Выбор и особенности эксплуатации модулей Пельтье

Однако процедура выбора и эксплуатации подобных средств имеет свои особенности и нередко требует выполнения соответствующих расчетов.

Для охлаждения сверхсложных чипов, примером которых могут служить современные центральные (CPU) и графические процессоры (GPU), используются охлаждающие средства разного дизайна, производительности, стоимости. Как правило, они представлены объемными радиаторами, обычно снабженными соответствующими вентиляторами. Повысить эффективность работы данных средств можно добавлением в их конструкции термоэлектрических модулей — полупроводниковых модулей Пельтье (далее — модули Пельтье).

Оценивая возможности средств охлаждения, необходимо отметить, что модули Пельтье обладают очень высокой надежностью. Прежде всего это связано с тем, что, в отличие от холодильников, созданных по традиционной компрессионной технологии, они не имеют движущихся частей. А благодаря возможности каскадного включения указанные модули позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до очень низких отрицательных значений. Это, кстати, возможно даже при их значительной мощности рассеяния. Для этого достаточно подобрать соответствующие модули и обеспечить их корректную эксплуатацию.

Некоторые детали теории термоэлектрического охлаждения, лежащие в основе модулей Пельтье, а также некоторые примеры образцов, их внутреннее устройство и основные параметры были рассмотрены в предыдущей статье «Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?» (IT-Expert, 2022, № 10, стр. 43-48).

Однако, помимо очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают рядом специфических свойств и характеристик. Их необходимо учитывать при выборе и использовании модулей Пельтье в составе охлаждающих средств. Некоторые из них уже были отмечены в предыдущей статье. Но для корректного применения модулей Пельтье они требуют более детального рассмотрения, что и будет сделано ниже. Итак, начнем с выбора.

Выбор модулей

Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, нуждаются в соответствующих радиаторах и вентиляторах, способных эффективно отводить избыточное тепло не только от защищаемых объектов, но и от самих охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно невысоким холодильным коэффициентом: выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла.

Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютеров вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер для ее снижения. В противном случае возникнут трудности в работе не только защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальных компонентов компьютера, а это может нарушить корректную работу всей системы.

Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блоков питания. Как результат, это приводит к целесообразности выбора полноразмерных материнских плат и весьма объемных корпусов с блоками питания достаточной мощности. Обычно все электрические параметры блоков питания приводятся на их корпусах, поэтому анализ и выбор оптимальной модели блока не будут являться проблемой.

Кстати, есть и еще одна важная особенность, которую следует учитывать конструкторам. Дело в том, что 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. Поэтому целесообразно использовать только качественные модули, выпускаемые известными производителями. Такие модули, как правило, обладают высокой надежностью – ресурс их работы нередко превышает 1 млн часов.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как 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 из них являются температура окружающей среды, температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха.

Ниже представлена таблица 1, иллюстрирующая зависимость температуры конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, легко установить, существует ли опасность конденсации влаги. Например, если внешняя температура 25 °С, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18 °С.

Таблица 1. Температура конденсации влаги

В приложении к компьютерам указанные параметры — это температура и влажность воздуха внутри системного блока, температура верхней поверхности корпуса процессора. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем выше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.

Помимо указанных особенностей, необходимо учесть еще ряд важных электрических и эксплуатационных характеристик, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров. Прежде всего это касается моделей, созданных и применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров системных блоков мощных компьютеров.

Очевидно, что эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неудачный выбор и случайно установленные режимы не только не обеспечивают необходимых условий для работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Однако оптимальный выбор модулей является сравнительно непростой задачей и, возможно, потребует проведения расчетов.

Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рисунке 1. На нем приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.

Здесь:

• Th(K) — температура горячей стороны модуля Пельтье в градусах Кельвина;

• Imax(A) — максимальный ток в амперах;

• dTmax(K) — максимальная разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье в градусах Кельвина, измеряется без нагрузки в вакууме;

• Umax(V) — максимально допустимое напряжение в вольтах;

• Qcmax(W) — максимальная мощность хладообразования в ваттах;

• RdTm(OHM) — сопротивление модуля по переменному току в омах.

Необходимо отметить, что значения указанных параметров модуля Пельтье зависят от температуры его горячей стороны. Они несколько отличаются от значений, которые указываются в каталогах, где характеристики модулей приводятся для температуры 300 K (27 °С).

Рис. 1. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье

Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующим основным 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 известным значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье, вычисляемая из формулы dT = Th – Tc, где Tc — температура холодной стороны модуля, Th — температура горячей стороны модуля, dT — разность температур.

Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT) между горячей (Th) и холодной сторонами (Tc) 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.

Ниже приведен пример расчета, исходя из следующих начальных условий: подаваемое напряжение — 12 B, мощность охлаждаемого элемента — 20, 40 и 60 Вт, температура горячей стороны модуля Пельтье (температура основания охлаждающего модуль Пельтье радиатора) — 50 °С.

