1. трохи теорії
2. Плюси і мінуси застосування ТЕМ
3. Модулі Пельтьє в ПК: практика
4. висновки
5. Готові СО на базі ТЕМ
6. XtremeLabs.org MONSTER TEC Project

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Тема охолодження компонентів ПК хвилює багатьох користувачів. Більшість з них обмежуються стандартними повітряними кулерами, окремі ентузіасти збирають СВО. А що ж далі? Напевно ті, хто серйозно цікавився розгоном, чули про модулях Пельтьє (або термоелектричних модулях, далі по тексту - ТЕМ, англійська варіант - TEC, Thermoelectric Cooler) і їх застосуванні в якості тепло-відводів для сильно-гріються комп'ютера.

Однак найчастіше навіть базову інформацію щодо правильного використання цих дивних пристроїв знайти важко, звідси - численні помилки тих, хто вперше з ними стикається. До слова, виробники систем охолодження також експериментують з модулями Пельтьє, часом представляючи на суд публіки дуже цікаві концепти. Як працюють ТЕМ, чи дійсно вони так вже небхідно в СО комп'ютера, як самостійно зібрати нехитрі кулери і уникнути найпростіших помилок, досить характерних для новачків, - про все це ми розповімо в цьому матеріалі.

трохи теорії

Чим же насправді є модулі Пельтьє? У базовому визначенні це термоелектричні перетворювачі, принцип дії яких заснований на ефекті Пельтьє, відкритому в далекому 1834 року. Суть даного процесу полягає у виникненні різниці температур в місці контакту матеріалів при протіканні крізь них електричного струму.

Ми не будемо заглиблюватися в подробиці історії відкриття і наукового обґрунтування специфіки роботи ТЕМ, оскільки цій темі можна присвятити цілу дисертацію. Однак загальні поняття згадаємо.

Елементи Пельтьє складаються з двох струмопровідних матеріалів (напівпровідників) з різними рівнями енергії електронів в зоні провідності. Фізика протікання струму через подібні речовини така, що для переходу електронів їм потрібна певна підживлення, що отримується в момент проходження струму через спайку. У такому випадку можливе переміщення частинок в високоенергетичну зону провідності від одного матеріалу до іншого. Місце зіткнення напівпровідників в момент поглинання енергії охолоджується. Зміна напряму струму або переміщення електронів з більш енергетичної зони в менш насичену призводить до нагрівання місця контакту. Крім цього, в модулях Пельтьє спостерігається тепловий ефект, характерний для будь-яких речовин, крізь які пропускають електричний струм. Взагалі процеси, властиві ТЕМ, проявляються і в місці контакту звичайних металів, проте визначити їх без складних приладів майже нереально. Тому основою для модулів служать напівпровідники.

Елемент Пельтьє складається з однієї або більше пар напівпровідникових паралелепіпедів різних типів (як в діодах або транзисторах, n- і p-типу). Сучасна індустрія для цих цілей найбільш часто вибирає германід кремнію і теллурид вісмуту. Напівпровідники попарно з'єднуються металевими перемичками з легкоплавких речовин. Останні виконують роль термоконтактов і безпосередньо стикаються з керамічної платівкою або підставкою. Пари напівпровідників з'єднані послідовно, різні види провідності контактують один з одним. З одного боку модуля є лише n-> p-переходи, з іншого - p-> n. Перебіг струму викликає охолодження і нагрівання протилежних груп контактів. Тому можна говорити про перенесення струмом теплової енергії з одного боку модуля Пельтьє на іншу і, як наслідок, виникнення різниці температур на платівці. Правильне застосування модулів дозволяє витягти деякі вигоди для промислових, в тому числі комп'ютерних СО. До слова, елементи можуть бути використані і в якості електрогенераторів - грунтуючись на тих же принципах роботи, фізика протікають всередині процесів пояснюється ефектом Зеєбека (умовно кажучи, той же ефект Пельтьє з «протилежним знаком»).

Плюси і мінуси застосування ТЕМ

Найчастіше до достоїнств модулів Пельтьє відносять:

• порівняно невеликі габарити;
• можливість роботи і на охолодження, і на нагрівання системи;
• відсутність рухомих частин, механічних складових, схильних до зносу.

У той же час ТЕМ мають ряд недоліків, істотно стримують їх повсюдне практичне застосування. Серед них такі:

• низький ККД модулів;
• необхідність наявності источни- ка струму для їх роботи;
• велика споживана потуж- ність для досягнення помітної різниці температур і, як наслідок, істотне тепло- виділення;
• обмежені габарити і корисні властивості.

