соблюдение нехитрых правил позволит установить низкооборотные вытяжные вентиляторы. Как уже говорилось, корпус должен обеспечивать подачу холодного воздуха из помещения, где стоит ПК, ко всем «горячим» компонентам без больших энергетических затрат (т.е. минимальным числом вентиляторов). Объем воздуха должен быть достаточным, чтобы его температура на выходе из корпуса не оказалась слишком высокой: для эффективной теплоотдачи компонентов ПК разность температур воздуха на входе и на выходе из системного блока не должна превышать нескольких градусов.

Вот одна из концепций построения системы воздушного охлаждения:

• забор воздуха осуществляется внизу и спереди корпуса , в «холодной» зоне;
• вывод воздуха производится вверху и сзади, через блок питания. Это соответствует естественному движению нагретого воздуха вверх;
• при необходимости устанавливается дополнительный вытяжной вентилятор с автоматической регулировкой, расположенный рядом с БП;
• обеспечивается дополнительный забор воздуха для видеокарты через заглушку PCI-Е;
• обеспечивается слабое вентилирование отсеков 3″ и 5″ дисков за счет слегка отогнутых заглушек незанятых отсеков;
• важно пустить основной поток воздуха через самые «горячие» компоненты;
• суммарную площадь заборных отверстий желательно довести до удвоенной площади вентиляторов (больше не требуется, поскольку эффекта это не даст, а накопление пыли увеличится).

В соответствии с данными рекомендациями можно дорабатывать корпуса самостоятельно (интересно, но хлопотно) либо при покупке выбирать соответствующие модели. Примерные варианты организации потоков воздуха через системный блок приводятся на рисунках ниже.

«Правильный» вентилятор

Если системный блок слабо «сопротивляется» потоку вдуваемого воздуха, можно использовать любой вентилятор, лишь бы он давал достаточный для охлаждения поток (об этом можно узнать из его паспорта, а также пользуясь онлайн — калькуляторами). Другое дело, если сопротивление воздушному потоку значительно — именно так обстоит дело с вентиляторами, монтируемыми в плотно «заселенные» корпуса, на радиаторы и в отверстия, забранные перфорацией. Если вы решили самостоятельно заменить вышедший из строя вентилятор в корпусе или на кулере, устанавливайте такой, который обладает не меньшими значениями расхода и избыточного давления воздуха (см. паспорт). Если соответствующей информации нет, использовать подобный вентилятор в ответственных узлах (например, для охлаждения процессора) не рекомендуется.

Если уровень шума не слишком важен, можно устанавливать «оборотистые» вентиляторы большего диаметра. Более «толстые» модели
позволяют снижать уровень шума, одновременно повышая давление воздуха.

В любом случае обращайте внимание на зазор между лопастями и ободом вентилятора: он не должен быть большим (оптимальная величина исчисляется десятыми долями миллиметра). Если расстояние между лопастями и ободом больше 2 мм, вентилятор окажется малоэффективным.

Системы охлаждения. Воздух или вода?

Довольно широко распространено мнение, согласно которому водяные системы намного действеннее и тише обычных воздушных. Так ли это на самом деле? Действительно, теплоемкость у воды вдвое, а плотность — в 830 раз выше, чем у воздуха. Это значит, что равный объем воды способен отвести в 1658 раз больше тепла. Однако с шумом все не так уж и просто. Ведь теплоноситель (вода) в итоге отдает тепло все тому же «забортному» воздуху, и водяные радиаторы (за исключением огромных конструкций) оснащены такими же вентиляторами — их шум добавляется к шуму водяного насоса. Поэтому выигрыш, если он есть, не так уж велик.

Конструкция сильно усложняется, когда необходимо охладить несколько компонентов потоком воды, пропорциональным их тепловыделению. Не считая разветвленных трубок, приходится применять сложные регулирующие приборы (простым и тройниками и крестовинами не обойдешься). Альтернативный вариант — использовать конструкцию с раз и навсегда отрегулированными на заводе потоками; но в этом случае пользователь лишен возможности существенно изменить конфигурацию ПК.

Пыль и борьба с ней

Вследствие перепадов скоростей системные блоки компьютеров становятся настоящими пылесборниками. Скорость воздуха, идущего через входные отверстия, многократно превышает скорость потоков внутри корпуса. Кроме того, воздушные потоки часто меняют направление, огибая компоненты ПК. Поэтому большинство (до 70%) приносимой извне пыли оседает внутри корпуса; необходимо хотя бы раз в год производить чистку. Впрочем, пыль может стать вашим «союзником» в борьбе за повышение эффективности системы охлаждения. Ведь активное ее оседание наблюдается как раз в тех местах, где воздушные потоки распределяются не оптимальным образом.

Продолжение следует. Читайте продолжение статьи: Системы охлаждения ПК. Как это работает? Часть 2.