Итак, результаты расчета:

1. Для напряжения 12 В сила ток составляет 5 А.

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

3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50 °С), можно вычислить температуру Tc 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 разности температур горячей и холодной сторон. Так, например, модуль с Qc=131 Вт (Imax=8,5 А, Umax=28,8 В) обеспечивает разность температур в 35–40 °С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт. Более мощные модели модулей Пельтье позволят либо достичь большей разности температур, либо сохранить указанную разность для защищаемых объектов с большей мощностью теплообразования.

Короче, казалось бы, чем больше мощность модуля, тем лучше, но, оказывается, не все так просто. Давайте разбираться в возникающих проблемах и, конечно, предлагать решения.

Выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного в приведенном примере модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, I = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. А для модуля с Qc=131 Вт (Imax=8,5 А, Umax=28,8 В) его тепловая мощность составит уже 244,8 Вт.

Но, конечно, нельзя забывать и о том, что существует еще и тепловая мощность самого охлаждаемого объекта, например процессора.

Тепловой поток, порождаемый данными источниками тепла — модулем Пельтье и процессором, — ложится тяжелым бременем на охлаждающие средства в лице традиционных радиаторов и вентиляторов. Данные средства должны обеспечивать эффективный отвод совокупного потока тепла, поэтому нередко они дополняются еще и элементами водяного охлаждения, что существенно повышает эффективность подсистемы охлаждения.

Особенности эксплуатации

Выбирая оптимальный модуль, следует помнить, что правильно выбранные и правильно эксплуатируемые модули Пельтье являются эффективными средствами. Они способны обеспечить температуру корпусов охлаждаемых элементов ниже температуры окружающей среды. Но это обстоятельство может породить и ряд проблем, часть из которых рассмотрена ниже.

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. Связано это с тем, что, вообще говоря, термоэлектрический модуль обеспечивает именно разность температур горячей и холодной своих сторон. Поэтому, чем ниже удается обеспечить с помощью радиаторов/вентиляторов температуру горячей (Th) стороны модуля Пельтье, тем ниже будет температура холодной его стороны (Tc). И в тех случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование мощных средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля, а, следовательно, и прилегающей поверхности охлаждаемого объекта, 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. В противном случае части модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта, например кристалла процессора, будут только расходовать электроэнергию и выделять тепло, снижая общую эффективность охлаждения (рис. 2, где FAN — вентилятор, M.P. — модуль Пельтье, CPU — процессор, Socket — процессорный разъем).

Рис. 2. Некорректное использование модулей Пельтье большой площади

Если же площадь холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то необходимо применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров (в т. ч. числе толщины). Кстати, пластина большой площади позволяет использовать для охлаждения объекта несколько модулей Пельтье, размещенных в одной плоскости, правда, при условии одинаковой их толщины (и высоты). Очевидно, что для улучшения взаимного термоконтакта модуля Пельтье (одного или двух) с защищаемым чипом следует применять качественную термопасту. И, конечно, промежуточная пластина должна быть выполнена из материала, обладающего хорошей теплопроводностью (это может быть алюминий, но предпочтительнее все-таки медь).

К сожалению, этим не исчерпываются все проблемы использования модулей Пельтье, применяемых, например, в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных сверхсложных чипов (CPU, GPU и т. п.) и работа поддерживающих их системных программ предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки. Это позволяет оптимизировать энергопотребление, что, кстати, предусмотрено также стандартами энергосбережения, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора 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 простейшие 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 процессора, а также его полупроводникового кристалла. 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 процессоров, обычно составляет +5 °С (хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах).

А еще, как это уже отмечалось ранее, низкие температуры могут привести к конденсации влаги из воздуха. Вода образуется на холодных частях системы охлаждения. Такими частями являются холодная сторона модуля Пельтье, а, следовательно, и охлаждаемая поверхность защищаемого объекта, например корпуса процессора. Кроме того, в случае использования теплопроводящей пластины вода конденсируется еще и на ней. Бороться с данным физическим эффектом можно изоляцией холодных участков системы охлаждения от окружающего воздуха. Сделать это можно, например, с помощью губчатой резины, пластика или специальной пены (рис. 3).

Рис. 3. Изоляция холодных участков системы охлаждения

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 через встроенные аппаратные средства 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 последующим фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье. Это связано с тем, что он, как это показано ранее, кроме выполнения функций теплового насоса, сам выступает мощным источником дополнительного тепла.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающими 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 устройства 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.

Остается добавить, что периодически появляются сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

*    *    *

Конечно, работы по совершенствованию систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, некоторые специалисты считают чрезвычайно перспективными. Что касается реализации подобных систем, то эта тема будет продолжена: в следующей статье будут рассмотрены примеры серийных компьютерных кулеров.

В статье использовались материалы книг:

1. “PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition”(USA: A-LIST).

2. “PC: Hardware Tuning & Acceleration” (USA: A-LIST).