Однак, незважаючи на негативні характеристики модулів Пельтьє, вони знайшли своє застосування в ряді продуктів. ТЕМ вигідні в першу чергу там, де енергетична ефективність охолоджувача некритична, чим менше - тим краще. Елементи служать для охолодження пристроїв із зарядним зв'язком в цифрових фотокамерах, що дозволяють добитися помітного зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях. Модулі Пельтьє часто застосовуються для охолодження і термостатування діодних лазерів з метою стабілізації довжини хвилі їх випромінювання. Можливе використання декількох ТЕМ, складених послідовно у вигляді каскадів (холодна сторона одного охолоджує гарячу іншого), завдяки чому реально досягти дуже низьких температур для пристроїв, що володіють малим тепловиділенням. Елементи Пельтьє - основа компактних холодильників, в першу чергу автомобільних. Їх застосовують і в мініатюрних сувенірах з області комп'ютерної периферії, і в продуктивних СО в якості основних або допоміжних компонентів. Саме про останній варіант ми і поговоримо більш докладно.

Модулі Пельтьє в ПК: практика

При переході до практичної реалізації СО на базі ТЕМ потрібно зробити кілька застережень, які дозволять правильно підібрати параметри підсумкових конструкцій. Нерідко експерименти новачків закінчуються плачевно: або температури на «холодної» стороні модулів під час роботи виходять вище, ніж на гарячій, або системи демонструють відверто слабкі результати навіть у порівнянні зі стічними кулерами без елементів Пельтьє. Причини часто криються в неправильному розрахунку (або побудові СО навмання). Справа в тому, що будь-який ТЕМ має свої штатні характеристики, зазвичай виділяють два значення (розглянемо їх на прикладі модуля ТЕС1-12709 із заявленою максимальною потужністю 136 Вт), наприклад, пишуть, що ΔTmax Qcmax = 0 (° С) 66 і Qcmax ΔTmax = 0 (W) 89.2. Перефразовуючи цей вислів: модуль здатний забезпечити максимальний перепад температур між сторонами, що дорівнює 89,2 ºС при відсутності теплового навантаження і 0 ºС при наявності такої на «холодну» сторону 66 Вт. Таким чином, корисне навантаження модуля лежить в межах від 0 до 66 Вт, в ідеалі - чим менше - тим краще і тим більшу різницю температур забезпечить ТЕМ. У той же час будь-який модуль має іншу характеристику - максимальну споживану потужність, яку теж потрібно відвести від нього за допомогою системи охолодження. Для розглянутого ТЕС1-12709 Umax (В) дорівнює 15.2 В, I max- 9 А. Отже, при зазначених параметрах маємо енергоспоживання 136,8 Вт, що, погодьтеся, немало.

Система охолодження повинна успішно відводити тепло безпосередньо від модуля (забезпечуючи максимально можливу низьку температуру «гарячої» сторони) і компонентів ПК. Приблизний ККД такої системи можете вирахувати самі - при корисної складової в 150-200 Вт (приблизно стільки виділяють сучасні розігнані CPU) для отримання хоч якихось видимих ​​результатів доведеться затратити не менше 600-800 Вт електричної потужності і відвести не менше кіловата теплової. Саме тому продуктивні СО на базі модулів Пельтьє не набули широкого поширення. Втім, прецеденти порівняно успішної реалізації гібридних кольорів відомі, а ми спробуємо створити свої - малопотужний і оптимальний. Щоб уникнути обмежень у вигляді недостатнього тепловідводу, на «гарячу» сторону ТЕМ помістимо продуктивні водоблоки, підключені в контур СВО. До речі, модулі Пельтьє можна встановлювати безпосередньо на ядро ​​/ теплорозподільну кришку чіпів - тонка керамічна підкладка не здатна підтримувати ефективну теплопередачу до всіх напівпровідникових парам, що становить ТЕМ. Для цієї мети краще всього підійде проміжний «буфер» - мідна пластинка товщиною 5-7 мм, що повністю закриває поверхню модуля. До слова, оптимальний режим експлуатації елементів Пельтьє забезпечується при знижених напрузі і споживаної струмі. Наближення цих параметрів до максимальних істотно підвищує теплову віддачу пластини, проте не так відчутно - корисну складову.

Ми вирішили по максимуму охолодити графічний чіп відеокарти Radeon HD 4350 і CPU Core 2 Duo E8500, спробувавши розігнати дані компоненти. Для відводу тепла від GPU використовувалися вже згаданий ТЕС1-12709 (максимальна споживана потужність - 136 Вт) і саморобний мідний водоблок, в парі з процесором працювали ТЕС1-12726 (395 Вт) і один з кращих промислових водоблоков Swiftech Apogee GT. Модулі підключалися прямо до комп'ютерного БП в 12-вольтів ланцюг. Застосування кіловатного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало всі підстави не переживати за недолік потужності для живлення ПК і елементів системи охолодження. У контурі СВО працювали два «подвійних» радіатора під 120-міліметрові вентилятори і помпа Hydor Seltz L30 (продуктивністю 1200 л / год на холостому ходу).

