Серийно выпускаемые phase-change системы охлаждения "фреонки". Исторический очерк.

Категория: Системы охлаждения Опубликовано: 26.06.2014 Автор: max1024

Введение

Существуют много методов охлаждения процессоров. Первые процессоры вообще не имели никакого дополнительного охлаждения и рассеивали тепло просто своей поверхностью. Затем появилось пассивное охлаждение в виде радиаторов, с увеличением производительности росла и потребляемая мощность, процессоры нагревались все сильнее, в результате над радиатором появился кулер, со временем менялись размеры радиаторов, масса, материал,

диаметры вентиляторов их скорости вращения. Однако такая система охлаждения используется и по сей день. Не так давно, до выхода Intel Core Duo, процессоры Intel Pentium4 были самыми "горячими" процессорами, при напряжении 1.8В и рабочей частоте свыше 4.5 ГГГц их тепловыделение превышало 200Вт и с этим нужно было как-то бороться, активное охлаждение тут уже не помогало. Дальнейшее развитие получают системы водяного охлаждения (СВО), некоторые производители ПК оснащают свои серийно производимые компьютеры системами водяного охлаждения, однако не все СВО способны умерить пыл предельно разогнанных процессоров. Единственный выход использовать системы охлаждения, основанные на системе фазового перехода. Конечно можно использовать сухой лед, который представляет собой двуокись углерода, или углекислый газ, охлажденный до -78 °С и не имеющий при атмосферном давлении жидкой фазы, то есть переходящий из газообразного сразу в твердое состояние, каскадные phase-change системы (2-х каскадные до -110С, 3-х до -160С и т.д) и жидкий азот (-196С), однако ни лед, ни азот не дают возможность работать системе в режиме 24/7, а "фреонки" это легко позволяют.
В данной статья я хочу остановиться на серийно выпускаемых криогенных (phase-change) системах охлаждения, как наиболее эффективных из всех существующих на сегодняшний день, а так же сделать небольшой экскурс в историю их появления и развития.

Принцип работы

Принцип работы систем охлаждения основанных на системе фазового перехода конструктивно похож на ваш домашний холодильник. В них есть точно такой же компрессор, который перегоняет по замкнутому контуру фреон, конденсер, фильтр, капиллярные трубки, и все остальные элементы.
Однако, если в домашних холодильниках поддерживается постоянная температура на уровне +5С°, и компрессор понизив температуру до нужного уровня отключается и остывает, с повышением же температуры термореле дает команду на включения компрессора, который снова понижает температуру до заданного уровня, в криогенных (phase-change) системах охлаждения компрессор не выключается ни на минуту т.к процессор постоянно выделяет тепло, поэтому в криосистемах используются дополнительно активные вентиляторы, охлаждающие горячий фреон и компрессор.
Как и в холодильнике используется хладагент (фреон), проходящий через ступень испарения (превращения жидкости в газ), а затем конденсации, из газа в жидкость. Ниже приведена схема этого процесса.

Компрессор под давлением нагнетает газообразный фреон в конденсер (condenser), там он охлаждается и переходит в жидкую фазу. Конденсер представляет собой радиатор из медных трубок, обдуваемых вентилятором. При изменении агрегатного состояния фреона выделяется тепло, которое рассеивает конденсер. Затем фреон поступает в капиллярную трубку (capillary tube). Капиллярная трубка разделяет контур системы на две зоны: высокого давления (движется жидкий фреон) и низкого давления (движется газообразный фреон). Пройдя через капилляр, жидкий фреон попадает в область низкого давления - испаритель (evaporator) где начать кипеть и испаряться, при этом поглощая бОльшое количество тепла, которое выделяет разогнанный процессор. В результате получается взаимовыгодный симбиоз ;) Компрессор прокачивает этот газообразный фреон в сторону конденсера и цикл повторяется снова. Что же представляет собой компрессор ? Ниже на фото можно увидеть что же скрывается внутри компрессора.


