Система охлаждения на элементах Пельтье. Часть 3

Содержание

Продолжаем делать систему охлаждения на основе элементов Пельтье. Во второй части уже была собрана первая итерация системы с 4-мя модулями Пельтье подключенными по последовательно-параллельной схеме 2+2.

Система 2+2 (4 модуля по последовательно-параллельной схеме) 15 Амперных модуля

Так же напомню, что эта система охлаждения потребляет около 130-140 Ватт энергии и способна бесконечно долго отводить непрерывно около 135 Ватт тепла. То есть коэффициент эффективности при последовательно параллельной схеме 15 амперных модулей получился около единицы, что с одной стороны для Пельтье не так уж и плохо, но с другой стороны — хуже, чем у фреонок, которые имеют коэффициент от двух до 4-х. Но мы получаем более простую систему с меньшим числом элементов, не требующую специальных навыков в построении, а так же контуров с ядовитыми газами под давлением. И прошлые испытания показали, что такая система довольно удобна для эксплуатации, так как не имеет критичных недостатков в плане конденсата и требований по габаритам. То есть может поместиться в корпусе компьютера у которого есть два места под установку радиаторов водяного охлаждения, что сейчас не такая уж и редкость. Вдобавок модули создают довольно небольшое тепловое сопротивление, так что отключая их — система начинает работать просто как обычная водянка, за исключением наличия двух помп, а не одной, то есть система подходит для сессионного оверклокинга, под настроение поразгонять что-то. А вот с тремя парами элементов всё в обычный корпус уже не поместиться.

Схема подключения трёх пар элементов Пельтье

Поэтому перед тем как доведём эту систему до трёх пар предлагаю всё же ещё посмотреть на то, что может система 2+2 элемента. В прошлый раз я поставил частоту i9 9900k на 5,2 ГГц без занижения для AVX.

Но, напомню, что там ещё оставался запас по температурам, да и основные оверклокерские дисциплины менее требовательны для стабильности, чем Cb R20. Для уточнения характеристик я дождался когда будет чуть прохладнее в квартире, а не 28 градусов как в прошлой части, и ещё раз проверил как обстоят дела с температурами контуров и с конденсатом, а так же нужно проверить правильно ли было подобрано количество радиаторов.

И проверить это довольно просто. Как я ранее уже и говорил — обдув радиаторов не может сделать так, чтобы температура жидкости стала равной или ниже температуры окружающей среды. Но с увеличением обдува — температуры должны стремиться к некоторой температуре которая отличается от температуры окружающей среды на определённое количество градусов, зависимое от температурного сопротивления материалов радиатора.

Для оценки качества подбора радиаторов я изменял скорость вращения вентиляторов замеряя температуры радиатора, то есть оценивая температуры горячего контура, а также измеряя температуры холодного контура и температуры окружающего воздуха.

На представленных графиках по горизонтали отложена скорость вращения вентиляторов, а по вертикали разница температур.

Синий график — это разница между холодным и горячим контуром, то есть та дельта температур, которую создают модули Пельтье. Красный график — это разница между температурой радиатора и комнатной, то есть характеризуют качество отвода тепла от радиаторов.

Если снизить обдув ещё сильнее, то холодный контур может нагреться выше температуры окружающего воздуха, то есть стать в общем-то не очень холодным, таким образом модули Пельтье уходят в разнос до выхода их из строя.

Из полученных данных можно сделать вывод, что количество радиаторов сильно не избыточно. Так как уменьшение обдува оказывает заметное негативное влияние на температуры. Кроме того стоит отметить, что для снижения уровня шума желательно использовать хотя бы один из двух радиаторов более толстый, то есть на 45 мм, или использовать два тонких трёхсекционных радиатора, или таких же размеров, но медные радиаторы.

Но и с дешёвыми тонкими алюминиевыми 3+2 секции — это тоже работает хорошо, просто требует большего обдува.

Есть и ещё некоторые интересные данные, полученные из этих измерений.

