Термоэлектрическое охлаждение компьютерных элементов

Евгений Рудометов
rudometov@mail.ru

Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютерных систем, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах. Как следствие, эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения. Для поддержки оптимальных температурных режимов обычно используют специальные охлаждающие устройства – кулеры, основой которых служат традиционные радиаторы и вентиляторы.

Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новых технологий, введения разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой.

Несмотря на то, что параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, в последнее время на компьютерном рынке появились и специальные средства охлаждения электронных элементов, основанные на термоэлектрических эффектах в полупроводниках. В частности, по мнению специалистов, полупроводниковые термоэлектрические модули, охлаждающие свойства которых основаны на эффекте Пельтье, чрезвычайно перспективны для создания необходимых условий эксплуатации компьютерных компонентов.

Кстати, подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники. Так, в 60-70-х годах прошлого века отечественная промышленность предпринимала неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников на основе эффекта Пельтье. Однако несовершенство технологий того времени, низкие значения кпд и высокие цены не позволили подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды. Тем не менее в процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить, и в результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.

В последние годы такие модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. В частности, их стали применять для охлаждения высокопроизводительных процессоров с высоким уровнем теплообразования.

Благодаря своим тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей (модулей Пельтье), позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. В качестве кулеров электронных компонентов такие средства чрезвычайно перспективны: они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности электронных компонентов, а следовательно, и всей системы. Однако работа в подобных режимах сопровождается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур и микроэлектронных технологий.

Необходимо отметить, что высоким тепловыделением сопровождается работа не только процессоров, но и современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и модулей памяти. Эти мощные элементы требуют для корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.

Эффект Пельтье

В кулерах Пельтье используется так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад – в 1834 г.

В экспериментах Пельтье было установлено, что при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, помимо традиционного джоулева тепла, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное тепло. Количество выделяемой или поглощаемой теплоты пропорционально силе тока. Это явление было названо явлением Пельтье, а дополнительное тепло получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Описанный эффект по своей сути обратен ранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если температуры в местах контактов металлов или полупроводников различаются, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком (1770-1831).

В отличие от хорошо известного тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока:

Q = R x I2 x t,

тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П x·q,

где q – количество электричества, прошедшего через контакт (q = I x t), П – так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры. Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье существенно зависит от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент Пельтье, представляющий собой важную техническую характеристику
материала, как правило, не измеряют, а вычисляют через коэффициент Томсона:

П = t x T,

где П – коэффициент Пельтье, t – коэффициент Томсона, T – абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а затем и различных областей техники.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается и выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника, в результате чего происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, особенно сильно выражен в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип). Такие полупроводники, как известно, называются соответственно полупроводниками n- и p-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие при контакте таких полупроводников. Допустим, направление электрического поля таково, что электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны полупроводника n-типа после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону полупроводника p-типа и там рекомбинирует с дыркой. В результате рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла (рис. 1).

Рис. 1. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа.

При изменении направления электрического поля на противоположное электроны и дырки в полупроводниках соответствующего типа будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной зоны полупроводника p-типа в свободную. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются электрическим полем в противоположные стороны. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар, и в результате в контакте поглощается тепло (рис. 2).

Рис. 2. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа.

Qп = П x q,

Модули Пельтье

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы – термоэлектрические модули, или, как их еще называют, модули Пельтье, сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.

Рис. 3. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических модулях.

Модуль Пельтье – это термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой нагревается и служит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, основанный на эффекте Пельтье, по сути выступает как тепловой насос, перекачивая тепло от этого объекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером. Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтому модули Пельтье можно назвать не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями. На рис. 4 представлен внешний вид типового полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье.

Рис. 4. Полупроводниковый термоэлектрический модуль Пельтье.

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад – в несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор (холодильник) позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (при условии адекватного их охлаждения). Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 5 представлен пример каскадного включения типовых полупроводниковых термоэлектрических модулей Пельтье.

Рис. 5. Пример каскадного включения модулей Пельтье.

Активные кулеры

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными термоэлектрическими кулерами, или активными кулерами Пельтье, или просто кулерами Пельтье. Такой кулер обычно состоит из термоэлектрического модуля, выполняющего функции теплового насоса, и понижающих температуру горячей стороны радиатора и охлаждающего вентилятора. На рис. 6 представлена схема активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый термоэлектрический модуль.