внутренне устройство компрессора

 

внутренне устройство компрессора


Производители

В поисках информации я нашел 5 фирм, которые занимались разработкой и производством (phase-change) систем. Некоторые уже больше не существуют, другие же занимаются производством серийных систем и по сей день. Вот список производителей:
KryoTech
Asetek
nVENTIV
Extreme Cooling Technologies
OCZ
Cooler Express

Компания KryoTech располагалась в США в штате Южная Каролина, однако на данный момент времени её не существуют. KryoTech была пионером в области разработки и выпуска первых phase-change систем. В начале своего становления KryoTech пыталась сотрудничать с Intel, однако ничего хорошего у них не вышло, единственной системой, демонстрировавшийся публично, была система на базе Intel Pentium Pro. Немного подробнее об этой первой! серийно выпускаемой криосистеме в мире. Называлась она CoolStation™ Pro/266, и была на 33% быстрее стандартной рабочей станции основанной на 200 MHz Intel Pentium Pro, т.к 2 CPU работали на частоте 266MHz. Два процессора располагались на материнской плате Tyan Computer Technologies в основе которой лежал чипсет Intel 440FX (Natoma). CoolStation Pro/266 охлаждала два ядра на уровне -38С. В стандартную систему входил БП мощностью 230W, однако опционально можно было поставить и 300 ваттный БП. Начало поставок CoolStation Pro/266 намечалось на первый квартал 1996 года. Стоимость криосистемы на тот момент времени была меньше 700$ для OEM поставщиков.

KryoTech CoolStation™ Pro/266

После разочарования в сотрудничестве с Intel KryoTech ничего не оставалось, как примкнуть к AMD, что она и сделала в 1997 году, с этого момента все её системы были построены на базе процессоров AMD. С выходом Athlon'a KryoTech обрела второе дыхание, т.к новые ядра, в отличие от K6 имели значительно лучший потенциал для разгона.
Когда AMD анонсировала процессор работающий на 650MHz, KryoTech выпустила систему с 800MHz процессором, это было не плохим достижением.
В 1999 году компания KryoTech объявляет о том, что она совместно с AMD представит на международной компьютерной выставке COMDEX FALL '99 версию процессора Athlon, работающего на тактовой частоте равной 1 ГГц. Стабильная работа процессора Athlon будет обеспечивается за счет разработанной KryoTech новой системы охлаждения, которая называется Super G. Стоимость подобной системы составляла около 2 тыс. 500 $ (в минимальной конфигурации) и более 3 тысяч $ в максимальной.

KryoTech Super G

В 2001-м году KryoTech представляет обновленную систему Super G2 с разогнанным до 1.86 ГГц Athlon'ом. Athlon-C ядро Thunderbird (180 нм) с номинальной частотой 1.4ГГц (10.5 x 133МГц) был разогнан до 1866 МГц с помощью модификации множителя до 14.0X. В результате это принесло на 33% увеличения тактовой частоты. Надо отметить, что при номинальной частоте 1.4ГГц при полной нагрузке Thunderbird выделял порядка 72.1W тепла, сколько же выделял на 33% разогнанный процессор? однако для Super G2 это не было проблемой. Настало время познакомиться с устройством системы.

Схема KryoTech Super G2

Внизу установки - компрессорный отсек, где располагаются компрессор, радиатор, конденсер и тихоходный вентилятор увеличенного диаметра. На передней панель, стоит жидкокристаллический индикатор системы встроенного температурного контроля, вверху - пространство стандартного АТХ корпуса.

KryoTech Super G2

Корпус оснащен четырьмя 5,25' внешними отсеками, двумя наружными отсеками 3,5' , блоком питания на 350W. Компрессор питается от БП, такая схема питания характерна для первых (phase-change) систем, современные криосистемы питаются напрямую от сети 220V, т.к энергопотребление других компонентов ПК резко возросло и мощности БП попросту не хватает. В корпусе также присутствуют несколько посадочных мест для дополнительных вентиляторов.

Охлаждающий блок CPU

Охлаждающий блок CPU закрыт изолирующим футляром и оборудован встроенным нагревателем, расположенным по периметру корпуса процессора. Заявленная максимально низкая температура испарителя на уровне -40 градусов Цельсия.