При переходе от 2100 до 1730 оборотах мы потеряли в холодном контуре 0,9 градуса, при том, что горячий стал горячее на почти 1,5 градуса, что свидетельствует о том, что мы недополучением уже тут по меньшей мере пол градуса. Связано это с тем, что температура холодного контура всё сильнее отдаляется от комнатной температуры, а значит тепловой поток от нагрева трубок и водоблоков холодного контура о комнатный воздух увеличивается, что и не даёт снижать температуры холодного контура на величины равные снижению температур горячего контура. Иными словами — надо делать теплоизоляцию холодного контура, и это даст ещё несколько градусов падения температур.

В общем — подводя итоги прошлой части и начала этой стоит отметить, что требуется теплоизоляция холодного контура, а также у меня был вопрос — для ещё двух модулей доставлять две секции радиатора или три. Проведя эти тесты я понял, что мне нужно для ещё двух модулей докупать три секции.

Теплоизоляция нужна тут не только для улучшения температур, но и для борьбы с конденсатом.

Конденсат

Проводя измерения в более нормальных 23 градусах, а не прошлых 28, стало ясно, что всё же проблема образования конденсата — есть. Я примерно 12 часов без остановки оставлял компьютер с малой нагрузкой, чтобы холодный контур не прогревался всё это время, и значительное количества конденсата начало образовываться примерно через 3-4 часа. Часов через 5-6 часов конденсат уже местами начал стягиваться в капли.

А где-то через 8-10 часов непрерывной работы капли увеличились до таких размеров, что стали перемещаться по трубкам под действием сил гравитации и скапливаться в лжецы на горизонтальных поверхностях. Примерно через 12 часов непрерывной работы без прогревов тестами случилось первое падение капли.

Произошло оно под помпой холодного контура. Конечно в реальных условиях прохождения бенчмарков — контур иногда будет прогреваться до более высоких температур, и образование конденсата будет происходить медленнее, но в целом — проблему эту можно решить несколькими способами.

Первый — толстая теплоизоляция. Проходя через теплоизоляцию воздух будет иметь некий градиент температур, то есть не будет мест где тёплый воздух будет соприкасаться с холодными поверхностями.

И конденсата не будет. Второй способ — ввести различные режимы работы. А именно: максимальная производительность и режим — готовности к переходу в максимальную производительность. Например можно ограничить скорость вращения вентиляторов до 900 оборотов в минуту для длительной работы в простое. И у меня вышло около 14 градусов холодного контура, при которых если влажность не супер высокая конденсата не будет. А по нажатию на кнопку — система будет переводиться в режим принудительной высокой нагрузки с максимальными оборотами. Но придётся несколько минут перед началами тестов подождать доохлаждения жидкости до рабочих температур.

Третий способ — устраивать оверклокерские сессии длительностью менее 4-5 часов. Или делать периодические перерывы, отключая Пельтье или весь компьютер раз в несколько часов.

Четвёртый способ — внедрить управление ограничением напряжения в простое с переходом в рабочий режим и доохладением жидкости перед тестами. Однако в интернете есть масса неоднозначных мнений на счёт ШИМ управления. Если делать без него — то это достаточно сложная задача, учитывая большие токи и КПД будет не очень. Если делать с ШИМ управлением, то по некоторым сведениям — это сильно уменьшит срок жизни элементов. В любом случае система не для повседневной работы, а только для оверклокинга.

Пельтье и повседневная работа

А причин по которым пельтье не подходит для повседневной работы две.

Первая — это цена системы примерно в 25 тысяч рублей (ссылки на комплектующие необходимые для повторения проекта внизу статьи)

Даже если вы взяли топовое железо, и решили что вам его мало — дополнительный разгон никак не отыграет эти 25 тысяч. да, можно собрать намного дешевле — тысяч за 10-11 если всё новое брать, а из подножного барахла, так и ещё дешевле. Вторая причина заключается в том, что суть данного охлаждения не в низких температурах, а в том, что при низких температурах выше стабильность на равном напряжении. То есть вам надо будет перед включением компьютера дать системе охлаждения выйти на режим в течении нескольких минут, иначе ваш стабильный профиль для разгона под пельтье станет крайне не стабильным, и вы не сможете загрузиться в ОС. Кроме того — основная задача для широких масс — это игры. А в играх потребление процессора не очень высокое и если всё ограничено видеокартой, что нормально для большинства систем, то от разгона процессора вы вообще не получите прироста производительности.