У разі охолодження компонентів до температур нижче кімнатних (зокрема, нижче «точки роси») варто очікувати появи конденсату на переохолоджених поверхнях. Зрозуміло, що вода в такому вигляді є головним ворогом користувача, і її виділення необхідно попередити. Робиться це шляхом ретельної теплоізоляції будь-яких поверхонь (частин РСВ, околосокетного простору з обох сторін плати, власне ТЕМ, теплорозподільника процесора і GPU) матеріалами, що не пропускають повітря. Найкраще для цих цілей підходить стандартний теплоізоляційний матеріал для труб водопостачання (на підставі спіненого каучуку), спеціальні замазки, окремі види поролону, що поставляється в комплекті з компонентами ПК, на худий кінець термопаста і паперові серветки. В останньому випадку допустима експлуатація ПК лише для проведення короткочасних бенчінг-сесій. Теплоізоляція забезпечить підвищення загального ККД установки.

Підсумкові температури, отримані в різних режимах роботи компонентів, їх порівняння з показниками, що забезпечуються виключно системою водяного охолодження, наведені в діаграмі. Як бачите, модулі Пельтьє дозволили знизити температуру компонентів відчутно нижча за кімнатну (в залежності від завантаження). В таких умовах не склало особливих труднощів розігнати процесор до частоти 4,3 ГГц з підвищенням напруги живлення до 1,35 В, а GPU змусити функціонувати на 800 МГц (штатний значення - 600 МГц). У той же час ми отримали відчутний нагрів СО тестового стенда (в корпусі ситуація погіршилася б більш істотно) і різке зростання рівня енергоспоживання ПК (власне, вся конструкція споживає більше, ніж окремо взятий комп'ютер на базі компонентів тестового стенда). Подібне рішення однозначно стане в нагоді в зимову пору, проте влітку навряд чи порадує більшість користувачів.

Чи готові ви на такі жертви заради досягнення порівняно низьких температур на компонентах ПК? Вирішуйте самі, але пам'ятайте про базові радах, наведених в цій частині матеріалу, - вони допоможуть правильно застосувати модулі Пельтьє на практиці. Використання систем охолодження на основі ТЕМ розумно і виправдано у випадку з малопотужними компонентами (чіпсетами материнських плат, GPU низько- і среднеуровневих відеокарт). Не забувайте і про теплоізоляцію охолоджуваних елементів - адже конденсат є головним ворогом системи під час експериментів з ТЕМ.

висновки

Підсумовуючи вищесказане щодо особливостей роботи модулів Пельтьє і доцільності їх практичного застосування, повторимося: ТЕМ мають згадані переваги і недоліки, які не дозволяють дати однозначної відповіді на питання: «А чи варто ...?» Їх використання виправдано для відводу незначних теплових навантажень (саме до таких відносяться компактні холодильники, керується за допомогою терморегулятора лазери; СО для малопотужних компонентів ПК - чіпсетів і окремих GPU).

На базі елементів Пельтьє можна створювати різні саморобні охолоджуючі і нагрівальні пристрої, існують приклади успішної реалізації малопотужних генераторів. Але перш ніж займатися виготовленням подібних конструкцій, ознайомтеся все ж з теоретичної складової - попередня підготовка позбавить від помилок і заощадить час в момент практичного втілення проектів.

Говорити про застосування модулів Пельтьє в ПК слід досить обережно: прочитавши про отримання низьких температур на охолоджуваних елементах, новачки часто забувають про значну споживаної і виділеної потужності подібних СО, не враховують параметри і «запас міцності» окремо взятої конструкції. ТЕМ зацікавлять в першу чергу оверклокерів, для яких будь-який виграшний градус і кожен мегагерц важливі. Розглянуті елементи - проміжна ланка між класичними системами водяного охолодження і чиллерамі або фреонки, що працюють за принципом фазового переходу. Втім, застосування ТЕМ аж ніяк не назвеш простим, тому перш ніж приступати до серйозних експериментів, ретельно зважте всі «за» і «проти».

Готові СО на базі ТЕМ

Модулі Пельтьє використовуються виробниками систем охолодження для ПК в якості основних і допоміжних компонентів кольорів. Часом з цього виходять ефектні дієві пристрої, іноді все виходить не так гладко, як спочатку замислювалося. Ми вирішили пригадати про основні СО, які застосовують ТЕМ, яким пророкували роль революціонерів свого часу.

Thermaltake SubZero4G Один з перших кулерів з елементом Пельтьє, що наробив порівняно багато шуму в сфері охолодження CPU (2003 рік). Однак невисокий запас міцності, значне на ті часи енергоспоживання, громіздкість конструкції і гучність у роботі не дозволили йому закріпитися на ринку. З'явися ця модель на рік-два раніше - можливо, все обернулося б інакше.