Испаритель на socket A системе

Испаритель. Изготавливается только для процессоров AMD.
Особенность KryoTech в том, что она продавала готовые системы вместе с материнской платой, процессором, корпусом и т.д, её системы были рассчитаны на профессиональный рынок с его задачами и ценами соответственно, ну и на состоятельных энтузиастов конечно же. Продажей криосистем KryoTech занимался также её авторизированный реселлер Sys, однако это не спасло компанию от кризиса и KryoTech не стало.

AseTek ещё одна компания занимающиеся производством криогенных систем охлаждения с прошлого века ;). Свою деятельность AseTek начинает с 1997 года. Компания находится в Дании в городе Broenderslev и продает свои криосистемы под торговой маркой VapoChill по сей день.

Первые модели VapoChill имели не такую высокую холодопроизводительность, как современные модели и отличались не сильно привлекательным внешним видом. Vapochill представляет собой компьютерный корпус формата ATX, в верхней части которого установлена сама система охлаждения. Компрессор питается от 300W БП компьютера. Испаритель первых VapoChill поддерживал все имеющиеся на тот момент времени сокеты процессоров: Slot 1, Slot A, и Socket 370. AseTek использует специальную систему температурного контроля, которая не позволяет процессору нагреться выше заданной температуры.
Если посмотреть на изображения VapoChill то мы увидим корпус формата Tower. Корпус имеет серый, стандартный для офисных корпусов тех лет цвет. В корпус возможна установка Extended ATX материнских плат, с возможностью установки до 7-ми плат расширения. Пользователю доступно два 5.25" отсека и три 3.5" отсека. Крышка корпуса выполнена из единого листа железа в виде буквы "П", сейчас корпуса с такой системой крепления боковых панелей не производятся.

Вид первых Vapochill

При взгляде на панель спереди можно увидеть заглушки пяти 5.25" и четырёх 3.5" отсеков. Но не все они могут использоваться для установки различных дисководов и приводов. Как видно, один трёхдюймовый и три пятидюймовых отсека закрыты выгнутыми заглушками. Эти заглушки закрывают саму холодильную установку и служат для вентиляции, так что вставить в них какие-либо устройства не представляется возможным. Если приглядеться, то мы не увидим на передней панели всеми любимой кнопки RESET, увы но она отсутствует в ранних моделях AseTek VapoChill.
Ниже приведены фотографии испарителей, которые имели форму чехлов, т.к процессоры имели тогда слотовую (Slot 1, Slot A) корпусировку.

Испарители в форме чехлов

Из-за особенностей конструкции процессорных чехлов, VapoChill не мог работать с Socket'овыми процессорами, однако AseTek нашла выход из положения. Выход заключался в том, что обладатели Socket A и Socket 370 процессоров должны иметь материнскую плату со Slot'овым разъемом, туда вставлялся специальный переходник с джемперами Slot > Socket, идущий в комплекте от фирмы Asus. Переходник работал как с PPGA Celeron, так и с FCPGA Coppermine, выбирать напряжение процессора можно было от 1.5 до 2.6 В, что и давало совместимость с Coppermine.

Slotket переходник

На тот момент времени AseTek легко стала конкурентом KryoTech, так как последняя не продавала систем охлаждения, а занималась производством и продажей только готовых HI-END PC. К тому же стоимость Vapochill была ниже, чем у KryoTech Super G и находилась в районе 700$, возможно это и послужило началом конца KryoTech.

Обновление модельного рада Vapochill произошло 19 ноября 2000 года, когда AseTek анонсировала начало продаж новой версии криосистемы Vapochill, рассчитанной для использования Soket процессоров. Представленный VapoChill имел множество улучшений по сравнению с предыдущим. Во-первых новый стильный дизайн корпуса, который актуален и по сей день. Была улучшена система вентиляции, добавлена кнопка Reset! и цифровая индикация температуры на передней панели.