Рис. 6. Конструкция кулера с модулем Пельтье.

Использование термоэлектрических модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей ПО.

Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера и от числа и параметров используемых в нем пар полупроводников p- и n-типа. Модуль малой мощности не способен обеспечить необходимый уровень охлаждения, что приводит к нарушению работоспособности электронного элемента, например, процессора, из-за перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может понизить температуру охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров.

Тем не менее именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных
кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили
в свое время фирмам KryoTech (http://www.kryotech.com)
и AMD (http://www.amd.com) в совместных исследованиях
разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты,
превышающей 1 ГГц, т. е. увеличить их частоту почти в два раза по сравнению
со штатным режимом. Необходимо еще подчеркнуть, что данный уровень производительности
был достигнут в условиях достаточной стабильности и надежности работы процессоров
в форсированных режимах. Следствием же такого экстремального разгона стал рекорд
производительности среди процессоров архитектуры и системы команд 80х86.

Заметим здесь, что фирма KryoTech прославилась не только своими экспериментами с экстремальным разгоном процессоров. Широкую известность получили ее установки глубокого охлаждения компьютерных компонентов. Снабженные соответствующей электронной начинкой, они оказались востребованными в составе платформ высокопроизводительных серверов и рабочих станций. A компания AMD получила подтверждение высокого уровня своих изделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствования архитектуры процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования проводились также с процессорами корпорации Intel, и в них был зафиксирован значительный прирост производительности.

Особенности эксплуатации

Полупроводниковые термоэлектрические модули Пельтье, применяемые в средствах охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью. В отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, они не имеют движущихся частей. Как отмечалось выше, для увеличения эффективности допускается каскадное включение модулей Пельтье, что позволяет довести температуру корпусов электронных элементов до отрицательных значений даже при значительной мощности рассеяния.

Однако, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Ниже мы рассмотрим важнейшие особенности эксплуатации этих модулей.

Тепловыделение

Термоэлектрические модули отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функции теплового насоса, сами становятся мощными источниками тепла. Использование их в составе средств охлаждения вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, создавая трудности для работы не только защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и для остальных компонентов компьютера. Это означает, что требуются дополнительные средства для снижения температуры, в частности, радиаторы и вентиляторы в конструктиве корпуса, улучшающие теплообмен с окружающей средой. Наиболее подходящее решение из воздушных средств охлаждения – технология теплового выхлопа, например, конструкции типа OTES (Outside Thermal Exhaust System) от Abit.

С другой стороны, в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности устанавливаются низкие температуры, способствующие конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Чтобы избежать этого, нужно подбирать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Произойдет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров, из которых наибольшее значение имеют температура окружающей среды (в данном случае воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше его влажность, тем вероятнее конденсация влаги.

Модули Пельтье также создают сравнительно большую дополнительную нагрузку на блок питания компьютера – учитывая значения потребляемого ими тока, мощность блока питания должна быть не менее 300 Вт. В такой ситуации целесообразно выбирать системные платы и корпуса конструктива ATX, облегчающего организацию оптимальных теплового и электрического режимов, с блоками питания достаточной мощности.

В случае выхода из строя модуль Пельтье изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это очень быстро приводит к нарушению теплового режима защищаемого элемента и его перегреву. Поэтому целесообразно использовать качественные модули от известных производителей. Такие модули обладают высокой надежностью, ресурс их работы нередко превышает 1 млн ч.

Выбор мощности

Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальные мощность и режим работы кулера могут даже привести к выходу из строя охлаждаемых компонентов. Оптимальный же выбор представляет собой сравнительно непростую задачу.

Одну из методик расчетов иллюстрируют графики на рис. 7, где приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых термоэлектрических модулей. Здесь Th(K) – температура горячей стороны модуля Пельтье, град. Кельвина; Imax(A) – максимально допустимый ток, А; dTmax(K) – максимальная разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье, град. Кельвина (измеряется без нагрузки, в вакууме); Umax(V) – максимально допустимое напряжение, В; Qcmax(W) – максимальная мощность хладообразования, Вт; RdTm(OHM) – сопротивление модуля по переменному току, Ом.

Отметим, что значения указанных параметров модуля Пельтье зависят от температуры его горячей стороны. Таким образом, они несколько отличаются от значений в каталогах, где характеристики модулей приводятся для температуры 300 К (27 град.С).

