Привет, Хабр!

Ранее мы уже обсуждали:

1. Зачем делать иммерсионное охлаждение ПК

2. Какую жидкость выбрали и почему

3. Тесты воздушной системы охлаждения

Следующим закономерным этапом после выбора диэлектрической жидкости и проведения тестов воздушной системы охлаждения является проектирование и изготовление корпуса для погружения компьютера. Очевидно, что стандартный корпус с воздушным охлаждением совершенно не подходит для данной задачи, поэтому необходимо решить массу вопросов, начиная от правильного размещения всех компонентов, принципа и эффективности работы системы теплоотвода от диэлектрика и заканчивая выводом кабелей.

Как уже описывалось ранее, у нас есть первый испытательный стенд, на котором мы проводили проверку работоспособности системы (см. рис. 1). В том случае было решено собрать большой корпус из оргстекла и поместить внутрь древний ПК в открытом корпусе, купленном на маркетплейсе. Циркуляция диэлектрика внутри корпуса принудительная за счет циркуляционного насоса, тепло от контура диэлектрика отводится проточной водой.

Для проектирования нового корпуса мы набросали хотелки техническое задание на проектирование:

1. Компактность. Чтобы вся система целиком занимала места не больше чем стандартный ПК (системный блок формата mid‑tower) на базе воздушного охлаждения.

2. Очевидно, герметичность всей системы.

3. Все без исключения компоненты ПК должны быть затоплены диэлектриком.

4. Предусмотреть герметичные выводы для проводов и коннекторов.

5. Гибкость системы на случай изменения комплектующих в рамках формата ATX (больший БП, накопитель, другая GPU)

6. Применять естественную конвекцию для теплоотвода от компонентов ПК.

7. Обеспечить удобный доступ для сборки и обслуживания всей системы.

Очевидно, что при проектировании корпуса с нуля возникает масса вопросов. Будем постепенно на них отвечать:

Как расположить материнскую плату?

Размещение материнской платы ключевым образом влияет на компактность и эффективность теплообмена будущей системы. 

За основу взят принцип охлаждения естественной конвекцией диэлектрика в корпусе ПК. Суть в том, что перемешивание охлаждающей среды в корпусе происходит самопроизвольно из‑за разницы температур и, как следствие, плотностей среды. 

Следуя сути естественной конвекции все теплонагруженные компоненты стоит располагать равномерно и в одном горизонтальном сечении. Если разместить плату вертикально, как в обычном ПК с воздушным охлаждением, то возможна неравномерная циркуляция, как на примере ниже.

Видеокарта в центре корпуса изолирует все нижерасположенные элементы от охлаждающего теплообменника. С течением времени и по мере нагревания диэлектрика будут появляться застойные зоны без нормальной циркуляции, так как расположенный вверху радиатор процессора и большая плоская видеокарта будут забирать на себя весь объем охлажденного диэлектрика. Также от блока питания на видеокарту и на процессор от видеокарты будут постоянно идти потоки нагретого ранее диэлектрика, что негативно скажется на охлаждении и стабильности работы. 

Поэтому мы не будем использовать вертикальное расположение материнской платы, так как по нашему мнению оно не обеспечит равномерность циркуляции диэлектрика внутри корпуса.

Вместо этого предлагается применить горизонтальное расположение мат. платы и аналогичное расположение GPU.

Такое расположение позволяет все теплонагруженные компоненты разместить в самой нижней части корпуса и обеспечить равномерную циркуляцию хладагента по всей площади корпуса. Главное преимущество в том, что всем компонентам достается равномерно охлажденный диэлектрик.

Чтобы достичь такого размещения мы применяем специальный удлинитель PCIe разъема GPU и дополнительно спроектировали несущую раму, объединённую с поддержкой материнской платы, для горизонтального размещения видеокарты.

Достаточно ли будет естественной конвекции?

Главный вопрос, на который нужно ответить в первую очередь: хватит ли естественной конвекции для охлаждения всех элементов ПК?

Для увеличения площади теплообменной поверхности мы оставляем уже установленные радиаторы с тепловыми трубками на GPU и CPU.

Для оценки корректности работы системы с естественной конвекцией мы провели ряд симуляций с применением программного комплекса SolidWorks Flow Simulation. Для исследования мы добавили в модель основные тепловыделяющие компоненты ПК. В модели также заданы свойства тепловых трубок в радиаторах GPU и CPU, а площадь поверхности радиатора максимально приближена к реальной.

Параметры симуляции: суммарное тепловыделение: 620 Вт (с распределением согласно реальности). В объеме корпуса находится диэлектрик с начальной температурой 31 °С, нагрузка стационарная, все свойства материалов заданы в соответствии с реальной моделью (используется допущение: вся материнская плата обозначена текстолитом).