Новый VapoChill

Изменился и испаритель, его форма и крепление к материнской плате. Установка Vapochill на Socket процессоры теперь была проще инсталляции обычного кулера.

Новая удобная форма испарителя

Модельный ряд нового образца составляют следующие серийно выпускаемые phase-change системы:

AseTek VapoChill Standard Edition (SE) - позиционируется как система начального уровня, она значительно превосходит любые другие системы охлаждения, обеспечивая отвод 130Вт тепла при температуре -5 С и -26 градусов в простое.

Premium Edition (PE) позволяет рассеивать до 160Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. Температура простоя -32 С. Основное отличие от VapoChill Standard Edition в использовании более мощного компрессора Danfoss BD50F, который превосходит используемый в VapoChill SE компрессор Danfoss BD35F по производительности.

Xtreme Edition (XE) позволяет рассеивать 180Вт тепла при температуре процессора -5 градусов. В простое температура достигает -35'С. В отличие от других систем серии VapoChill, Xtreme Edition использует другой теплоноситель фреон (R404a), с более низкой температурой кипения (-46.4С при атмосферном давлении), модель компрессора такая же, как у SE - Danfoss BD35F.

Xtreme Edition II (XE II) 8 марта 2004 года была представлена улучшенная версия XE - XE II, которая позволяет рассеивать 180Вт тепла при температуре процессора -18 градусов. Изменения коснулись системы охлаждения, сердцем системы является компрессор всё той же французской компании Danfoss, модель TL4CL заправленный R507 фреоном. Однако главное отличие XE II от предшественников заключается в том, что теперь компрессор питается напрямую от сети 220В, а не от БП, как было в предыдущих моделях.

AseTek VapoChill Xtreme Edition II

VapoChill XE II поддерживает материнские платы стандарта extended ATX, полноразмерные графические платы, до 7 слотов расширения, имеет три 5" внешних отсека, один 3.5" внешний и пять 3.5" внутренних. Внизу опционально возможна установка 120 мм вентилятора для обдува hdd. Испаритель XE II приобрел новый дизайн (аналогичен VapoChill LightSpeed), который обладает всеми креплениями под все современные процессорные разъемы.
Ниже приведен график производительности современных систем:

VapoChill LS (LightSpeed) - можно сказать венец творенья AseTek. Новая система была представлена в начале 2004 года (18 марта на выставке CeBIT 2004), однако она и посей день остается самой мощной и производительной в модельном ряду phase-change систем AseTek. На тот момент она призвана была составить конкуренцию nVENTIV Mach II, как самой мощной серийно выпускаемой криосистеме.
Сама система выполнена в виде отдельного блока в алюминиевом корпусе от Lian-Li, доступны разные цветовые гаммы, и предполагает установку на себя сверху компьютерного корпуса, что позволяет пользователю подобрать более удобный для себя case. К слову о корпусах, теперь пользователь может выбрать понравившийся ему case из модельно ряда Lian-Li (PC-60, PC-61, PC-65, PC-7, PC-12, PC-37, PC-82, PC-601, PC-0700,PC-0716a, PC-0716s, PC-6077, PC-6085A.) Компрессор питается от сети 220В. Система позволяет рассеивать 240Вт тепла при температуре процессора -25С (выдающейся показатель!), 200 Вт при температуре процессора -33С В простое температура достигает -48'С. Такие показатели стали возможны благодаря используемому фреону R507 вместо стандартного R404A. Система отличается от остальных VapoChill как возросшей производительностью, так и возросшим уровнем шума и нагрева компрессора, чем объясняется наличие большого количества вентиляционных отверстий в корпусе.

VapoChill LightSpeed

 

Различные цветовые гаммы VapoChill LS

Что же, пока VapoChill LS является отличным выбором для тех кому нужна высочайшая производительность за умеренную цену. Ниже изображен график производительности VapoChill LS относительно других моделей AseTek VapoChill.

