Термоэлектрические модули в системах охлаждения компьютера

на страницах сайта

www.electrosad.ru

 О термоэлектрических модулях (ТЭМ) (иначе термоэлектрических модулях на эффекте Пельтье или модулях Пельтье)  написано много, сам эффект известен с 1834 года, а сами они выпускаются уже много лет. Существуют модели бытовой техники, где они применяются. Это авто холодильники, охладители для пива. Существуют промышленные кулеры для охлаждения процессоров.
Но ...
Но почему-то они, не смотря на все их возможности пока не нашли широкого применения в компьютерной технике. Здесь я попробую рассказать о недостатках и возможностях ТЭМ. Возможно она поможет Вам решить проблемы и изготовить работоспособную конструкцию.

 

Некоторые виды выпускаемых в России элементов Пельтье показаны на рис.1

 

 Рисунок 1.

 

Между внешними керамическими пластинами ТЕМ помещаются последовательно включенные полупроводниковые элементы, один из концов которых имеет низкую температуру (холодный спай) а другой высокую температуру (горячий спай). С пластиной они соединены с помощью пайки. Поэтому одна из пластин имеет низкую температуру (холодная сторона), а другая (горячая сторона) см. рис.2.

 

 
Рисунок 2.
 

По сути ТЭМ есть тепловой насос, который затрачивая энергию внешнего источника питания перекачивает выделяемое источником тепло к теплообменнику - радиатору, добавляя свою долю тепла.

 

Требования к монтажу

Компания КРИОТЕРМ рекомендует следующие значения прижимного давления (Pm) при монтаже не металлизированных ТЭМ:

 

Тип модуля Pm
кг/см2
Микромодулии 2- 6
Стандартные однокаскадные модули 5- 12
Высокоэффективные однокаскадные модули 8-12
Многокаскадные модули 3- 10

 

Соответствующий момент затяжки винтов может быть определен по следующей формуле: 
T = (Pm x Sm х Nm x K x d) / N,

где:
T - значения момента на каждом винте;
Pm - развиваемое давление прижима;
Sm - площадь поверхности термоэлектрических модулей в сборке;
Nm – число термоэлектрических модулей в сборке;
N - количество винтов, используемых для монтажа сборки;
K - приведенный коэффициент трения (к примеру, K=0.2 для стали, K=0.15 для нейлона);
d - номинальный диаметр винта.

 

Для улучшения теплового контакта на поверхность термоэлектрического модуля наносится теплопроводящее вещество.

Для модулей с рабочей температурой до 100 °С - теплопроводящая паста, высокотемпературная сторона модулей с рабочей температурой 150 или 200°С  ставится на легкоплавкие припои.

Поверхность сопрягаемая с ТЭМ должна быть чистая, а теплопроводящая паста не должна иметь механических включений.

 

ТЭМ в конструкциях для охлаждения процессоров

В ТЭМ мощность которых позволяет применять их для охлаждения процессоров на один термоэлемент приходится от 0,41 до 0,9 Вт, поэтому при тепловыделении процессора около 100 Вт необходимо применять ТЭМ состоящий из 200 - 100 элементов. Такие ТЭМ имеют размеры больше чем контактная поверхность процессора. Но соизмеримую с контактной поверхностью современных 2,4 ядерных процессоров.

При применении ТЭМ в процессорных кулерах из-за размера и хрупкости приходится применять их установку в дополнительных медных контактных пластинах с достаточно точным прижимным усилием (опять хрупкая керамика).

Это усилие нормируется и крутящий момент составляет (из условия использования двух винтов диаметров 4 мм на один модуль, без применения смазки винтов):
Модули площадью 40хּ40 мм2  – 7-10 кгс х см;
Модули площадью 30хּ30 мм2  - 4-5.5 кгс х см.

 

 
Рисунок 3.
 

Типовая конструкция кулера на ТЭМ (например MCX462+T™) схематично показана на рис.3. Следует отметить, что данная конструкция предусматривает два дополнительных слоя теплопроводящей пасты, встроенных непосредственно в кулер. Это дополнительно к слою между кулером и процессором резко повышает сопротивление тепловому потоку и соответственно температуру радиатора и рассеиваемую им мощность. А если учесть, что тепловое сопротивление одного слоя рекомендованной термопасты КПТ-8 составляет более 0,23 град/Вт, то для трех слоев это будет более 0,69град/Вт. При отводимой через кулер мощности 60 Вт потери температуры составит больше 41 град.С.
И только одно дает возможность не обращать внимание на тепловое сопротивление, это возможность ТЭМ иметь на холодной стороне отрицательную температуру.
Применяя пайку вместо термопасты, можно многократно сократить тепловые потери на стыкуемых поверхностях.

Это приводит к необходимости затрачивать дополнительную мощность и отводить ее через радиатор.

Одно непонятно, почему производители предлагая ТЭМ, не выполняют его холодную сторону совмещенную с медной пластиной. Технологически это возможно в производственных условиях сделать с помощью пайки, это максимально приблизит температуру контактной поверхности процессора к температуре холодной стороны ТЭМ и повысит эффективность ТЭМ и его надежность за счет повышения прочности. Все это полезно не только процессорам, но и любым охлаждаемым ТЭМ устройствам.

Правда поставляются ТЭМ с облуженными поверхностями. Производитель оставляет за потребителем право самим паять ТЭМ на радиаторы или источники тепла.

 

Эффективность ТЭМ

Если говорить об эффективности ТЭМ, то согласно таблице 1, КПД сборки ICE-71 составляет 62%. Или потребляя от источника питания 128,8 Вт ТЭМ производит холод мощностью до 80 Вт. Его размер 40х40 мм.

 

Модуль Imax
(A)
Qmax
(Вт)
Umax
(В)
D Tmax
(K)
ICE-71 8,0 80,0 16,1 71
Таблица 1.

 

А суммарная мощность тепловыделения Pсум на выделяемая на горячей стороне, при условии что Pт.проц=Qmax, будет составлять:

Pсум = Pт.проц + Q

Q берется из графика на рис.4

 

 
Рисунок 4.
 
Источник питания ТЭМ

Согласно табл.1 мощность потребляемая ТЭМ для данной модели составляет 128,8 Вт. Поскольку мощность потребления зависит от мощности тепловыделения процессора, она должна регулироваться.
В противном случае при минимальной загрузке процессора возможны отрицательные температуры на холодной стороне ТЭМ и связанная с этим конденсация влаги. В этом случае  любая изоляция от влаги будет только временным решением.

Поэтому для управления производительностью холода ТЭМ становится первостепенной задачей.

Все это предъявляет особые требования к источнику питания ТЭМ.
Поэтому для управления питанием и питания ТЭМ ICE-71 требуется регулируемый источник питания мощностью 185 Вт (учитывая КПД), при токе нагрузки до 8,0 А. Он должен поддерживать температуру вкладыша между процессором и охладителем на уровне температуры наружного воздуха в корпусе ПК. Это не позволяет использовать блок питания ПК и требует отдельного источника питания. При применении ТЭМ с мощностью 100 Вт и более мощность источника питания должна быть более 255 Вт.

 

Кондиционирование воздуха в корпусе ПК с помощью ТЭМ

В конце 2004 года были выпущены специальные кондиционеры для ПК, в качестве примера можно привести модель PC AirCon PAC 400.

Его характеристики:

  1. Монтируется в 5 дюймовый отсек,
  2. Производительность по холоду - 80 Вт,
  3. Вентиляторы - два (4600об/мин, 37дб),
  4. Напряжение питания - 12 В,
  5. Потребляемая мощность - 52 Вт.

Конечно здесь указана не реальная потребляемая мощность (возможно ошибочно) поскольку иначе получается КПД системы больше единицы (1,53). Скорее, эти параметры необходимо взаимно поменять.

О кондиционере нет подтверждений показывающих его высокую эффективность, хотя положительный эффект, в виде снижения температуры воздуха в корпусе ПК на 2-3 град.С, зарегистрирован.

Но ждать ничего хорошего от применения систем кондиционирования в типовых корпусах ПК и не приходится.

Ведь Вы когда включаете кондиционер не открываете все окна в своем помещении! Охладить всю улицу Ваш кондиционер конечно не сможет.

Поэтому корпус ПК для установки систем кондиционирования воздуха должен иметь специальную конструкцию, которая обеспечивает герметичность (обязательно - влага!) и теплоизоляцию. Корпус ПК по конструкции должен напоминать корпус современного холодильника.

Только в этом случае можно рассматривать его эффективность.

Экспериментаторы!
Не забывайте, что производительность по холоду кондиционера должна быть больше суммарной мощности тепловыделения всех узлов расположенных в корпусе ПК и иметь автоматическое управление. Ведь тепловыделение в корпусе ПК весьма существенно колеблется.

 

 

Почему ТЭМ не находят широкого применения в системах охлаждения процессоров?

Не смотря на то, что эффект Пельтье известен более 170 лет, до сих пор устройства на его основе не нашли широкого применения. И похоже это объясняется в первую очередь их дороговизной, а во вторую дороговизной технологии их сборки и я бы добавил сюда еще низкий КПД.

Но все это перекрывает несовершенство конструкции.

Что можно сказать о двух! дополнительных слоях термопасты (по сравнению с обычным кулером).

Конечно при заводской сборке можно использовать паяное крепление ТЭМ на радиатор и дополнительный вкладыш. Это позволит снизить тепловое сопротивление кулера от 1,5 до 3 раз и одновременно снизить затраты энергии. Но пока паянные соединения не применяются.

Управление таким кулером не может быть 2-3 ступенчатым. Это должно быть следящее автоматическое управление с контролем за нештатными ситуациями. К которым можно отнести его неисправность, нарушение тепловых контактов и др.

Именно по причине дороговизны кулеров с применением ТЭМ, низкого КПД, при недостаточной эффективности и недоработке конструкции кулеры с использованием ТЭМ (модулей Пельтье) пока не нашли широкого применения.

Кроме того сложная технология сборки конечных изделий - кулеров и высокие требования к качеству выполнения технологических операций тоже добавляет ему цены.

Но есть одна область применения ПК, где кулеры на ТЭМ ни может заменить ничто.

Это компьютеры для работы в условиях, когда температура наружного воздуха приближается к 60 град.С. Тогда цена, сложность и КПД уходят на второй план, для достижения главной цели - надежной работе компьютера.

Справка - цена термоэлектрического модуля размером 40х40 мм около 500 руб./шт.

апрель 2008 года.

Сорокин А.Д.

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или почтой.
.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012