На изображениях видно, что циркуляция обеспечивается равномерно по всем элементам системы, без застойных зон. Решено первично собрать систему без дополнительного принудительного перемешивания объема насосами и помпами. С увеличением температуры жидкости до 40–50 градусов её динамическая вязкость уменьшается примерно в два раза (c 0,02649 до 0,01234 Па*с), что дополнительно способствует интенсификации теплообмена.

Какие будут рабочие режимы в системе?

В данном вопросе пока ссылаемся на результаты CFD‑моделирования, проведенного выше. Тем интереснее будет узнать насколько они близки к истине.

Выделяемая тепловая мощность — 600 Вт;
Рабочая температура компонентов в пиковой нагрузке до 100 °С;
Рабочая температура диэлектрика во время пиковой нагрузки — 52 °С.

В отличие от классических систем воздушного охлаждения, нагрев компонентов происходит постепенно, по мере нагревания диэлектрической жидкости.

Каким должен быть корпус?

После того, как мы определились с размещением платы, нужно задуматься о самом корпусе. О том, как это все будет в нем крепиться, как обеспечить герметичность, компактность, нормальный доступ к компонентам системы.

Как мы уже описали выше, компоненты системы должны быть расположены горизонтально, а над ними необходимо предусмотреть место для установки охлаждающего теплообменника.

Идеальный корпус должен быть из металла, но для первого стенда это непропорционально долго и дорого, поэтому решили делать на базе 3D‑печати, благо к ней есть доступ.

Корпус представляет собой герметичный таз, состоящий из трех основных компонентов:

Все составляющие корпуса и последовательность сборки, включая фронтальную вставку из оргстекла представлены на рисунке ниже.

Мы начали с проектирования корпуса понимая, что это прототип и имея общее представление о последующих технических решениях. Изготовление корпуса на 3D‑принтере позволило нам перейти к работе над реальным прототипом и принимать следующие решения для теплообменников, укладки проводов и прочей «обвязки», держа в голове ограничения уже существующего корпуса.

Как отвести тепло от нагретого диэлектрика?

Вот здесь начинается самое интересное. Сначала приведем схему гидравлической системы, на которой мы остановились: для отвода тепла от диэлектрика будем использовать воду в изолированном от охлаждаемой среды контуре.

У нас есть насосная группа с расширительным баком, вода из которой поступает в первый (охлаждающий воду) теплообменник, в нем тепло отводится в окружающую среду. Далее охлажденная вода входит в корпус, залитый диэлектриком. В корпусе расположен второй (охлаждающий систему) теплообменник. Далее вода выходит из корпуса, подается в ресивер и цикл повторяется. Здесь важно отметить, что контур охлаждающей воды, за исключением расширительного бачка, полностью замкнутый и герметичный. Диэлектрик в свою очередь не подвергается внешним воздействиям, а только естественному теплофизическому движению.

Вопрос отвода теплоты от диэлектрика (нагревающий теплообменник) очень долго стоял у нас поперек горла. Найти готовое решение для естественной конвекции диэлектрика да еще и в наш собственный спроектированный корпус оказалось нетривиальной задачей. Мы рассматривали разные варианты, начиная от автомобильных маслорадиаторов, заканчивая теплообменниками от газовых котлов. Но все они либо были слишком большие, либо слишком толстые, либо с очень мелкими ламелями (что плохо для естественной циркуляции вязкого диэлектрика).
Поэтому для первых запусков решили сами заколхозить медный теплообменник с нужными нам характеристиками, а в дальнейшем найти производителей из РФ/поднебесной.

Для теплоотвода нам необходим классический рекуперативный теплообменник (передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит через разделяющую их твердую стенку); для удобства последующего изготовления трубогибом в форме спирали.

Длина спирали была рассчитана из уравнения теплового баланса со статическими температурами охлаждаемой среды и теплоносителя, труба медная, диаметром 3/8«.»

Для проверки площади поверхности, полученной грубой оценкой, проведём CFD‑расчёт.
Главная цель: узнать хватит ли площади поверхности медной трубы, погруженной в диэлектрик, чтобы отвести все тепло, генерируемое ПК. 

Симуляция позволяет нам получить несколько ключевых параметров системы:

• Температуру охлаждающей воды на выходе из медной трубы

• Количество теплоты, которое труба может отвести при естественной конвекции.

Зададим виртуальный подвод теплоносителя температурой 52 °С (средняя температура диэлектрика из прошлого теста) с нижней поверхности и беспрепятственный вывод через верхнюю крышку. Таким образом имитируем квазистационарную температуру диэлектрика.
Температура подвода воды — 31 °С (принято по усреднённому температурному напору на воздушном теплообменнике (+10 °С от температуры окружающей среды)).

Результаты симуляции:

На рисунке выше видно, как вода постепенно нагревается по мере удаления от входа в медный ТО в центре изображения. Итоговая температура воды на выходе из теплообменника получилась равной 36 °С.