LS на высоте!

nVENTIV (ранее она назвалась Chip-Con) как и AseTek - датский производитель (phase-change) систем, офис компании располагался в датском городе Hobro. nVENTIV начала выпускать свои серийные системы c 2002 года, первая "фреонка" увидела свет весной 2002, получив гордое имя "Prometeia". Для производства своих систем охлаждения nVENTIV заключила стратегический альянс с датским производителем холодильного оборудования Elcold, благодаря чему начала быстро продвигать свою продукцию на рынки. В начале 2003-го появилась легендарная nVENTIV Mach II, самая производительная кироситема того времени (с появлением Mach II nVENTIV отказалась от брэнда "Prometeia").
Вот характеристики nVENTIV Mach II:
фреон: R134a
компрессор: Danfoss серии N (NF11F)
производительность: -45C при 0W/-20C при 200W
корпус: стандартный чёрный или алюминиевый Lian-Li
программируемый LCD с голубой подсветкой
поддерживаемые типы сокетов: AMD A64/FX, XP and Intel P4

nVENTIV Mach II Standart

nVENTIV Mach II в доспехах от Lian-Li

За Mach II последовала Mach II GT (март 2004 года), ещё более производительная криосистема охлаждения, однако она оказалась для nVENTIV последней. Mach II GT по сути являлась "разогнанной" Mach II, вместо фреона R134a использовался R404a, который обеспечил большую холодопроизводительность, теперь она была равна -65C при 0W/-30C при 200W.
Весной 2004 года nVENTIV предложила свою "бюджетную" криосистему - Mach II ST. По сути это была та же Mach II, только лишенная LCD дисплея, и USB контроля. Лишенная этих дополнительный функций Mach II ST стоила меньше 500 евро, что делало её привлекательным выбором, для стесненных в средствах оверклокеров.
Летом, в июне 2004 года, печальная новость облетела все хардварные сайты "nVENTIV признана банкротом", производство было остановлено, сотрудники уволены, сайт перестал функционировать. Казалось бы рынок лишился главного игрока, однако в ход событий вмешалась Extreme Cooling Technologies, речь о которой пойдет ниже.

Зимой 2004 года ECT (Extreme Cooling Technologies) выкупила акции nVENTIV и объявила, что выпуск существующих версий Prometeia будет продолжен. ECT вернула брэнд "Prometeia" на рынок, были обещаны новые CPU киты, снова заработала техническая и гарантийная поддержка выпущенных nVENTIV криосистем по средством возобновления работы нового форума поддержки. И что самое главное, ECT объявила, что рыночная стоимость криосистем будет снижена.
Модельный ряд "фреонок" ECT претерпел изменения, из него была убрана "бюджетная модель" - Mach II ST, остались только 2 модели: ECT Mach II и ECT Mach II GT. Характеристик двух оставшихся криосистем систем остались прежними.

ECT Mach II GT

Однако если функциональности и производительности этих 2-х криосистем вам будет не достаточно, то дистрибьютор ETC из Великобритании [ http://www.extremeprometeia.com ] может предложить кое-что интересное ;)
Высокопроизводительная версия ETC Mach II, используется прежний компрессор Danfoss NL11F, однако он перезаправлен фреоном R507, что повышает холодопроизводительность криосистемы. Также используется новый испаритель от Chilly1 3-й ревизии (поддержка AMD 939/940/754 and Intel P4/775 сокетов), что также положительно сказывается на производительности всей системы.

ETC Mach II eXtreme

Иногда одного испарителя может не хватать, пользователь захочет помимо CPU охладить и видеокарту, или же использовать одновременно криоохлаждение для видеокарт, работающих в Nvidia SLI или ATI Crossfire режиме. Вот тут ему как раз пригодится Twin Head криосистема. Она представляет собой ETC Mach II с двумя уникальными GPU-испарителями от Chilly1, обеспечивающими -20 по Цельсию на обоих GPU.

ETC Mach II Twin Head

Будем надеяться, что Extreme Cooling Technologies не повторит участи nVENTIV и в будущем будет радовать всех оверклокеров новыми, высокопроизводительными и многофункциональными "фреонками".