В прошлой части я взял всего 5,2 ГГц на нескальпированном i9 9900k. Но как многие могли заметить — с большим запасом по температурам. То есть предел по разгону был ещё не рядом, но что-то надо было оставить и для этой части.

На системе 2+2 я решил, что не буду ставить напряжение на ядра больше чем 1,5 Вольта. В этих рамках относительно нормальную стабильность я смог получить на 5,3 ГГц.

Я не гонял систему стресс тестами, так как в задачи оверклокинга не входит получение стабильной системы, да и материнская плата моя бы сразу же пошла бы в утиль, учитывая что в прошивке 2016 года на Z170 от ASUS нельзя снижать частоты для AVX.

На 5,3 запускались и шли игры, а так же я прошёл Cb R15, и долгий тест в в wPrime ну и ещё 32 млн знаков в SuperPi.

Максимальную частоту в рамках 1,5 Вольта удалось получить 5,5 ГГц. Но хватило этого только на то чтобы загружалась система ну и ещё долгий SuperPi на 32 млн знаков посчитался. В остальном — стабильности на 5,5 ГГц — нет.

Если же сравнивать мои результаты с другими на 5,5 ГГц на хардвер боте, то можно увидеть, что они у меня вышли не фонтан. Причина в том, что у меня хоть и память б дай от самсунг, но из-за старой платы она не гониться так как у других на i9 9900k.

Если говорить про частоту — то выставлена предпоследняя настройка частот в BIOS — 4133 МГц, с последней я ни разу запуститься не смог, то есть по факту она не рабочая. А по поводу таймингов и основных субтаймингов — это всё работает явно не так как должно работать на i9 9900k, поскольку мне пришлось ставить те же напряжения на кольцо и контроллер, как и для i7 7700k, при том что на i9 для этих таймингов и частоты — такие напряжения точно не нужны, и разгон памяти на i9 я получил ровно такой же как у меня был на i7 7700k, а он явно должен был отличаться и планки его явно должны давать, так как до 4 ГГц они идут очень бодро. В общем — плата с модифицированным биосом на основе прошивки 2016 года — не лучший вариант для дальнейшего разгона памяти. При этом запас по температурам процессора ещё остался.

Ещё важнее тут выглядит наличие большого количества фаз и более высокие частоты VRM в топовых платах, благодаря которым ниже пульсации, и процессоры стабильнее работают на тех же напряжениях.

В целом — 5,5 ГГц на i9 9900k без скальпирования со всеми активными ядрами и потоками — результат не плохой, конечно, хотелось бы больше, но вышло только так.

Конфигурация 2+2+2

И на этом предлагаю перейти на систему из трёх пар модулей. Учитывая результаты прошлой части — можно выкинуть лишние детали.

Плата с электромеханическими реле не нужна, твёрдотельное реле остаётся только одно, чтобы включать и выключать все 3 ветви, ветви собираются очень просто.

Надо спаять три отдельные «гирлянды» по две штуки элементов Пельтье, а потом соединить эти три «гирлянды».

Тонкие провода — от модулей Пельтье. Толстые — на коннектор питание от блока питания

К сожалению часть деталей для системы управления идёт слишком долго, так что я решил сделать систему пока без управления, одно реле и Arduino я в корпусе оставил, но они ничего сейчас делать не будут. Конструктивно особых отличий нет. Модули пельтье собираются между двумя водоблками.

Половина водоблоков собирается в горячий контур, который у меня обозначен красным, а вторая половина в холодный контур, который у меня обозначен синим.

оно же но не на рендерах, а в «живом» виде

Для подачи питания я использовал коннектор под процессорное 8 pin питание, но распаял под 6 pin видеокарты. К слову — система 2+2 в целом будет нормально работать на 6 pin питании.

Система 3 раза по 2 уже нуждается в больших сечениях. Но у меня у блока питания провода хорошие, толстые, так что я оставил 6 pin, провода немного греются, ток на все 6 элементов в сумме примерно 17 Ампер от блока питания. Но не нагрелись провода и до 40 градусов, иными словами — пойдёт.

