Контурные тепловые трубки (терконы) - рецепт приготовления эффективного охлаждения компьютера

Приветствую, дорогие читатели! В этой статье я постараюсь познакомить вас с передовой технологией в системах охлаждения — контурными тепловыми трубками (терконы) и применить их на практике, собрав небольшой тихий корпус для ПК на их основе.

В этот раз придется задействовать ЧПУ металлообработку, так что DYI будет не для всех (но можно и без этих процедур). Очень много фото!

Пролог

Конечно, сейчас достаточно готовых и компактных решений по корпусам и охлаждению для ПК, как может справедливо заметить каждый первый. Но, у самурая самодельщика нет цели, только путь. И предлагаю его совместно пройти!

Как все начиналось

Одним прекрасным утром я осознал, что настало время заменить свой старый (тоже в самопальном корпусе) ПК на что то гораздо более свежее и производительное. Вместе с корпусом — и шумноват стал, и запаса по охлаждению СО нет никакого.

В плане выбора комплектующих сейчас все вполне просто — о видеокартах можно даже не задумываться и забыть что такое существует (спасибо за это ценам). А ещё китайцы предлагают весьма доступные и интересные варианты распаянные на стеклотекстолитовую подложку под настольный сокет мобильные CPU. Итого получился вот такой набор:
— CPU QNCT
— MB Asus H110T Thin Mini ITX
— RAM 8Gb DDR4 x2
— SSD 500ГБ, M.2 2280, SATA III

Добавлю парочку замечаний.
По процессору — что бы раз и навсегда снять вопрос с прилеганием сокетных СО к крохотному кристаллу
была добавлена теплораспределительная крышка от какого то древнего процессора.
Крышка обтачивается у основания, что бы по высоте прилегала к кристаллу и с боков, что бы влезла на подложку:

Немного термопасты и автомобильного нейтрального герметика:


SSD изначально брался под иные цели, но в итоге было решено его использовать в этой сборке. А так как материнка конструктивно не поддерживает размещение накопителей длиной 80мм и более, то пришлось использовать такой адаптер:

Проектирование СО, или придумываем себе проблемы занятие

Физика девушка бескомпромиссная — хочешь компактности — жертвуешь эффективностью охлаждения (теплообмена) и/или тишиной. А жертвовать ой как не хотелось тишиной (особенно после пополнения в семье). Под нож пошла компактность — что бы сделать в идеале бесшумный ПК (пассивное охлаждение) нужен очень большой радиатор. Но путать ПК с батареей отопления тоже не вариант, так что можно предусмотреть (делать этого я конечно же не буду) размещение кулеров с минимальными оборотами — даже незначительный поток воздуха по сравнению со свободной конвекцией улучшит эффективность теплоотвода с радиатора и позволит использовать вариант покомпактнее. Подобное утверждение на практике много раз было проверено при тестировании массивных кулеров, предполагающих работу без своего вентилятора. Например, на графике из статьи видно, как резко начинает расти температура при снижении обдува (к этому моменту ещё вернемся в нашем диагнозе случае):


А что если… радиатор будет частью корпуса и вообще на нем все разместить — и MB, и накопитель, и блок питания? Взять за основу светодиодные профили. Сейчас их много доступных вариантов, да ещё и отрезают по размерам.
Как например 30см вот такого радиатора хватит, что бы закрепить на его основании комплектующие:

Хотя по виду (да и по факту) его будет маловато для полностью пассивного рассеивания ~50W в приемлемом температурном диапазоне. Иными словами — что бы CPU не тротлил и был запас по температуре при нагрузках (до 80 градусов на кристалле). Но сейчас вопрос в другом — как передать тепло от процессора на радиатор, да ещё и постараться распределить его по всему объему.

Тут важно отметить — недаром материнская плата форм-фактора Thin Mini ITX. По спецификациям это гарантирует нам следующее:
— Формат предполагает расположение платы по высоте ~25мм
— Расположение сокета процессора фиксировано по стандарту.


