Пособие по настройке и оптимизации компьютера



Полупроводниковые кулеры Пельтье

Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютеров, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах разгона (overclocking). Эффективная работа таких компбнентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы их работы. Как правило, такими средствами поддержки оптимальных температурных режимов являются кулеры, в основе которых используются традиционные радиаторы и вентиляторы.

Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новейших технологий и применения в их составе разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой с целью достижения наибольшей эффективности при обеспечении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, что повышает надежность и удлиняет сроки их безаварийной работы.

Параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, тем не менее, в последнее время на компьютерном рынке появились и быстро стали популярными такие специфические средства охлаждения электронных элементов, как полупроводниковые кулеры Пельтье.

Кулеры Пельтье, содержащие специальные полупроводниковые термоэлектрические модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 г., являются чрезвычайно перспективными устройствами охлаждения. Подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники.

В 1960—1970-х годах отечественной промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых была основана на эффекте Пельтье. Однако несовершенство существовавших тогда технологий, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие цены не позволили в те времена подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды.

Но эффект Пельтье и термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить. В результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.

В последние годы данные модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. Их, в частности, стали применять для охлаждения современных мощных процессоров, работа которых сопровождается высоким уровнем тепловыделения.

Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических затруднений и финансовых затрат. Как кулеры электронных компонентов данные средства поддержки необходимых температурных режимов их эксплуатации являются чрезвычайно перспективными. Они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью работы.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности применяемых электронных компонентов, а, следовательно, как правило, и всей системы компьютера. Однако работа компьютерных компонентов в подобных режимах отличается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий.

Необходимо отметить, что такими компьютерными компонентами, работа которых сопровождается высоким тепловыделением, являются не только высокопроизводительные процессоры, но и элементы современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и микросхемы модулей памяти. Подобные мощные элементы требуют для своей корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.

Модули Пельтье

В кулерах Пельтье используется обычный так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785—1845), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад — в 1834 г.

Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл данного явления был установлен несколькими годами позже в 1838 г. Ленцем (1804—1865). В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джо-улева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление было названо явлением Пельтье (эффектом Пельтье).

Данный эффект по своей сути является обратным по отношению к ранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемого в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770—1831).

В отличие от хорошо известного тепла Джоуля—Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q— R * /2 * (), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

GM = П *q,

где q — количество прошедшего электричества (q = I * f), П — так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Тепло Пельтье Qn считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

В предстааиенной схеме опыта (рис. 17.10) измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R(Cu + Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а имен-но по Q = R * /2 * /. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.

Рис. 17.10. Схема опыта для измерения тепла Пельтье (Си — медь, Bi — висмут)

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Железо-константан

Медь-никель

Свинец-константан

Т, К

П, мВ

т, к

П, мВ

Т, К

П, мВ

273

13,0

292

8,0

293

8,7

299

15,0

328

9,0

383

11,8

403

19,0

478

10,3

508

16,0

513

26,0

563

8,6

578

18,7

593

34,0

613

8,0

633

20,6

833

52,0

718

10,0

713

23,4

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = а * 7,

где П — коэффициент Пельтье, а — коэффициент Томсона, Т— абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (п-тип) и дырочной (р-тип) проводимостью. Такие полупроводники называются, соответственно, полупроводниками с n- и р-типом проводимости или просто полупроводниками n- и р-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие в контакте таких полупроводников.

Допустим, электрическое поле имеет такое направление, что электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться навстречу друг другу- Электрон из свободной зоны полупроводника п-типа после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону полупроводника р-типа и там занимает место дырки. В результате такой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла. Этот процесс иллюстрирует рис. 18.11.

Рис. 17.11. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников п- и р-типа

В случае изменения направления электического поля на противоположное электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар электронов и дырок при переходах электронов из заполненной зоны полупроводника р-типа в свободную зону. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться (рис. 17.12).

Рис. 17.12. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников п- и р-типа

Итак, в зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа — р-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (п) и дырками (р), рекомбинации и образования пар зарядов энергия либо вьщеляется, либо поглощается. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников р- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 17.13.