На основании полученных данных уже можно посчитать тепловой поток: 

где C — теплоемкость воды (Дж/кг*к), M — массовый расход воды (кг/с) и соответственно температуры воды на выходе и на входе. 

При пиковой нагрузке всего ПК около 700 Вт, данный результат является приемлемым, так как тепла мы можем забрать больше, чем генерирует ПК, но не идеальным, так как системы с естественной конвекцией обладают большой инерцией, а следовательно все изменения нагрузки дойдут до воды в медном теплообменнике не моментально, поэтому крайне важно, чтобы по охлаждению был запас и система в случае чего могла быстро сбросить тепло.

Итак, переходим к изготовлению: закупили бухту медной трубы диаметром 3/8" и сделали импровизированную спираль в габариты корпуса.

Куда отводить тепло от нагретого диэлектрика?

Для первичной сборки системы и проверки концепции заниматься сложным проектированием и изготовлением кастом радиаторов сложно, дорого и больно. Мы пока не знаем рабочих режимов системы, все температуры, её устойчивые режимы под нагрузкой и без. Поэтому для первых тестов мы решили отводить тепло от нагретой диэлектриком воды с помощью классического трубчато‑ленточного паяного радиатора на три 120 мм вентилятора (применяются во всех стандартных СЖО).

Они довольно компактны и удобны для применения. Но хватит ли его, чтобы отвести тепло от всех компонентов, а не только от CPU?

Давайте попробуем посчитать, тем интереснее будет проверить это на практических испытаниях.

Мы знаем, что ПК берет из сети порядка 700 Вт, следовательно чтобы система теплоотвода не работала на пике производительности считаем что нам требуется отвести 1 кВт тепла.

Геометрия ноунейм радиатора с авито нам не известна (герметичный и на том спасибо), поэтому корректно просчитать его коэффициенты теплопередачи и площади поверхности теплообмена просто не представляется возможным. Воспользуемся уже проведенными исследованиями:

• Extreme Rigs

Проведя ряд тестов для аналогичного радиатора они получили зависимости по различным режимам работы вентиляторов и насоса. Итоговая таблица представлена ниже:

По их результатам можем путем интерполяции значений выделить свой собственный режим работы:

• Определяем реальный расход воды в охлаждающем контуре.

Мы применяем два последовательно установленных насоса для увеличения напорной характеристики. Известно, что номинальный расход = 240 л/ч (при нулевом гидравлическом сопротивлении).

Немного забегая вперед скажем, что гидравлическая система уже собрана и мы получили реальный расход для нашего конкретного случая (подробнее о сборке расскажем в следующей статье), он получился равным 151,2 л/ч.

• Определяем количество рассеиваемого тепла радиатором.

Для простоты понимания приводим график зависимости количества отводимого тепла от различной скорости вращения вентиляторов и производительности насоса (л/ч) и с помощью интерполяции в Excel получаем значения при нашем расходе 151,2 л/ч.

Значение на оси ординат является производительностью радиатора (Вт/ΔT) и характеризует количество теплоты, которое он способен отвести, если температура воздуха на 10 градусов ниже средней температуры воды. Исходя из него для каждого режима можно вывести коэффициент и использовать в расчетах для нашего режима.

Согласно нашему исследованию, проведенному в SolidWorks Flow Simulation температура воды на выходе из медного теплообменника составляет 36°C. Считаем, что насос практически не увеличивает температуру воды во время своей работы. Тогда производительность для нашего ТО находим по формуле:

В результате мы получили следующую зависимость для нашей системы:

Результаты не великие. Всего 560 Вт теплоотвода при пиковой нагрузке. В целом этого должно быть достаточно для всех исследуемых режимов работы ПК, кроме теста на пиковое энергопотребление OCCT (там комп забирает 700 Вт).

Это значит, что при энергопотреблении больше 560 Вт система будет стабильно нагреваться и компоненты неизбежно начнут троттлить. Изменение скорости вращения вентиляторов и увеличение расхода не оказывают особого влияния на количество отведенной теплоты. Необходимо увеличивать температурный напор на входе в радиатор. А для этого нужно увеличивать теплосъем внутри корпуса.

Получается замкнутый круг, из которого пока нет выхода. Мы обязательно вернемся к этому вопросу, но на текущий момент времени все компоненты уже собраны и очень хочется запустить всю систему. Поэтому принято решение запускать как есть и по ходу тестов менять и корректировать узкие места по радиаторам.

В данной статье мы ответили на вопросы размещения материнской платы в корпусе ПК, выбрали и спроектировали гидравлическую систему для теплоотвода от нагретого диэлектрика, рассчитали и смоделировали два необходимых теплообменника и проверили их на работоспособность применительно к нашей системе. Также спроектировали корпус для погружения ПК.

С техзаданием и предварительным проектированием понятно. В следующей статье займемся сборкой и первыми запусками.

Следите за новыми публикациями: