Как изготовить водоблоки? - Индивидуальные решения для охлаждения ПК

Мир высокопроизводительных вычислений вышел далеко за рамки простого воздушного охлаждения. Поскольку процессоры и видеокарты расширяют границы расчетной тепловой мощности, энтузиасты и профессионалы обращаются к жидкостному охлаждению для обеспечения стабильности и долговечности. Сердцем каждого контура жидкостного охлаждения является водоблок — прецизионный теплообменник, предназначенный для передачи тепловой энергии от кремниевой матрицы к текущей жидкой среде. Производство этих компонентов требует сложного сочетания материаловедения, гидродинамики и высокоточной механической обработки. В этом руководстве рассматривается сложный процесс создания нестандартных водоблоков, от первоначальной концепции до готового продукта.

Понимание основ теплопередачи

Прежде чем выпилить первый скол металла, дизайнер должен понять, как работает водоблок. Основная цель — максимально увеличить площадь поверхности, контактирующей с охлаждающей жидкостью, при минимизации ограничения потока. Это достигается за счет «холодной пластины», которая является основанием водоблока, установленного непосредственно на процессоре или графическом процессоре.

В современных водоблоках используются массивы микроребер — крошечные каналы часто шириной менее 0,2 мм — для увеличения площади поверхности. Жидкость обычно проталкивается через эти ребра с помощью струйной пластины, которая ускоряет жидкость и создает турбулентность. Эта турбулентность важна, поскольку она разрушает «ламинарный пограничный слой» — тонкую пленку статической жидкости, которая действует как изолятор. Обеспечивая постоянное смешивание воды при попадании на ребра, тепло можно отводить гораздо эффективнее.

Выбор материала: медь против алюминия

Выбор материала, пожалуй, самое важное решение в производственном процессе. Для высококачественных индивидуальных решений отраслевым стандартом является бескислородная медь высокой проводимости (OFHC). Медь обладает теплопроводностью около 401 Вт/мК, что делает ее одним из наиболее эффективных проводников тепла, доступных по разумной цене.

Хотя алюминий легче и дешевле, он редко используется в высококачественных нестандартных контурах из-за его более низкой теплопроводности (около 205 Вт/мК) и, что более важно, риска гальванической коррозии. Когда медь и алюминий присутствуют в одном жидкостном контуре, происходит электрохимическая реакция, которая в конечном итоге разъедает металл, что приводит к утечкам и выходу из строя компонентов. Поэтому большинство производителей премиум-класса используют медь для холодной пластины и латунь, ацеталь (ПОМ) или акрил (ПММА) для верхнего корпуса.

Этап проектирования и прототипирования

Производство начинается в цифровой сфере. Инженеры используют программное обеспечение автоматизированного проектирования (САПР) для моделирования блока. На этом этапе запускается моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), чтобы предсказать, как вода будет двигаться по каналам. Такое моделирование помогает выявить «мертвые зоны», где вода может застаиваться и перегреваться, что позволяет проектировщику уточнить плотность ребер и путь потока до начала физического производства.

После завершения разработки дизайна часто создается прототип. В некоторых случаях это включает в себя 3D-печать корпуса для проверки соответствия компонентам материнской платы, таким как конденсаторы и радиаторы VRM. Поскольку каждая материнская плата и печатная плата графического процессора имеют уникальную компоновку, «индивидуальное» производство часто включает в себя адаптацию монтажного кронштейна и опорной пластины для устранения этих физических препятствий.

Прецизионная обработка с ЧПУ

Фактическое изготовление медной холодной пластины почти исключительно осуществляется с использованием фрезерования на станке с числовым программным управлением (ЧПУ). Этот процесс обеспечивает чрезвычайную точность, необходимую для резки микроребер.

1. Облицовка и квадратура:Необработанная медная плита крепится к станине с ЧПУ и обрабатывается для обеспечения идеально ровной поверхности.

2. Резка канала:Высокоскоростной шпиндель использует специальные концевые фрезы (некоторые диаметром всего 0,1 мм) для вырезания микроканалов в меди. Это медленный и деликатный процесс; выделяемое тепло может привести к «склеиванию» долота медью, поэтому требуются постоянная смазка и охлаждение.