Рис. 17.13. Использование полупроводников р- и п-типа в термоэлектрических холодильниках

Объединение большого количества пар полупроводников р- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 17.14.

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников р- и п-типа, образующих р-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла.

Рис. 17.14. Структура модуля Пельтье

На рис. 17.15 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Рис. 17.15. Внешний вид модуля Пельтье

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор — холодильник — позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов.

На рис. 17.16 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.

Рис. 17.16. Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными кулерами Пельтье или просто кулерами Пельтье.

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными, по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводя-щими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. Тем не менее, несмотря ни на что, именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD в совместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, т. е. увеличить их частоту работы почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. И необходимо подчеркнуть, что данный уровень производительности достигнут в условиях обеспечения необходимой стабильности и надежности работы процессоров в форсированных режимах. Ну, а следствием такого экстремального разгона явился рекорд производительности среди процессоров архитектуры и системы команд 80x86. Однако фирма KryoTech прославилась не только благодаря своим экспериментам, связанным с экстремальным разгоном процессоров. Широкую известность получили ее установки глубоко охлаждения компьютерных компонентов. Снабженные соответствующей электронной начинкой, они оказались востребованными в качестве платформ высокопроизводительных серверов и рабочих станций. А фирма AMD получила подтверждение высокого уровня своих изделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствования архитектуры своих процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования были проведены и с процессорами Intel Celeron, Pentium II и Pentium III. В данных экспериментах был зафиксирован значительный прирост производительности.

Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По етой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в корпусе компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой.

На рис. 17.17 представлен внешний вид активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье.

Рис. 18.17. Внешний вид кулера с модулем Пельтье

В качестве примера модулей Пельтье, выпускаемых серийно, можно привести изделия фирмы Остерм (www.osterm.ru). Они характеризуются максимальным током потребления (Imax), максимальным напряжением (Umax), максимальной мощностью хладообразования (Qc max), максимальным перепадом температур (dTmax) между горячей и холодной сторонами, измеренной без нагрузки в вакууме, а также размерами (длиной — L, шириной — W и высотой — Н).

В представленной ниже таблице приведен ряд выпускаемых модулей Пельтье.

Модули Пельтье фирмы Остерм

Номер

Imax, A

Umax, В

Qc max, Вт

dTmax, К

LxWxH, Мм

«1-127-1/0,8

6,0

15,4

50,0

71

30x30x3,1

«1-241-1/0,8

6,0

29,2

95,0

71

40x40x3,1

«1-127-1/1,3

3,9

15,4

33,4

73

30x30x3,6

«1-241-1/1,3

3,9

29,2

63,4

73

40x40x3,6

«1-127-1/1,5

3,0

15,4

27,0

73

30x30x3,8

«1-241-1/1,5

3,0

29,2

51,2

73

40x40x3,8

«1-71-1,4/1,1

8,5

8,6

41,9

71

30x30x3,8

«1-127-1,4/1,1

8,5

15,4

75,0

71

40x40x3,8

«1-71-1,4/1,5

6,0

8,6

30,0

73

30x30x3,9

«1-127-1,4/1,5

6,0

15,4

53,0

73

40x40x3,9

«1-127-2/1,5

13,0

15,5

120

73

55x30x4,6

Следует отметить, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение модули Пельтье имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии и биологии.

Примеры таких модулей, выпускаемых фирмой Острем, приведены на рис. 17.18-17.21.

Информацию о модулях и кулерах Пельтье, а также особенностях и результатах их применения можно найти на сайтах в Internet, например, по следующим адресам:

  • www.osterm.ru П www.rudteam.narod.ru
  • www.melcor.com П www.computernerd.com
  • www.kryotech.com П www.tomshardware.com

Рис. 17.18. Первый пример модуля Пельтье фирмы Острем

Рис. 17.19. Второй пример модуля Пельтье фирмы Острем

Рис. 17.20. Третий пример модуля Пельтье фирмы Острем

Рис. 17.21. Четвертый пример модуля Пельтье фирмы Острем

Особенности эксплуатации

Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное их включение, что позволяет довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.

