Иллюстрированный самоучитель по настройке и оптимизации компьютера
510c9445

Особенности эксплуатации


Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное их включение, что позволяет довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.

Однако, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации.

  • Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентов компьютера. Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. Поэтому при использовании модулей Пельтье не следует забывать, что мощность блока питания компьютера должна соответствовать мощности устанавливаемых в компьютер компонентов. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов АТХ с блоками питания достаточной мощности (маркировка мощности, как правило, приводится на корпусе блока питания). Использование конструктива АТХ облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов.


  • 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.


  • Низкие температуры, возникающие в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, т. к. 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 являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Далее представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуры конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25 °С, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18 °С.


    • Температура конденсации влаги



    Внешняя температура, °С Влажность, %
    30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
    30 10,5 12,9 14,9 16,8 18,4 20,0 21,4 22,7 23,9 25,1 26,2 27,2 28,2 29,1
    29 9,7 12,0 14,0 15,9 17,5 19,0 20,4 21,7 23,0 24,1 25,2 26,2 27,2 28,1
    28 8,8 11,1 13,1 15,0 16,6 18,1 19,5 20,8 22,0 23,2 24,2 25,2 26,2 27,1
    27 8,0 10,2 12,2 14,1 15,7 17,2 18,6 19,9 21,1 22,2 23,3 24,3 25,2 26,1
    26 7,1 9,4 11,4 13,2 14,8 16,3 17,6 18,9 20,1 21,2 22,3 23,3 24,2 25,1
    25 6,2 8,5 10,5 12,2 13,9 15,3 16,7 18,0 19,1 20,3 21,3 22,3 23,2 24,1
    24 5,4 7,6 9,6 11,3 12,9 14,4 15,8 17,0 18,2 19,3 20,3 21,3 22,3 23,1
    23 4,5 6,7 8,7 10,4 12,0 13,5 14,8 16,1 17,2 18,3 19,4 20,3 21,3 22,2
    22 3,6 5,9 7,8 9,5 11,1 12,5 13,9 15,1 16,3 17,4 18,4 19,4 20,3 21,2
    21 2,8 5,0 6,9 8,6 10,2 11,6 12,9 14,2 15,3 16,4 17,4 18,4 19,3 20,2
    20 1,9 4,1 6,0 7,7 9,3 10,7 12,0 13,2 14,4 15f4 16,4 17,4 18,3 19,2
    19 1,0 3,2 5,1 6,8 8,3 9,8 11,1 12,3 13,4 14,5 15,5 16,4 17,3 18,2
    18 0,2 2,3 4,2 5,9 7,4 8,8 10,1 11,3 12,5 13,5 14,5 15,4 16,3 17,2
    17 -0,6 1,4 3,3 5,0 6,5 7,9 9,2 10,4 11,5 12,5 13,5 14,5 15,3 16,2
    16 -1,4 0,5 2,4 4,1 5,6 7,0 8,2 9,4 10,5 11,6 12,6 13,5 14,4 15,2
    15 -2,2 -0,3 1,5 3,2 4,7 6,1 7,3 8,5 9,6 10,6 11,6 12,5 13,4 14,2
    14 -2,9 -1,0 0,6 2,3 3,7 5,1 6,4 7,5 8,6 9,6 10,6 11,5 12,4 13,2
    13 -3,7 -1.9 -0,1 1,3 2,8 4,2 5,5 6,6 7,7 8,7 9,6 10,5 11,4 12,2
    12 -4,5 -2,6 -1,0 0,4 1,9 3,2 4,5 5,7 6,7 7,7 8,7 9,6 10,4 11,2
    11 -5,2 -3,4 -1,8 -0,4 1,0 2,3 3,5 4,7 5,8 6,7 7,7 8,6 9,4 10,2
    10 -6,0 -4,2 -2,6 -1,2 0,1 1,4 2,6 3,7 4,8 5,8 6,7 7,6 8,4 9,2
    <


    Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных процессоров мощных компьютеров.

    Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и поддержания соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальный выбор модели и режимов ее эксплуатации не только не обеспечивают необходимые условия работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Оптимальный же выбор является сравнительно непростой задачей.

    Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рис. 18.22 (с разрешения фирмы Остерм). На этом рисунке приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.



    Рис.17.22. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье

    Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующем 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 значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье, вычисляемая как Тс = Th — dT.

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

    Пример расчета.

    1. Для напряжения 12 В ток составляет 5 А.

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



    3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50 °С), можно вычислить температуру Тс 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 величины разности температур горячей и холодной его сторон. Так, например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 A, Umax = 28,8 В) обеспечивает разность температур в 35—40 °С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.

    Однако, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, 1 = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента. Тепловой поток, порождаемый данными источниками, ложится на охлаждающие средства. При этом 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. В тех же случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля 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. Если же площадь, например, холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то следует применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров и толщины, изготовленные, например, из меди или алюминия.



    К сожалению, этим не исчерпываются все проблемы использования модулей Пельтье, применяемых в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления 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 существующие 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 и кристалла процессора. 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 серийных процессоров Pentium II и Pentium III, Pentium 4, обычно составляет +5 °С, хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах.

    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 с помощью встроенных аппаратных средств 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 фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье. Это связано с тем, что он, кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.



    Необходимо отметить, что, кроме охлаждения процессоров компьютеров, кулеры Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.

    Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих 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 средства 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.

    Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение споеобствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

    Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И среди них системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.


    Содержание раздела