Сам коннектор не греется. Потребление системы 3 по два 15-та амперных модуля — около 205 Ватт. Если нужен механический выключатель, то в целом — 16 Амперные кнопки даже для люстр, продающиеся в любом хозяйственном магазине — подойдут. У меня же сейчас вообще выключателя нет.

Пока что просто включаем питание — работает, выключаем питание — не работает.

Кроме того купил я утеплитель для труб. Немного не рассчитал и купил маловато, но почти на весь холодный контур хватило. Как и ожидалось — под теплоизоляцией конденсата — нет.

Учитывая то, что разница температур на сторонах модулей обеспечивается от напряжение, которое не изменилось с прошлой конфигурации — то большой разницы по температурам относительно двух пар быть не должно.

зелёные точки — результаты для трёх пар модулей

Тесты с тремя парами показали, что при комнатной температуре в 27 градусов, холодный контур смог остыть до 8,7 градуса, и горячий контур при максимальных оборотах нагрелся до 30,6 градуса. То есть в прошлой конфигурации разница между холодным и горячим контуром была с максимальными оборотами около 19,5 градусов, в новой конфигурации разница составила около 22 градусов.

Но, естественно, теперь система быстрее выходит на режим, то есть охлаждает жидкость и может переносить больший тепловой поток без начала нагрева холодного контура. Для прошлой конфигурации выход на комнатную температуру был при непрерывном тепловом потоке примерно в 130 Ватт. В новой конфигурации выход на комнатную температуру примерно при постоянном потоке в 200 Ватт.

Благодаря теплоемкости жидкости это происходит не мгновенно. То есть процессор может несколько минут потреблять и 300, 350 и более Ватт.

Практика

В конфигурации 2+2 модуля я остановился на 1,5 Вольтах так как хотел всё же оставить ещё немного задел на увеличение частоты в конфигурации на три пары. Но тут материнская плата устроила мне подлянку. Дело в том, что в этой плате если в двух местах в BIOS правильно нажать кнопочки, то снимается лимит по напряжению на ядра. Но оказалось, что на самом деле — не снимается. В этой плате остаётся лимит на напряжение в 1,55 Вольта на ядра процессора.

И, к сожалению этого мне не хватило на 5,6 ГГц. Вернее я смог запуститься в винду на 5,6 ГГц.

Даже по несколько минут смог проходить тест SuperPi. Но ни разу не удалось дойти его до конца на 32 миллиона знаков после запятой. Я пробовал калибровкой поймать возможность войти в 1,55 Вольта на ядра задавая более высокое напряжение с большим дропом, или наоборот ставя пониже, но с минимальным дропом. Но безрезультатно. Лучшая стабильность была на LLC 5 с напряжением 1,57 Вольта. Но всё равно периодически система пыталась ставить 1,552 Вольта и срабатывала защита от перенапряжения, либо наоборот не хватало напряжения для стабильности. 5,6 ГГц на этой системе с этим процессором я получить не смог.

5,5 ГГц тоже особенно стабильными не были. Но я мог нормально грузиться в 100% попыток в ОС, и хоть что-то делать. Но сложные задачи на 5,5 ГГц тоже мне не доступны на этой системе.

Если говорить про реально рабочий режим, когда можно получить стабильность для большинства задач — это 5,4 ГГц. Я не гонял стресс тесты, так как материнская плата бы ушла в мир иной от такого без занижения для AVX. Но игры шли.

Теперь к играм, смотрел стабильность я только в Control. Я поставил настройки пониже, отключил трассировку лучей, выставил рендеринг в 1366р чтобы FPS поднять и увеличить нагрузку на процессор. С адекватными настройками на RTX 2070 потребление процессора не доходит и до 60 Ватт на частоте 5,4 ГГц. Если же поставить низкие настройки, то FPS уже временами поднимается выше 200 и удавалось временами ограничиваться производительностью видеокарты. То есть это почти максимальная нагрузка на процессор в этой игре. Потребление при этом составляет около 90 Ватт на 5,4 ГГц при том что игра хорошо умеет работать с 16-ю потоками. Температуры тоже не высокие, иногда они прыгают по ядрам к 50 градусам, но в целом температуры около 40 градусов. Казалось бы — такие потребления, что не было бы проблем и с обычной водой.

Вот только проблема в том, что на обычной воде для стабильных 5,4 ГГц мне нужно намного выше напряжение. На обычной воде я даже уперевшись в лимит в 1,55 Вольта не могу загрузиться в ОС. Речи про то, чтобы играть нет, про стабильную игру речи нет и подавно.

Результат на обычной воде для этих же платы и процессора на эти же задачи (когда в целом стабильность есть для повседневных задач, но на самом деле истинной стабильности системы нет) у меня 5,1 ГГц. С одной стороны 300 МГц — разница не такая уже и большая. Уж точно не стоит 25 тысяч рублей. С другой стороны 5,4 ГГц — это далеко не 5,1 ГГц для этого поколения intel процессоров и достигнуть этой частоты намного сложнее.

Что касается использования этой системы охлаждения — в первую очередь это очень необычный опыт в части взаимодействия с железом и я совершенно не пожалел тех денег и времени, что были потрачены на охлаждение. При переходе с хорошего воздуха на обычную воду ты получаешь 2-3 градуса и никаких новых эффектов для процессора не замечаешь, всё работает точно так же как и работало. Тут же, скидывая сразу больше 20 градусов процессор работает совершенно иначе. Его не узнать. Как буд-то два разных процессора, ощущения от разгона совершенно иные. Если ещё скальпануть его, то даже с этим же лимитом напряжений уже можно будет взять 5,6 ГГц, хотя по-хорошему в этом деле нужна уже материнская плата, которая создана для экстремального разгона. И лично мне не очень ясно почему такие охладители никто не делает, конструктивно они довольно простые и могут быть интегрированы в кастомные водянки, потому что, если честно, от топовых материских плат сейчас толку никакого нет, на воде или воздухе на них нельзя получить ничего свыше того, что можно получить на средних платах, у меня mini ITX плата, разработанная для 4-х ядерных процессоров с модифицированным BIOS для новых поколений и я смог выбрать из неё весь потенциал на 8-ми ядерном процессоре только используя воду на Пельтье. И только вот сейчас появилось понимание того, зачем нужны топовые платы. Но вся ирония в том, что заводских таких охладителей — нет, то есть можно купить плату, но пользоваться ей полноценно вы не сможете. И это довольно странно. В этот момент просыпается жалость к маркетологам, которым надо как-то продать дорогой продукт, который потребитель не сможет полноценно использовать. Потом, я, конечно, вспоминаю, что им это удаётся и жалость проходит. Но просто становиться обидно за то, что можно купить инструмент, который позволит добиться большего от процессора, но чтобы это сделать нужно брать и самому городить систему охлаждения.

Что касается продолжения работ с этим охлаждением, то напомню, что в отличие от фрионок — вода на Пельтье работает и в зимнем разгоне. Нужно только залить хороший антифриз, чтобы держал хотя бы минус 40 и опять можно будет на свой же процессор посмотреть с новой стороны. Допустим в лайтовые зимние минус 10 можно будет получить холодный контур по температуре под -30 и необходимые напряжения для тех же частот сильно упадут и даже на этом конфиге можно будет получить больший разгон. Не уверен, что при этом не рассыпятся пластиковые помпы, но, скорее всего зимой мы с вами узнаем — рассыпятся помпы от мороза или нет, будем идти к 6 ГГц, скорее всего не дойдем, но хотя бы попытаемся. Кроме того водоблоки на пельтье были взяты из расчёта работы элементов в параллельной схеме, и сейчас такие водоблоки для последовательно-параллельной схемы не нужны, вместо них отлично подойдут дешёвые водоблоки, причём есть специальные сразу на 4 или 6 модулей, и если зимнего разгона будет мало, можно будет добрать радиаторов и перейти на параллельную схему для этих же элементов и скинуть ещё градусов 15, и зимой для холодного контура уйти за -50. От такого пластиковые помпы скорее всего развалятся, да и в качестве шлангов при -50 я не уверен, но будет интересно. В общем — рекорды разгона ещё впереди.