Однако, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации.

  • Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентов компьютера. Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. Поэтому при использовании модулей Пельтье не следует забывать, что мощность блока питания компьютера должна соответствовать мощности устанавливаемых в компьютер компонентов. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов АТХ с блоками питания достаточной мощности (маркировка мощности, как правило, приводится на корпусе блока питания). Использование конструктива АТХ облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов.
  • Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
  • Низкие температуры, возникающие в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, т. к. конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Далее представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуры конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25 °С, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18 °С.

Температура конденсации влаги

Внешняя температура, °С

Влажность, %

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

30

10,5

12,9

14,9

16,8

18,4

20,0

21,4

22,7

23,9

25,1

26,2

27,2

28,2

29,1

29

9,7

12,0

14,0

15,9

17,5

19,0

20,4

21,7

23,0

24,1

25,2

26,2

27,2

28,1

28

8,8

11,1

13,1

15,0

16,6

18,1

19,5

20,8

22,0

23,2

24,2

25,2

26,2

27,1

27

8,0

10,2

12,2

14,1

15,7

17,2

18,6

19,9

21,1

22,2

23,3

24,3

25,2

26,1

26

7,1

9,4

11,4

13,2

14,8

16,3

17,6

18,9

20,1

21,2

22,3

23,3

24,2

25,1

25

6,2

8,5

10,5

12,2

13,9

15,3

16,7

18,0

19,1

20,3

21,3

22,3

23,2

24,1

24

5,4

7,6

9,6

11,3

12,9

14,4

15,8

17,0

18,2

19,3

20,3

21,3

22,3

23,1

23

4,5

6,7

8,7

10,4

12,0

13,5

14,8

16,1

17,2

18,3

19,4

20,3

21,3

22,2

22

3,6

5,9

7,8

9,5

11,1

12,5

13,9

15,1

16,3

17,4

18,4

19,4

20,3

21,2

21

2,8

5,0

6,9

8,6

10,2

11,6

12,9

14,2

15,3

16,4

17,4

18,4

19,3

20,2

20

1,9

4,1

6,0

7,7

9,3

10,7

12,0

13,2

14,4

15f4

16,4

17,4

18,3

19,2

19

1,0

3,2

5,1

6,8

8,3

9,8

11,1

12,3

13,4

14,5

15,5

16,4

17,3

18,2

18

0,2

2,3

4,2

5,9

7,4

8,8

10,1

11,3

12,5

13,5

14,5

15,4

16,3

17,2

17

-0,6

1,4

3,3

5,0

6,5

7,9

9,2

10,4

11,5

12,5

13,5

14,5

15,3

16,2

16

-1,4

0,5

2,4

4,1

5,6

7,0

8,2

9,4

10,5

11,6

12,6

13,5

14,4

15,2

15

-2,2

-0,3

1,5

3,2

4,7

6,1

7,3

8,5

9,6

10,6

11,6

12,5

13,4

14,2

14

-2,9

-1,0

0,6

2,3

3,7

5,1

6,4

7,5

8,6

9,6

10,6

11,5

12,4

13,2

13

-3,7

-1.9

-0,1

1,3

2,8

4,2

5,5

6,6

7,7

8,7

9,6

10,5

11,4

12,2

12

-4,5

-2,6

-1,0

0,4

1,9

3,2

4,5

5,7

6,7

7,7

8,7

9,6

10,4

11,2

11

-5,2

-3,4

-1,8

-0,4

1,0

2,3

3,5

4,7

5,8

6,7

7,7

8,6

9,4

10,2

10

-6,0

-4,2

-2,6

-1,2

0,1

1,4

2,6

3,7

4,8

5,8

6,7

7,6

8,4

9,2

Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных процессоров мощных компьютеров.

Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и поддержания соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальный выбор модели и режимов ее эксплуатации не только не обеспечивают необходимые условия работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Оптимальный же выбор является сравнительно непростой задачей.

Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рис. 18.22 (с разрешения фирмы Остерм). На этом рисунке приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.

Рис.17.22. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье

Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующем действиям:

1. По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют ток I, протекающий через модуль Пельтье, при этом величина тока I должна быть в диапазоне восходящей кривой dT(I).

2. Для значения тока I по линиям, определяющим зависимость dT от Qc, (в левом нижнем углу рисунка графиков) выбирается соответствующая характеристика.

3. По значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье, вычисляемая как Тс = Th — dT.

Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT = Th — Тс) между горячей (Th) и холодной сторонами (Тс) используемого модуля Пельтье. При этом чем выше ток, протекающий через модуль и определяемый приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.

Пример расчета.

1. Для напряжения 12 В ток составляет 5 А.

2. Для электрического тока 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К (45 °С), для 40 Вт - 25 К, для 60 Вт - 4 К.

3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50 °С), можно вычислить температуру Тс для каждого значения Qc. Для случая тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5 °С), для 40 Вт — 298 К (25 °С), для 60 Вт- 319 К(46°С),

Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей величины разности температур горячей и холодной его сторон. Так, например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 A, Umax = 28,8 В) обеспечивает разность температур в 35—40 °С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.

Однако, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, 1 = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента. Тепловой поток, порождаемый данными источниками, ложится на охлаждающие средства. При этом используемые средства, представленные, как правило, соответствующими радиатором и вентилятором, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровень температуры горячей стороны модуля Пельтье. В тех же случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля зависит как от разности температур, так и от величины температуры на горячей стороне этого модуля.

Кстати, следует обратить внимание, что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимо обеспечить использование всей поверхности горячей и холодной сторон. Если же площадь, например, холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то следует применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров и толщины, изготовленные, например, из меди или алюминия.

К сожалению, этим не исчерпываются все проблемы использования модулей Пельтье, применяемых в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие кулеры Пельтье, получившие наибольшее распространение, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. Поэтому в случае перехода процессора в режим пониженного энергопотребления и соответственно тепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса и кристалла процессора. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаях временное прекращение его работоспособности, и, как результат, стойкое зависание компьютера. Необходимо напомнить, что в соответствии с документацией фирмы Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа серийных процессоров Pentium II и Pentium III, Pentium 4, обычно составляет +5 °С, хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах.

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов с помощью встроенных аппаратных средств материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера, оптимизируя условия его работы. Однако в случае использования простейших кулеров Пельтье, в конструкции которых не предусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье. Это связано с тем, что он, кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.

Необходимо отметить, что, кроме охлаждения процессоров компьютеров, кулеры Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления кулерами Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров. В простейшем случае это может быть миниатюрное термореле на основе биметаллической пластины, укрепленное на модуле Пельтье и управляющее работой его охлаждающего вентилятора.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение споеобствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И среди них системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

Примеры кулеров Пельтье

Сравнительно недавно на компьютерном рынке появились модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надежные и сравнительно дешевые ($6—$15) устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав поставляемых комплектов. Тем не менее, данные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению в системах защиты компьютерных компонентов. Вот краткие параметры одного из образцов.

Размер модуля (рис. 17.23) — 40x40 мм, максимальный ток — 6 А, максимальное напряжение — 15 В, потребляемая мощность — до 85 Вт, перепад температур — более 60 °С. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.

Рис. 17.23. Внешний вид кулера

На рынке представлены как менее, так и более мощные варианты отечественных модулей Пельтье.

Спектр зарубежных устройств значительно шире. Ниже приведены примеры серийных кулеров, в конструкции которых использованы термоэлектрические модули Пельтье.