Titan Elena Суперкулер для відеокарт, побудований за тим же принципом, що і Titan Amanda: одна половина радіатора працює безпосередньо на відведення тепла від GPU, інша охолоджує гарячу сторону ТЕМ. Свого часу виявився одним з кращих під час тестування СО для графічних адаптерів. (Ми писали про нього в «Домашньому ПК» в 2007 році.)

Swiftech MCW6500-T Найпотужніше сучасне рішення для охолодження CPU, що використовує елемент Пельтьє. Являє собою продуктивний водоблок, що відводить тепло від ТЕМ (близько 400 Вт споживаної електричної потужності), який, в свою чергу, створює оптимальний температурний режим процесора. Ця система здатна забезпечити функціонування Core i7 на частоті близько 4 ГГц при температурі близько 0 ° С (режим простою) і 20-30 ºС в режимі максимального навантаження.

Swiftech MCW60-T Аналогічно процесорного рішенням є високопродуктивний водоблок для графічного адаптера, доповнений модулем Пельтьє. Залежно від TDP відеочипа здатне утримувати його температуру на рівні кімнатної або нижче.

Cooler Master V10 Елементи Пельтьє цієї СО охолоджують частина теплових трубок. Підхід досить цікавий і правильний, застосування модулів дозволяє збити пару-трійку градусів на процесорі. Однак економічна доцільність такого ходу - під великим питанням, з огляду на те що V10 при істотній ціною не в змозі обігнати кращі повітряні суперкулерів. Швидше за все, винні особливості конструкції і недостатня потужність ТЕМ.

Titan Amanda Серія досить сучасних процесорних суперкулеров на теплових трубках, що використовують термоелектричний модуль (2007-2008 рр). Частина радіатора відводила тепло безпосередньо від ТЕМ, тоді як інша половина охолоджувала гріється компонент. Подібний підхід до проектування дозволяє уникнути різкої перевантаження СО внаслідок перевищення лімітів тепловиділення модуля Пельтьє. Кулери лінійки Amanda демонстрували відмінні результати з процесорами, що володіють порівняно невисоким TDP.

XtremeLabs.org MONSTER TEC Project

Власників СВО і тих, хто збирається обзавестися рідинними системами, можуть зацікавити так звані чиллери на базі елементів Пельтьє. Залежно від типу підключення ТЕМ в контур вони дозволять трохи знизити температуру теплоносія, а при створенні потужних СО навіть забезпечать температуру холодоагенту, близьку до нульової.

Відомий нашим читачам ентузіаст Wehr-Wolf давно цікавився порушеної темою ефективного охолодження компонентів ПК і їх подальшого екстремального розгону. Починалося все в далекому 2005 році з теоретичних начерків, міркувань і одного з головних компонентів системи - масивного «бутерброда», що складається з великих водоблоков. Однак занедбані на тривалий час задумки вдалося реалізувати лише спільно з автором даного матеріалу, в середині цього року запустивши ентузіастскій проект XtremeLabs.org MONSTER TEC Project.

Перший пуск ТЕМ-чилера в польових умовах

Принцип роботи системи досить простий: модулі Пельтьє (8 ТЕМ з максимальною споживаною потужністю 136 Вт кожен) охолоджують з двох сторін великий мідний водоблок, а самі, в свою чергу, охолоджуються аналогічними водоблоками. «Холодний» і «гарячий» контури СВО повністю розділені між собою. Для харчування такої кількості ТЕМ в процесі першого запуску використовувалися два комп'ютерних БП із загальною заявленої потужністю 1200 Вт, як охолоджувач «гарячого» контуру виступала СЖО з двома радіаторами під два 120-міліметрових вентилятора кожен, прокачується потужної помпою. Однак навіть такий СВО виявилося недостатньо, і радіатори довелося продувати високопродуктивними промисловими вентиляторами. У «холодний» контур були підключені помпа Hydor L20 II і водоблок Swiftech Apogee GT, охолоджувачем виступав великий водоблок, що контактує з «холодної» стороною ТЕМ. В результаті першого експерименту вдалося домогтися температури води в контурі порядку 5-7 ºС, при цьому в якості навантаження для системи використовувався процесор Core i7 965 Extreme Edition, розігнаний до частоти 4 ГГц.

З одного боку, отримані результати дійсно вражають - подібні температури при таких навантаженнях здатні забезпечити хіба що чиллери на основі систем фазового переходу, з іншого - а чи варта шкурка вичинки? Жахлива споживана потужність системи, громіздка СТ «гарячого» контуру, висока загальна вартість виправдовуються лише концептуальним статусом XtremeLabs.org MONSTER TEC Project, на даний момент знаходяться в стадії доопрацювання.