Применение термоэлектрического модуля
в качестве теплового насоса в кулерах
для процессоров с большим тепловыделением

на страницах сайта

www.electrosad.ru

О применение термоэлектрических модулей на эффекте Пельтье (ТЭМ) в кулерах я писал в статье "Термоэлектрические модули в системах охлаждения ПК". Там рассмотрены их положительные и отрицательные свойства. Здесь я хочу рассказать на примере кулера Titan Amanda TEC о том, какой должна быть конструкция кулера с применением ТЭМ. Почитав эту статью можно не только сконструировать отличный кулер с применением ТЭМ (TEC), но выбрать из существующих моделей наиболее качественный.

 

Исходя из логики работы тепловых трубок (см. статьи 1  и  2), которые имеют начальную температуру закипания теплоносителя которая в пределах технологических разбросов может иметь допуск на разброс температуры закипания от +25 до +40 град.С, имеет смысл применить в кулерах с тепловыми трубками тепловые насосы - термоэлектрические модули работающие на эффекте Пельтье.

За счет рабочего перепада температур Δt = tгор - tхол равного в режиме максимальной мощности ТЭМ примерно 70 град.С, они позволяют вывести на рабочий режим любые тепловые трубки. Причем работа ТТ принимает более стабильный характер при высокой эффективности, даже при ТТ с высокой температурой кипения.

Правда для этого необходимо управление режимом работы ТЭМ.

 

Развивая эту идею дальше, можно рекомендовать применение двухступенчатых систем - кулеров на ТТ где первая ступень содержит ТТ с температурой кипения порядка 20 град.С, а вторая, работающая через ТЭМ, может иметь температуру кипения порядка 35 град. Это снижает технологические требования при производстве ТТ , что позволяет снизить затраты на их производство. Или применить во второй ступени тепловые трубки высокого давления построенных на основе технологии Heat Transporting System (HTS) от ICE HAMMER Electronics, которые имеют повышенную эффективность на температурах более 35 град.С. В таком случае можно ограничить мощность первой ступени на уровне порядка 30% от расчетной для всего кулера.

 

По этому пути пошла фирма Titan Computer GmbH
выпускающая кулер Titan Amanda TEC

 

Конструкция кулера Titan Amanda TEC описана в статье Виктора Баранова "Термоэлектрический кулер Titan Amanda TEC" от 11.08.2006 г. Поэтому не буду останавливаться на этом подробно.

Главные выводы этой статьи:

- большой кулер,

- данный кулер показал свою эффективность.

Дам только его внешний вид и вид конструкции основания.

 

Рисунок 1.

 

Его характеристики одинаковы для моделей TTC-NP02TZ для процессоров AMD и TTC-NP04TZ для процессоров Intel. Они отличаются только конструкцией узла крепления к системной плате.

Характеристики приведены в таблице 1.

Название модели TTC-NP02TZ
Габаритные размеры кулера (ШхГхВ), мм 140 х 95 х 170
Термоэлектрический модуль 40 х 40 мм, 12 В
Общее энергопотребление Вт 0% нагрузка / 5
50% нагрузка / 28
100% нагрузка / 50
Материал радиатора 4 медные тепловые трубки
алюминиевые ребра
медное основание
Габаритные размеры радиатора (ШхГхВ), мм 90 х 90 х 160
Размеры вентилятора, мм 92 х 92 х 32
Напряжение питания вентилятора, В 12 В
Скорость вентиляторов 1500 об/мин.
уровень шума вентиляторов < 20 дБ
Вес кулера, гр. 1035 гр.
Теплое сопротивление, °С/Вт расчетное 0,12 - 0,15
Система управления PCI плата
Время реакции на изменение температуры < 1 с
Напряжение питания / ток ТЭМ подсистемы 12 В / 5 А
Габаритные размеры/вес контрольной PCI платы (ШхГхВ), мм 136 х 121 х 21/50 гр.

Таблица 1.

 

Обращаю ваше внимание на то, что производитель не указывает тепловое сопротивление кулера!

В своих описаниях его характеризуют как чрезвычайно малое.

Если посчитать, то его величина составляет порядка 0,8 - 0,55 град/Вт на максимальном тепловыделении процессоров (67 - 95 Вт соответственно).

Это очень хорошее тепловое сопротивление.

В качестве критики данного описания, следует обратить внимание, что температура воздуха даже в таком корпусе как ThermalTake Xaser III при максимальной производительности кулера Titan Amanda TEC повышается не 6-10 град.С температуру воздуха на холостом ходу процессора.

Это говорит о недостаточности вентиляции в корпусе этой модели и подтверждает, что корпуса при использовании этого кулера должны иметь хорошую вентиляцию.