Активные кулеры Пельтье фирмы Computernerd

Название

Производитель / поставщик

Параметры вентилятора

Процессор

РАХ56В

Computernerd

ball-bearing

Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт

РА6ЕХВ

Computernerd

dual ball-bearing, тахометр

Pentium MMX до 40 Вт

DT-P54A

DesTech Solutions

dual ball bearing

Pentium

АС-Р2

AOC Cooler

ball bearing

Pentium II

РАР2ХЗВ

Computernerd

3 ball bearing

Pentium II

STEP-UP-53X2

Step Thermodynamics

2 ball bearing

Pentium II, Celeron

РАР2СХЗВ-10 BCool PC-Peltier

Computernerd

3 ball-bearing, тахометр

Pentium II, Celeron

РАР2СХЗВ-25 BCool-ER PC-Peltier

Computernerd

3 ball-bearing, тахометр

Pentium II, Celeron

PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier

Computernerd

3 ball-bearing, тахометр

Pentium II, Celeron

Кулер РАХ56В разработан для охлаждения процессоров Pentium и Pentium ММХ фирм Intel, Cyrix и AMD, работающих на частотах до 200 МГц. Термоэлектрический модуль размером 30x30 мм позволяет кулеру поддерживать температуру процессора ниже 63 °С при рассеиваемой им мощности 25 Вт и внешней температуре равной 25 °С. В связи с тем, что большинство процессоров рассеивают меньшую мощность, данный кулер позволяет поддерживать температуру процессора гораздо ниже, чем многие альтернативные кулеры на основе радиаторов и вентиляторов. Питание модуля Пельтье, входящего в состав кулера РАХ56В, осуществляется от источника 5 В, способного обеспечить ток 1,5 А (максимум). Вентилятор данного кулера требует напряжение 12 В и ток 0,1 А (максимум). Параметры вентилятора кулера РАХ56В: ball-bearing, 47,5 мм, 65 000 часов, 26 дБ. Общий размер данного кулера составляет 25x25x28,7 мм. Ориентировочная цена кулера РАХ56В была установлена в $35.

Кулер РА6ЕХВ разработан для охлаждения более мощных процессоров Pentium ММХ, рассеивающих мощность до 40 Вт. Этот кулер подходит для всех процессоров фирм Intel, Cyrix и AMD, подключаемых через Socket 5 или Socket 7. Термоэлектрический модуль Пельтье, входящий в состав кулера РА6ЕХВ, имеет размер 40x40 мм и потребляет максимум ток 8 А (обычно 3 А) при напряжении 5 В с подключением через стандартный разъем питания компьютера. Общий размер кулера РА6ЕХВ составляет 60x60x52,5 мм. При установке данного кулера для хорошего теплообмена радиатора с окружающей средой необходимо обеспечить открытое пространство вокруг кулера как минимум 10 мм сверху и 2,5 мм по бокам. Кулер РА6ЕХВ обеспечивает температуру процессора на уровне 62,7 °С при рассеиваемой им мощности 40 Вт и внешней температуре 45 °С. Учитывая принцип работы термоэлектрического модуля, входящего в состав данного кулера, во избежание конденсации влаги и короткого замыкания необходимо избегать использования программ, которые переводят процессор в спящий режим на длительное время. Ориентировочная цена такого кулера — $65.

Кулер DT-P54A (также известен под названием РА5В фирмы Computernerd) разработан для процессоров Pentium. Однако некоторые фирмы, предлагающие эти кулеры на рынке, рекомендуют его и пользователям Cyrix/IBM 6x86 и AMD Кб. Радиатор, входящий в состав кулера, достаточно мал. Его размеры 29x29 мм. В кулер встроен термодатчик, который при необходимости оповестит о перегреве. Он также контролирует элемент Пельтье. В комплект входит внешнее контролирующее устройство. Оно выполняет функции контроля за напряжением и самой работой элемента Пельтье, работой вентилятора, а также температурой процессора. Устройство выдаст сигнал тревоги, если элемент Пельтье или вентилятор выйдут из строя, если вентилятор вращается со скоростью меньшей, чем на 70% от необходимого значения (4500 RPM), или же температура процессора поднялась выше 145 °F (63 °С). Если температура процессора поднялась выше 100 °F (38 °С), то элемент Пельтье автоматически включается, в противном случае он находится в режиме отключения. Последняя функция ликвидирует проблемы, связанные с конденсацией влаги. К сожалению, сам элемент приклеен к радиатору настолько сильно, что его невозможно отделить, не разрушив его конструкцию. Это лишает возможности установить его на другой, более мощный радиатор. Что касается вентилятора, то его конструкция характеризуется высоким уровнем надежности и он обладает следующими параметрами: напряжение питания — 12В, скорость вращения — 4500 RPM, скорость подачи воздуха — 6,0 CFM, потребляемая мощность — 1 Вт, шумовые характеристики — 30 дБ. Этот кулер достаточно производителен и полезен при разгоне. Однако в некоторых случаях разгона процессора следует воспользоваться просто большим радиатором и хорошим кулером. Цена этого кулера составляет от $39 до $49.