3. Канавка для уплотнительного кольца:По периметру блока вырезается точный канал. В этой канавке будет находиться резиновое уплотнительное кольцо (обычно из EPDM или витона), которое предотвращает утечку жидкости между основанием и верхом.

4. Завершение базы:Сторона холодной пластины, соприкасающаяся с процессором, должна быть как можно более плоской. После механической обработки основание проходит ряд стадий притирки и полировки для достижения зеркального блеска и максимального контакта со встроенным распределителем тепла процессора (IHS).

Создание лучшего жилья

В то время как нижняя часть блока посвящена производительности, верхняя часть часто связана с эстетикой и маршрутизацией. Производители обычно выбирают один из трех материалов:

• Акрил (ПММА):Прозрачный, позволяющий пользователям видеть охлаждающую жидкость и встроенную RGB-подсветку. Он требует тщательной механической обработки, чтобы избежать растрескивания, и после резки должен быть отполирован, чтобы восстановить прозрачность.

• Ацеталь (ПОМ):Промышленный пластик, известный своей прочностью и термостойкостью. Он непрозрачен (обычно черного или белого цвета), и его предпочитают пользователи, которые предпочитают «незаметный» вид или хотят максимальной долговечности.

• Никелированная латунь:В некоторых блоках ультра-премиум-класса используется металлическая верхняя часть. Это добавляет значительный вес и создает ощущение премиальности, хотя обработка обходится дороже.

Верхняя часть имеет отверстия с резьбой G1/4 дюйма, которые являются отраслевым стандартом для фитингов жидкостного охлаждения. Чтобы обеспечить водонепроницаемое уплотнение, эта резьба должна быть идеально нарезана.

Обработка поверхности: Гальваника

Чтобы предотвратить окисление меди (в результате чего она со временем становится тускло-коричневой или зеленой), большинство производителей применяют обработку поверхности. Самый популярный выбор – гальваника никеля.

Медные пластины погружают в химическую ванну, где с помощью электрического тока на поверхность наносится тонкий слой никеля. Это не только защищает медь от коррозии и пятен, но также придает ей гладкий серебристый вид, который предпочитают многие строители. Некоторые производители бутиков также предлагают покрытие золотом или родием для моделей экстремальной роскоши.

Сборка и контроль качества

Заключительный этап изготовления – сборка. Уплотнительное кольцо устанавливается в канавку, струйная пластина (обычно тонкий кусок нержавеющей стали) располагается над ребрами, а верхний корпус прикручивается к основанию.

Контроль качества – самая напряженная часть процесса. Каждый водоблок должен пройти испытание под давлением. Блок герметизирован и заполнен воздухом или водой под давлением, значительно превышающим то, которое он будет испытывать в контуре ПК. Если блок может удерживать это давление в течение заданного периода времени без падения, он считается «герметичным».

Наконец, блоки очищаются от машинного масла и отпечатков пальцев, герметизируются в вакууме для предотвращения окисления во время транспортировки и упаковываются с монтажным оборудованием и термопастой.

Будущее производства водоблоков

В перспективе производственный процесс начинает включать в себя 3D-печать металла (прямое лазерное спекание металла). Несмотря на то, что в настоящее время 3D-печать дорогая, она позволяет создавать внутреннюю геометрию, например, изогнутые внутренние каналы или переменную высоту ребер, которую невозможно создать с помощью традиционного 3-осевого или даже 5-осевого фрезерного станка с ЧПУ. Это может привести к созданию еще более эффективных решений для охлаждения, поскольку плотность чипов продолжает расти.

Изготовление водоблока – это сочетание тяжелых промышленных процессов и тонкого мастерства. Для энтузиастов ПК водоблок — это больше, чем просто инструмент; это центральная часть их машины, представляющая собой вершину технологии охлаждения и самовыражения. Понимая сложность, стоящую за его созданием, можно по-настоящему оценить инженерные решения, необходимые для поддержания работоспособности нашего современного цифрового мира.