Термоэлектрические модули в системах охлаждения компьютера,

За последние годы, все более широкое распространение получают термоэлектрические модули (ТЭМ) или элементы Пельтье. Периодически в продаже появляются новые модели кулеров имеющих встроенный термоэлектрический модуль в качестве охладителя. Но появившись эти модели не развиваются в виде новых модификаций, а тихо пропадают из продажи.
Это заcтавляет задуматься о том, что их эффективность оказалась ниже ожидаемой или проявили себя не учтенные разработчиком аспекты их использования.

 

 

Введение

 

Полупроводниковые термоэлектрические модули, как устройства не имеющие изнашивающихся механизмов, имеют достаточно высокую надежность.

Они позволяют создавать многоступенчатые конструкции имеющие перепад температур dt более 130°С.

Современные ТЭМ перекрывают по холодопроизводительности диапазон от долей Ватт до сотен ватт см. таблицу 1:

 

 

Этого в настоящий момент вполне достаточно для охлаждения процессоров и большинства узлов малогабаритной электронной техники.

Однако, кроме очевидных достоинств, ТЭМ обладают и рядом специфических свойств, которые предъявляют определенные требования. Эти требования необходимо учитывать при разработке и проектировании охладителей для компьютеров и электронной техники.

Рассмотрим эти особенности и требования.

 

А теперь о проблемах ...

Переохлаждение процессора, элемента электронной техники
охлаждаемого с помощь ТЭМ

В связи с высокой чувствительностью электронной техники, и особенно слаботочной - выполненной на полевых транзисторах, к токам утечки между сигнальными входами, а значит и к влаге, следует применять меры по предупреждению от ее попадания на контактные группы приборов. Особенно это важно для систем охлаждения где температура кулера может быть ниже температуры окружающего воздуха. Этот режим возможен в системах с ТЭМ и холодильными машинами.

Поэтому температура процессора не может быть ниже некоторой величины, определяемой "точкой росы" - температурой конденсации влаги из воздуха при данной его влажности и давлении воздуха в помещении.

 

 

 В случае охлажденной поверхности пар становится насыщенным над этой поверхностью при температуре точки росы. В результате влага выпадает на поверхности охлаждаемого устройства.

 

Влажность воздуха в помещении, где постоянно работает персонал, может колебаться от 70 до 20%, температура от +18 до +28°C, но для упрощения примем нормы СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений, которые составляют:
- температура воздуха в офисном помещении должна составлять 23—25°С в теплое время года и 22—24°С в холодное,
-  относительная влажность воздуха в офисном помещении 40—60%.

Ограничиться температурой воздуха в холодное время года 22—24°С и нормативными границами влажности 40—60% и посмотрим ниже какой температуры не рекомендуется охлаждать тепловыделяющий объект (процессор) во избежание выпадения влаги на его поверхности.

Для наглядности приведу зависимость температуры точки росы для температур воздуха в помещении 22—24°С и влажности воздуха 40—60% в виде графика:

 

 

Как видим из графика рис. 1, температура охлаждаемого объекта (процессора) не должна быть (при температуре воздуха 22°С и влажности 40%) ниже +6,8°С, при той же температуре, но влажности 60% уже не ниже +13,5°С.

Если ограничиться просто наложением ограничений на минимальную температуру охлаждаемого объекта в выбранном нами диапазоне (для гарантированного недопущения выпадения влаги), то мы должны установить минимальную температуру холодной стороны ТЭМ на уровне 15,5°С.

При следящем (за ограничением температуры точкой росы) управлении минимальное значение температуры будет колебаться в диапазоне 6,8 -:- 15,3 °С, что позволит повысить отводимую мощность (разница 8,5°С - в то время как идет борьба за каждый градус температуры процессора).

Что получится при не соблюдении данных требований видно на рис.2

 

 

Можно забить в память контроллера управления данные рис. 1, но температура точки росы зависит еще и от давления. Поэтому, на мой взгляд проще применить для данной конструкции только один датчик - датчик влажности на поверхности охлаждаемого объекта (вместо двух - температуры холодной стороны и давления), чтобы управлять данной системой.

Что касается применения теплоизоляции предлагаемой некоторыми авторами, то

 - логика подсказывает, что применение теплоизоляции охлажденных поверхностей не решает проблемы конденсации влаги, а просто немного отодвигает ее дальше во времени. Потому что применяемые для теплоизоляции материалы в в своей массе гигроскопичны и даже при самой лучшей теплоизоляции со временем накапливают влагу в своей массе.

Единственным логичным решением данной проблемы может быть полная теплоизоляция с применением герметизации холодной стороны ТЭМ.

Правда это приведет к созданию неразборной конструкции ТЭМ - кулер.

 

Применение ТЭМ:

- в системах охлаждения устройств с динамическим выделением тепла

Процессор представляет собой высоко динамичный источник тепла (с диапазоном изменения тепловыделения от десятка до сотни ватт) для теплового насоса (ТЭМ). В то время как все производители оговаривают число термоциклов для которых гарантируется его нормальная работа.

НПО Кристалл  приводит следующие данные: устойчивость к термоциклированию ТЭМ  в режиме "20/80": свыше 10 000 циклов,

Криотерм приводит следующую информацию:

 

- в системах воздушного охлаждения

Мы помним, что снижая температуру холодной стороны, ТЭМ сам выделяет тепло на его горячей стороне. Дополнительно к "откачиваемому" тепловым насосом (ТЭМ) от охлаждаемого объекта теплу.

В настоящий момент трудно предполагать применение ТЭМ в системах воздушного охлаждения носимых компьютеров (ноутбуках, планшетах, ...) по причине их большого потребления энергии.

В малоразмерных стационарных компьютерах, например типа "моноблок" применение ТЭМ тоже ограничено размерами его корпуса. Поскольку в малоразмерных корпусах из-за проблем с воздухообменом применение устройств с высоким тепловыделением просто недопустимо. А как мы уже знаем, ТЭМ сам выделяет дополнительное тепло.

В стационарном полноразмерном компьютере с хорошей системой вентиляции применение ТЭМ может привести к росту тепловыделения узла "процессор - кулер" до двух раз, что потребует соответствующего увеличения производительности системы вентиляции. Это в свою очередь приведет к росту уровня шума компьютера.

 

- в системах жидкостного охлаждения

Жидкостные системы охлаждения, в своем большинстве, отличаются от воздушных, тем что они выводят тепло за пределы корпуса компьютера (с теплоносителям по шлангам) при температурах теплоносителя на выходе охладителя (ватерблока) чуть большей температуры окружающего воздуха. С этой точки зрения они вполне могут быть применены совместно.

Но не все узлы компьютера можно охладить системой жидкостного охлаждения.

Остается потребность охлаждения множества мелких узлов компьютера к которым просто невозможно подвести жидкостное охлаждение. Поэтому корпус в любом случае должен иметь систему принудительной вентиляции. Правда оставшееся тепловыделение уже "по зубам" простой системе вентиляции с одним (в крайнем случае двумя) вентилятором.

Процессоры (CPU и GPU) выделяют более 70% тепла в высоко производительном игровом компьютере (до 50% обычного ПК).

Поэтому применение ТЭМ позволить вывести большую часть тепла из корпуса производительного компьютера и снизить требования к системе вентиляции корпуса, можно было бы сказать, что это снизит его шум. Но в реальности это не так поскольку эффективная система жидкостного охлаждения сама имеет достаточно большой уровень шума. Снижение уровня шума возможно только при переносе блока "теплообменник - помпа" системы жидкостного охлаждения на несколько метров от охлаждаемого компьютера.

 

Выбор ТЭМ по производительности

Производители рекомендуют выбирать ТЭМ работающий на токе 0,7 Iмакс, как наиболее рациональной величине с точки зрения хорошего соотношения Q_max/P_пит (холодопроизводительность/потребляемая мощность). На рис. 3 показаны зависимости Q_max и P_пит от тока протекающего через ТЭМ [для ТЭМ модели TB-127-1,4-1,5 (Frost-74)] от Криотерм.

 

 

Из рис.1 видим, что холодопроизводительность (Q) становится равной потребляемой мощности (p) при токе около 5А.

Поэтому производители рекомендуют выбирать ТЭМ с холодопроизводительностью при токе 0,7I_max равной тепловыделению охлаждаемого объекта. Для указанного на Рис.3 характеристик этот ток равен 4,4 А.

Холодопроизводительность ТЭМ для охлаждения процессора должна быть равна или превышать мощность его тепловыделения. Потому что если тепловыделение (P) превысит холодопроизводительность (Q), то температура процессора начнет быстро расти, как это показано на рис.4. Это происходит потому что тепловой насос не справляется с прокачкой выделяемого тепла и превышение тепловыделения P над Q отводиться не будет.

 

Поэтому для тяжелых режимов работы процессора с TDP около 100 Вт (длительная 80-100% загрузка, разгон) необходимо выбирать ТЭМ с Q (при 0,7Imax) более 100 Вт. Аналогично и для процессоров работающих с меньшим TDP.

Более точный и сложный выбор ТЭМ должен производиться с учетом сказанного выше с использованием графиков описывающих характеристики конкретного рассматриваемому для использования термоэлектрического модуля.

 

Питание ТЭМ

Хотя для работы модуля необходимо, чтобы питающий его постоянный ток имел пульсации не превышающие 5%.

Эти требования к электропитанию ТЭМ мягче чем требования для питания узлов компьютера.

Прежде всего нет жестких требований по пульсации, потому что ТЭМ является интегрирующим элементом для тех частот пульсаций которые имеются в электронных блоках питания, да и как тепловой насос это достаточно инерционный прибор и тем более в совокупности с "тепловым аккумулятором" и массивными медными деталями теплосъемников.

Поэтому просто неразумно применять для его питания дорогой, высококачественный блок питания компьютера.

Но питание ТЭМ тоже имеет свои особенности

Мы должны знать, что рабочая величина тока в стационарном режиме может быть меньше своего первоначального значения примерно на 20-35 %, поскольку благодаря эффекту Зеебека величина тока зависит от разности температур. Поэтому электрический режим ТЭМ зависит и от эффективности теплосъема с горячей стороны ТЭМ и может меняться при изменении температуры теплоносителя (и наружного воздуха для систем жидкостного охлаждения).

В таком случае, а так же при наличии динамически меняющегося тепловыделения - управление холодопроизводительностью ТЭМ является обязательной функцией, особенно в процессе выхода на рабочий режим. Это осуществляется через изменение питающего напряжения и соответственно тока протекающего через ТЭМ.

Высокая мощность потребления ТЭМ (например:  ТЭМ типа D-288-10-08 с Q_max ≤ 129 Вт - для процессоров с тепловыделением 90 Вт требует порядка 210 Вт) от БП и достаточно простые требования по качеству питающего напряжения, позволяют питать его от отдельного, недорогого блока питания. Это позволит разгрузить блок питания компьютера.

Поэтому логично совместить его в единый блок разместив в нем блок питания, систему управления, контроля.

В системах ТЭМ + система жидкостного охлаждения все это может быть размещено в отдельном блоке содержащем блок питания + регулятор + помпа для прокачки жидкого теплоносителя + теплообменник ... , примерно так как это сделано в системе водяного охлаждения Titan TWC-A04, только у внешнего охладителя необходимо увеличить площадь оребрения.

Примерный его состав показан на блок-схеме - рис. 5.

 

 

И самое главное!

Поскольку ТЭМ имеет постоянную времени tз, как и другие элементы системы охлаждения, его включение должно выполняться еще до включения компьютера!

Это позволяет делать описанная конструкция.

 

А компьютер должен запускаться только после проверки исправности ТЭМ и выхода на режим его и системы охлаждения.

 

Ведь ТЭМ с выключенным питанием или неисправный является хорошим теплоизолятором и выход из строя охлаждаемого узла гарантирован!

 

Циклограмма включения компьютера с таким блоком питания должна выглядеть следующим образом:

t₁ = 0 -вкл. ТЭМ + СЖО и вывод на режим,

t₂ > t₁  - выход на режим ТЭМ + СЖО [причем t₂ = f (t_возд, dt, ...)],

t₃ > t₂ - включение компьютера.

Все сказанное заставляет принять следующее решение - блок питания ТЭМ должен быть выполнен как отдельный узел и дополнен функциями СЖО.

Применение теплопроводящих составов с ТЭМ

При малых dt (эффективном теплосъеме) возможно применение обычных теплопроводящих паст или составов с теплопроводностью порядка 3-5 Вт/м*К. Эти пасты, как заявляют производители, обычно работают до 150 и даже 300 °С. Правда производители умалчивают насколько сокращается срок их службы при максимальных температурах. Логика подсказывает, что он существенно меньше чем если они работают при 25 - 75°С.

Другое дело, при работе ТЭМ когда имеет место превышение P над Q. Тогда температура горячего спая может превысить 100°С.

Поэтому я думаю более рационально применять при температурах выше 80 - 100°С (для горячей стороны ТЭМ) прокладки из легкоплавких сплавов с температурой плавления порядка 80°С, их работоспособность не ограничена во времени в нужном нам диапазоне температур.

 

Проблемы управления ТЭМ и вопросы к производителям

Не смотря на то что ТЭМ является законченной и достаточно отработанной конструкций, для систем с точным следящим регулированием, какими являются системы охлаждения процессоров и других узлов электроники с предельно малыми температурами (выше точки росы), он совершенно не приспособлен.

Производители ТЭМ предполагают что весь контроль осуществляют разработчики узлов содержащих ТЭМ своими средствами. Хотя параметры (температуры) на внешних узлах разрабатываемой конструкции могут существенно отличаться от температур холодной и горячей стороны ТЭМ. Это может привести к выпадению влаги на холодной стороне ТЭМ и соответственно ее попаданию на контактные группы процессора (охлаждаемого узла).

Нет и встроенных элементов контроля характеризующих работу ТЭМ и позволяющих контролировать его работу и диагностировать его неисправность.

 

Производители могут используя применяемые технологические процессы при изготовлении ТЭМ разместить пары генерирующих спаев на холодной и горячей стороне ТЭМ, что позволит точнее отслеживать температуру контактных поверхностей ТЭМ что повысит надежность его работы и даст в руки разработчиков элементы контроля разрабатываемой системы.

 

Для точного управления ТЭМ в системах охлаждения узлов электронной техники необходим контроль за влажностью воздуха в районе охлаждаемого узла, что позволит максимально понизить температуру охлаждаемого узла и увеличить отводимую системой охлаждения мощность.

 

Другие применения ТЭМ

Использование кондиционера для системного блока

Нет необходимости разрабатывать кондиционер для системного блока. Они разработаны и продаются.

Рассмотрим конструкцию предлагаемую "Криотерм" - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СБОРКА ТИПА 380-24-AA. Она показана на рис. 6 в виде элемента встраиваемого в системы.

Его характеристики:

Рабочая холодопроизводительность Qc должна быть превышать мощность выделяемую узлами размещенными в системном блоке.

Например для тепловыделения около 350 Вт необходимо использовать две сборки 380-24-AA, а для тепловыделения 500 Вт уже три сборки.

Это достаточно большая конструкция, потребляющая большую мощность и самое главное - достаточно шумная.

 

И на рис. 7 тот же модуль смонтированный в защитном пластмассовом корпусе.

 

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>