Кулер АС-Р2 разработан для процессоров типа Pentium II. В комплект входит 60 мм кулер, радиатор и элемент Пельтье размером 40 мм. Он плохо подходит к процессорам Pentium II 400 МГц и выше, т. к. им практически не охлаждаются чипы кеш-памяти, расположенной на плате процессора. Ориентировочная цена — $59.

Кулер РАР2ХЗВ (рис. 18.24) аналогичен АОС АС-Р2. В него добавлены два 60 мм кулера. Проблемы с охлаждением памяти SRAM остались нерешенными. Стоит отметить, что кулер не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, Cpuldle, а также под операционными системами Windows NT или Linux, т. к. вероятна конденсация влаги на процессоре. Ориентировочная цена — $79.

Рис. 17.24. Внешний вид кулера РАР2ХЗВ

Кулер STEP-UP-53X2 оснащен двумя вентиляторами, прокачивающими большое количество воздуха через радиатор. Ориентировочная цена -(Pentium II), $69 (Celeron).

Кулеры серии Bcool от Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) разработаны для процессоров Pentium II и Celeron и имеют похожие характеристики, которые представлены в следующей таблице.

Кулеры серии BCool

Характеристика

РАР2СХЗВ-10

РАР2СХЗВ-25

PAP2CX3B-10S

Тип центрального вентилятора

ball-bearii

ng, тахометр (12 В,

120мА)

Размер центрального вентилятора

 

60x60x10 мм

 

Тип внешнего вентилятора

ball-bearing

ball-bearing, тахометр

ball-bearing, термистр

Размер внешнего вентилятора

60x60x10 мм

60x60x25 мм

 

Напряжение, ток

12В,90мА

12В, 130 мА

12В, 80-225 мА

Общая площадь охвата вентиляторами

 

84,9 см2

 

Общий ток для вентиляторов (мощность)

300 мА (3,6 Вт)

380 мА (4,56 Вт)

280-570 мА (3,36-6,84 Вт)

Количество штырьков на радиаторе (центр)

63 f.

длинных и 72 коротих

 

Количество штырьков на радиаторе (с каждого края)

45 f.

длинных и коротих  

Общее количество штырьков на радиаторе

153 ,t

винных и 108 коро

тких

Размеры радиатора (центр)

57x59x27 мм (вю

1ючая термоэлектр

ической модуль)

Размеры радиатора (с каждого края)

 

41x59x32 мм

 

Общие размеры радиатора

145x59x38 мм (вк

лючая термоэлектр

!ической модуль)

Общие размеры кулера

145x60x50 мм

145x60x65 мм

 

Вес кулера

357 грамм

416 грамм

422 грамм

Гарантия

 

5 лет

 

Ориентировочная цена (2000 г.)

$74,95

$79,95

$84,95

Для процессоров типа Intel Pentium 4 и AMD Athlon могут быть рекомендованы, например, кулеры фирмы Thermaltake.

Следует отметить, что указанные группы кулеров включают в себя также устройства, которые имеют похожие характеристики, но в которых отсутствуют элементы Пельтье. Такие кулеры, естественно, дешевле, но в ряде случаев и менее эффективны как средства охлаждения компьютерных комплектующих.

Назад Начало Вперед