OCZ Technology Group американская компания известна прежде всего как производитель высокоскоростной оверклокерской памяти, блоков питания и прочих аксессуаров для разгона. На рынке памяти компания впервые появилась в 2000-м году (европейское представительство открыто в конце 2005 года), однако и по сей день продолжает активно развивать это направление своего бизнеса. Как пишет сама про себя OCZ Technology, она была создана энтузиастами для энтузиастов и является инноватором во многих сферах. Очередной этап инноваций у OCZ наступил 5 января 2006 года, когда официально открыла двери для посетителей уже традиционная индустриальная выставка International CES 2006, проходящая ежегодно в первых числах января в США в городе развлечений - Лас-Вегасе, штат Невада. На CES 2006 OCZ представила предсерийный образец своей phase-change системы охлаждения. Новинка получила имя "Cryo-Z". Ниже приведены фотографии Cryo-Z с CES 2006.

Предсерийный образец Cryo-Z на CES 2006

Предсерийный образец Cryo-Z на CES 2006

По имеющейся информации к разработке Cryo-Z приложил свою руку известный в определённых кругах энтузиаст Chilly1. Сама система выполнена в виде отдельно standalone блока (как и VapoChill LS), имеет не большой вес и характеризуется низким уровнем шума. Система оснащена встроенным жидкокристаллическим дисплеем, который показывает температуру испарителя в режиме реального времени.

О производительности предсерийного образца известно не много. Известно, что Cryo-Z способна охлаждать разогнанный одноядерный Athlon 64 FX, работающий на частоте 3.2 ГГц на уровне -25 градусов Цельсия ниже нуля. Предположительно температура разогнанного Athlon'a64 X2 до частоты 3.3 ГГц будет находиться на уровне -10-12 градусов Цельсия ниже нуля. К сожалению, другие характеристики Cryo-Z отсутствуют.
О цене Cryo-Z известно не много, однако было заявлено, что она будет гораздо ниже выпускающихся серийных phase-change систем других производителей. Начало продаж ожидалось в марте 2006 года, однако они так и не начались, и больше никакой новой информации от OCZ Technology касательно Cryo-Z не поступало. Возможно что предсерийный образец, так и останется образцом и в серийное производство никогда не выйдет, однако будем надеяться на лучшее ;)


Cooler Express

Очень интересная фреонка была замечена (середина 2006 года) в американском интернет-магазине www.frozencpu.com Интересна она тем, что имеет целых три! испарителя, такой конфигурации пока не предлагает ни одна кампания, серийно производящая криосистемы охлаждения. Однако малоизвестная компания из Тайваня - Cooler Express занимается производством таких фреонок. Модель называется Cooler Express “Hydra” SLI. Как видно из названия, такая гидра способна охладить высокопроизводительную систему с двумя видеокартами, будь-то NVIDIA SLI или ATI CrossFire плюс центральный процессор.

Cooler Express “Hydra” SLI

На сайте опубликованы следующие характеристики системы охлаждения:
• Размеры: 492 x 210 x 235 мм
• Цвет: черный
• Вес: 19,8 кг
• Питание: 110 В / 220 В (60 / 50 Гц) 4,8 A
• Количество испарителей: 3 (три) (1 CPU, 2 GPU)
• Температура испарителя: -48~52˚С
• Тип хладагента: R410
• Производитель: Cooler Express (Тайвань)

Cooler Express “Hydra” SLI

Производительность системы была замерена на тестовом стенде, включавшем в себя: процессор AMD FX-57@3 ГГц и пару видеокарт NVIDIA GeForce7800GT работающих в SLI режиме.
Температура процессора при запущенном Prime95 держалась на уровне -35˚С. В тестовом пакете 3DMark температура двух видеоадаптеров NVIDIA GeForce7800GT была около -30˚С. Это отличные показатели, однако ничего не известно об уровне шума криосистемы. В комплекте с устройством прилагаются крепежи для современных процессоров AMD и Intel, а также для видеокарт NVIDIA 6 и 7-й серий и видеокарт ATI: x850, 1800, 1900 серий.
Стоимость Cooler Express “Hydra” SLI составляет 1700 долларов США.