 

Конструкция основания кулера Titan Amanda TEC

Поскольку нас интересует правильное и эффективное применение ТЭМ (TEC или модулей Пельтье), то теперь посмотрите внимательно на конструкцию основания кулера.

 

Рисунок 2.

 

Термоэлектрический модуль расположен между двумя основаниями, каждое из которых имеет по две теплопроводящей трубки. Поэтому при низких тепловыделениях работает ближайшая к процессору пластина и две теплопроводящие трубки.

На основании ближнем к процессору установлен датчик температуры (на рис.2 - Датчик t). Как только температура основания превысит некоторый порог подается питание на ТЭМ и в работу включается вторая пара теплопроводящих трубок.

Данное решение позволяет отключать ТЭМ когда процессор работает с малой нагрузкой, а известно, что в таком режиме ТЭМ является плохим проводником тепла (скорее это теплоизолятор). При этом отвод тепла осуществляется через две тепловые трубки первой ступени, проходящие через основание.

На мой взгляд это грамотное решение.

Термоэлектрические модули имеющие размер 40х40 мм имеют:

  1. напряжение питания 12В
  2. потребляют ток 5А
  3. холодопроизводительность (Qmax) порядка 45 - 50 Вт
  4. потреблении мощности более 60 Вт.
  5. Их КПД около 75%.

Главная особенность ТЭМ это большой перепад температур им создаваемый, для указанных выше модулей он составляет (при максимальной производительности) около 70 град.С.

Это свойство делает возможным переохлаждение основание кулера в режиме минимальной загрузки процессора  до минусовых температур, при работающем в номинальном режиме ТЭМ. Это чревато конденсацией влаги на нем и выходом из строя компьютера. Для того чтобы это не происходило, необходимо поддерживать температуру основания на уровне температуры воздуха в корпусе компьютера или немного выше. Это обеспечивается схемой управления ТЭМ с соответствующими датчиками температуры.

 

Алгоритм управления питанием ТЭМ

Некоторое представление об алгоритме управления данного кулера можно увидеть из следующей таблицы:

Температура основания между процессором и ТЭМ

Нагрузка ТЭМ

Общая потребляемая мощность, Вт

<25°С

0%

2~5 Вт

25~28°С

50%

25~28 Вт

>29°С

100%

50W~60 Вт

Таблица 2.

 

До температуры основания (чуть выше температуры процессора) меньше или равной 25 град.С ТЭМ выключен. При росте температуры от 25 до 29 град.С регулируется ток потребляемый ТЭМ вплоть до 5А при превышении температуры основания 29 град.С. Это простой алгоритм, который позволяет управлять ТЭМ (TEC) модулем и кулером.

Применение тепловых трубок на стороне горячих спаев ТЭМ позволяет повысить эффективность работы ТТ, поскольку их эффективность максимальна не на начальном участке когда теплоноситель закипает (температура в зоне испарения - 20-25 град.С), а в режиме установившегося течения паров теплоносителя (температура в зоне испарения - 50-60 град.С).

 

Реальный алгоритм управления ТЭМ должен быть несколько сложнее.

Он должен включать:

  1. контроль MAX температуры ядра процессора - для контроля качества теплового контакта "процессор - кулер" и использования температуры процессора в качестве управляющего сигнала для работы ТЭМ.
  2. контроль температуры горячего спая ТЭМ - для контроля работы сборки "кулер - ТЭМ". При нарушении теплового контакта ТЭМ - вторая ступень кулера на ТТ возможно приближение температуры горячего спая к 150 град.С предельной для ТЭМ.
  3. контроль температуры воздуха в корпусе ПК - для управления минимальной температурой холодного спая.

 

На мой взгляд наиболее качественные мониторинг, управление и контроль состояния системы "кулер - процессор", при использовании кулера с ТЭМ, дает использование датчика температуры процессора.

 

Датчик температуры Состояние

Сигнал для управления

1 Процессора - tп t2-tп - наличие теплового контакта кулер процессор.   Контроль tп
2 Основание кулера (холодная сторона ТЭМ) - t2 t3-t2 - реж. работы ТЭМ контроль t2
3 Вторая пластина (горячий спай ТЭМ) - t3   Контроль t3
4 Температура воздуха в корпусе ПК -  t4     Конденсат t2 - t4>0

Таблица 3.

 

Эти четыре датчика, не смотря на кажущуюся избыточность, обеспечивают полный контроль для автоматического управления ТЭМ.

 

Заключение

Применение в данной конструкции ТЭМ позволяет существенно увеличить эффективность кулера, в том числе и при малом тепловыделении.

 

P.S.

Существенное влияние на работу кулера оказывает и положение "холодного" и "горячего" теплообменников. Если установить вентиляторы так, чтобы входящий воздушный поток сначала охлаждал холодный теплообменник - то теплосъем на температурах до 28 град.С будет выше.

август 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