Варианты:
— Разместить толстую медную болванку между CPU и радиатором. Но тогда MB придется крепить всеми внутренними разъемами/слотами лицом к основанию и к ним не будет никакого доступа. Этого вполне достаточно, что бы отмести такой вариант расположения.
— Передавать тепло на радиатор, расположенный с обратной стороны MB с помощью тепловых трубок (ТТ).

С классическими ТТ есть загвоздка — их довольно непросто изгибать в домашних условиях. Шутка ли — тонкостенная да ещё и с низким давлением внутри. Отсюда и довольно больше минимальные радиусы изгиба — от 5 диаметров трубки. Даже если они относительно дешевы (200-300р на али встречал прямые за шт), то их все равно надо брать с большим запасом, ибо часть гарантированно сломается.

Однако технологии не стоят на месте, и сами ТТ развиваются и совершенствуются — в обиход активно входят испарительные камеры, контурные тепловые трубки (КТТ). Разработкой и продвижением последних занимаются наши с вами соотечественники из СПБ в компании «Теркон-КТТ».

Что же нового предлагает КТТ по сравнению с классическими ТТ? Давайте посмотрим на принципиальную схему КТТ:

Особенность кроется в испарителе — теперь там не простые капилляры, а особая их структура, позволяющая испарять теплоноситель в одном направлении (этакий диод — давление с обратной стороны уравновешивается капиллярным давлением поступающей жидкости), что позволяет создать кольцевой замкнутый контур, где циркуляция жидкости осуществляется посредством давления и нет необходимости в капиллярах для возврата жидкости как в обычных ТТ. Благодаря этому разработчики отмечают такие качества КТТ:
— большая дистанция теплопереноса (до 22м — метров, Карл!)
— нет зависимости эффективности от ориентации КТТ
— нет зависимости эффективности от изгибов трубки КТТ
— высокая мощность. На примере КТТ из статьи — до 120 Вт при длине конденсатора 67см. При том что диаметр трубки в зоне конденсации всего 2мм. Вот для примера значение максимальной мощности для типовых ТТ 150мм и 250мм длиной:


А вот та самая хитрая начинка испарителя (прислали с производства):



Минусом может быть разве что трудность монтажа в ряде случаев — все таки тут не 1 трубочка, а кольцевой контур, где изгибание допустимо в зоне конденсатора. И испаритель изготавливается определенных размеров. Но меня это устроило, так что был заказана серийная модель КТТ 01 тип а:

Вскрытие посылки выявило, что КТТ пришёл с теплосъёмником в зоне конденсатора, без теплосъёмника на испарителе.

Вообще по описанию товара должен был быть голый контур, так что тут положили даже больше, хоть и не пригодилось — планировалось трубку на стороне напрямую разместить в основании радиатора, отфрезеровав в нем паз под нее. А так — можно отдельно заказать уже с теплосъёмниками (примерно аналогичен тому, что пришлось изготовить мне). При штучном заказе + 1000р для теплосъёмника на испарителе.

Приступаем!

Такс, КТТ на руках, радиатор на полке. Пришлось погоняться за медной шиной толщиной 5мм, а ещё потребуется алюминиевая пластина толщиной 2мм. Сложнее всего было найти человека с ЧПУ фрезером по металлу и не отдать ему полцарства в виде «минимальной стоимости заказа». Но раз статью пишу — значит и таковой нашёлся!
Набросав во Fusion 360 модельки, хватаю все металлолом железяки и приступаем вместе с мастером к изготовлению.

Теплосъёмник для испарителя был изготовлен из двух медных пластин 5мм толщиной, между которыми было просверлено отверстие под испаритель (8мм в диаметре, напоминаю). Он и будет передавать тепло с CPU:



Что бы разместить «змеевик» конденсатора КТТ в радиаторе, фрезеруется канавка глубиной 1мм в его основании и такая же в алюминиевой прижимной пластине. Таким образом трубка будет прижата по всей окружности. Ну и отверстия под крепеж на этом же этапе:

Итого получаем полуфабрикат для последующей долгой и нудной шлифовки:

Места размещения КТТ промазывается моей любимой MX-4 и устанавливается собирается воедино:

Что бы теплосъёмник CPU расположился на необходимом месте, контур сгибается. По диаметру почти подошла пластиковая труба — вокруг нее и изгибал. Потребовалось немного увеличить диаметр изолентой:

Кстати, на фото выше не особо видно, но изгибы трубки в стороны (что бы приблизить к краю радиатора) произошли с излишним загибом (заломом?) трубки. Это был уже мой косяк — схватил для опоры более тонкую трубку. Но тем не менее контур не потерял работоспособность!
И наконец — установка теплосъёмника CPU, примерка, размещение стоек для MB...:

Сборка. Первые тесты и работа над корпусом

Вот уже есть предварительный итог — смонтирована КТТ, компьютер собран для первых тестов (теплосъёмник прижат с помощью бекплейта)!

Проверим пассивный вариант использования — никаких кулеров! При низкой нагрузке (простой, серфиг, офисные утилиты....) температура процессора доходит до отметки 50 градусов (минут через 20 после включения и просмотре фильма). Жить можно, но если увеличить нагрузку… Вот график температур при запуске встроенного стресс теста CPU-Z:

Вот что видит тепловизор после прогрева:
Очевидно, что полностью пассивный режим работы не наш случай. Нужно создать хотя бы небольшой поток воздуха (все таки достаточно много ушло времени для достижения предельных температур на максимальной нагрузке). То, что такому радиатору достаточно небольшого потока было проверено 50мм кулером от древней видеокарты. Просто бросив его поверх радиатора при тех же условиях и времени тестирования максимальная температура добралась лишь до 87 градусов!

Значит, проблему перегрева вполне можно решить с помощью более крупных кулеров (или даже нескольких), работающих на минимальных оборотах. Но вот как быть с их размещением? Тут уже совсем близко подбираемся к корпусу.

Заключительный этап, или как не надо делать

Как я обмолвился в начале, изначально не задумывался о размещении кулеров и планировал этот вопрос при необходимости решить на этапе проработке корпуса, который по сути будет кожухом, закрывающим основание радиатора и электронику. Так вот о кулерах — размещать их или со стороны ребер, что по сути будет вне корпуса (и мне не очень такой вариант понравился), или внутри корпуса, где все греющиеся элементы. Но вот незадача — поток нужно направить как то на обратную сторону радиатора (на ребра) для лучшего охлаждения. И тут на пути воздуха стоит препятствие в виде сплошного алюминиевого основания толщиной 6мм.

Можно наделать сквозных вентиляционных отверстий в основании между ребер. И как бы это было удобно сделать сразу на чпу… Очень не хотелось ради этого строить планы, договариваться. Сам прошляпил возможность, сам и решу эту проблему.
Для этого потребуется: дрель, сверло 5мм, втулка латунная с внутренним диаметром 5мм в качестве кондуктора и шаблон расположения отверстий (под втулку) из фанеры 6-8мм толщиной. Такую деталь на многочисленных лазерных резках сделать очень дешево. Ну а дальше, все понятно из фото:

Так как плата расположена по центру радиатора (если смотреть вдоль), то с краев остается по 65мм. С одной стороны — БП, с другой стороны SSD на переходнике. И SSD по высоте занимает очень мало места, так что над можно разместить 2-3 60мм кулера. Остановимся на 2х.

С учетом размещения разъёмов, кнопок, креплений, соединений стенок корпуса набрасывается модель корпуса, чертежи отдаются на лазерную резку. На выходе — вот такой вот пазл для склейки:

Можно приступать к размещений на корпусе кнопок, разъёмов:

Раз акриловый корпус как чехол сверху надевается на радиатор и прячет все под собой, нет возможности аккуратно уложить все кабеля. Бардак и хаос, но все влезло:


Вот результаты тестов при оборотах кулеров ~1000PRM:


Что тут сказать — немного горячее, чем хотелось бы при низком уровне шума (низких оборотах кулеров). Но вполне жизнеспособно! Основная цель — пощупать и помять современные решения в области охлаждения достигнута! Спасибо всем, кто осилил данную публикацию!)