Рис. 7. Термоэлектрические характеристики полупроводникового модуля Пельтье (публикуется с разрешения компании "Остерм").

Методика расчетов по графикам характеристик состоит в следующем:

1. По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют силу тока I, протекающего через модуль Пельтье, при этом значение I должно лежать в диапазоне восходящей кривой dT(I).

2. Для значения I по кривым, определяющим зависимость dT от тепловой мощности Qc (в левом нижнем углу рис. 7) выбирается соответствующая характеристика.

3. По известным значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье Tc:

dT = Th - Tc,

где Tc – температура холодной стороны модуля, Th – температура горячей стороны, dT – разность температур.

Из графиков зависимости dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности охлаждаемого элемента снижается разница температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье. При этом чем выше сила протекающего через модуль тока, определяемая приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.

Приведем пример расчета, исходя из следующих начальных условий: подаваемое напряжение – 12 В; мощность охлаждаемого элемента – 20, 40 и 60 Вт; температура горячей стороны модуля Пельтье (основания охлаждающего модуль Пельтье радиатора) – 50 град.С.

1. Для напряжения 12 В сила тока составляет 5 А.
2. Для силы тока в 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К, 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 Tc для каждого значения Qc. Для тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5 град.С), для 40 Вт – 298 К (25 град.С), для 60 Вт – 319 К (46 град.С).

Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей разности температур горячей и холодной сторон. Например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 А, Umax = 28,8 В), обеспечивает разность температур в 35-40 град.С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.

Выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в описанном выше режиме (U = 12 В, I = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. В итоге тепловой поток, порождаемый охлаждаемым элементом и модулем Пельтье, ложится тяжким бременем на охлаждающие средства.

Средства охлаждения, представленные, как правило, 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 модуль обеспечивает разность температур горячей и холодной своих сторон, поэтому чем ниже будет температура горячей его стороны (за счет охлаждающих средств), тем ниже окажется и температура холодной стороны, а, следовательно, и прилегающей поверхности охлаждаемого объекта. Если традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения.

Кстати, следует обратить внимание, что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимо задействовать всю поверхность горячей и холодной сторон. В противном случае части модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта, например, кристалла процессора, будут только впустую расходовать электроэнергию и выделять тепло.

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. Промежуточная пластина должна быть сделана из материала с хорошей теплопроводностью, например, из меди (см. рис. 6).

Режим оптимизации энергопотребления

К сожалению, описанным выше не исчерпываются все проблемы применения модулей Пельтье в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, которые поддерживаются специальными 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 на общем тепловом балансе. Однако режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующими модули Пельтье. Это связано с тем, что кулеры Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В случае же перехода процессора в режим пониженного энергопотребления (и соответственно тепловыделения) температуры корпуса и кристалла процессора могут заметно снизиться. Переохлаждение ядра процессора способно вызвать временную потерю его работоспособности и стойкое "зависание" компьютера. Напомним, что в соответствии с документацией корпорации Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа серийных процессоров для настольных и серверных решений, обычно составляет +5 град.С (хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах).

Кроме того, как отмечалось выше, низкие температуры могут вызвать конденсацию влаги из воздуха на холодных частях системы охлаждения, т. е. на холодной стороне модуля Пельтье, а, следовательно, и на охлаждаемой поверхности, например, процессора. Если используется теплопроводящая пластина, вода конденсируется и на ней. Бороться с этим эффектом можно путем изоляции от воздуха холодных участков системы охлаждения, например, с помощью специальных колец из губчатой резины. Именно такой способ выбрали некоторые производители серийных кулеров, созданных на основе термоэлектрических модулей.

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, управляющих вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства системной платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора, однако при использовании простейших активных кулеров, в конструкции которых не предусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора (из-за его перегрева работающим модулем Пельтье).

Однако в случае графических процессоров кулеры Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения. Работа таких процессоров сопровождается значительным тепловыделением, а режим их функционирования обычно не подвержен резким изменениям.

Чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающими конденсацию влаги и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, придется 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 не только контролировать 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.

* * *

Работы, направленные на совершенствование систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов, ведут сегодня многие исследовательские лаборатории. Сравнительно недавно в технической прессе появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных термоэлектрических модулей непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения наиболее критичных их структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров. О серьезности намерений разработчиков свидетельствуют соответствующие патенты, часть которых принадлежит производителям процессоров, например, AMD.