Кондиціонер для комп'ютера - новий погляд на проблему охолодження ПК

1. ефект Пельтьє
2. модуль Пельтьє
3. Принцип дії повітряного кондиціонера на ТЕМ Пельтьє
4. Кондиціонер PC AirCon PAC 400
5. Тестування PC AirCon PAC 400
6. Висновки

Сергій Пахомов

ефект Пельтьє

модуль Пельтьє

Принцип дії повітряного кондиціонера на ТЕМ Пельтьє

Кондиціонер PC AirCon PAC 400

Тестування PC AirCon PAC 400

висновки

У міру збільшення потужності процесорів і графічних карт проблема тепловиділення ПК стає все більш актуальною. Традиційні повітряні системи охолодження вже майже вичерпали свої можливості. На зміну їм поступово приходять альтернативні системи охолодження, наприклад рідинні. Дедалі більшого поширення набувають і системи охолодження на основі так званих термоелектричних модулів Пельтьє. У цій статті ми розглянемо щодо нову систему охолодження - повітряний кондиціонер на базі термоелектричного модуля Пельтьє.

ефект Пельтьє

ффект Пельтьє відноситься до термоелектричним явищ і полягає в тому, що якщо через контакт двох різнорідних провідників пропустити електричний струм, то в контакті відбувається або поглинання, або виділення тепла в залежності від напрямку струму. Величина виділяється (поглинається) тепла залежить від виду контактуючих провідників, сили струму і часу його проходження, тобто кількість тепла прямо пропорційно кількості пройшов через контакт заряду:

де П 12 - коефіцієнт Пельтьє, що залежить від властивостей контактуючих провідників.

Загальна причина виділення (поглинання) теплоти Пельтьє полягає в наступному. Електрони при русі в провідниках переносять не тільки заряд, але і потенційну і кінетичну енергію, тобто при наявності струму в провіднику існує певний потік енергії. При одній і тій же щільності електричного струму (а при контакті двох провідників щільність струму в них однакова) щільності потоків енергії в різних провідниках, взагалі кажучи, різні. Це означає, що енергія, що впадає до контакт двох провідників в одиницю часу, не дорівнює енергії, яка витікає з контакту в одиницю часу. Якщо втікає енергія більше витікає, то різниця цих енергій виділяється у вигляді тепла Пельтьє, якщо ж, навпаки, втікає енергія менше витікає, то відсутня енергія повинна поглинатися (поглинання теплоти Пельтьє).

При спрощеному розгляді можна вважати, що в разі, коли втікає енергія більше витікає, кінетична енергія електронів в першому провіднику більше, ніж у другому. При переході електронів у другій провідник вони гальмуються, передаючи частину своєї кінетичної енергії кристалічній решітці і тим самим «розігріваючи» її. Це і є виділення тепла Пельтьє. У другому випадку, коли втікає енергія менше витікає, електрони при переході в другій провідник прискорюються, відбираючи відсутню енергію у кристалічній енергії, що призводить до її охолодження. У цьому випадку тепло Пельтьє поглинається.

Ефект Пельтьє можна розуміти і дещо інакше. При зіткненні двох різнорідних провідників виникає так звана контактна різниця потенціалів, тобто контактна електричне поле. При проходженні електричного струму через контакт контактне поле буде або сприяти, або перешкоджати проходженню струму. Якщо контактна поле перешкоджає проходженню струму, то зовнішнє джерело повинен затратити додаткову енергію, яка виділяється в контакті, що призводить до його нагрівання. Якщо ж струм йде по напрямку контактного поля, то він підтримує таку послугу полем, яке і здійснює роботу по переміщенню зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини (кристалічної решітки), що призводить до охолодження контакту.

Відомо, що найбільш сильно ефект Пельтьє виражений в напівпровідниках, і це пов'язано з більшою енергетичною різницею зарядів.

модуль Пельтьє

ріменяя ефект Пельтьє, можна створити різні термоелектричні охолоджуючі пристрої. Найбільш широкого поширення набули так звані термоелектричні модулі (ТЕМ) Пельтьє. Принцип роботи цих модулів досить простий: ТЕМ являє собою масив напівпровідників p- і n-типів, послідовно з'єднаних між собою мідними провідниками (масив переходів «напівпровідник - метал»). Розглянемо принцип дії ТЕМ на прикладі двох з'єднаних між собою мідними контактами напівпровідників p- і n-типів, тобто масив чотирьох переходів «метал - напівпровідник» (рис. 1). Припустимо, струм направлений від напівпровідника n-типу до напівпровідника p-типу. Нагадаємо, що за напрям струму вибирається напрямок, зворотне до впорядкованого руху електронів в металі, тому, рухаючись по замкненому контуру ланцюга, електрони будуть долати переходи в наступному порядку: мідь - напівпровідник p-типу, напівпровідник p-типу - мідь, мідь - напівпровідник n-типу, напівпровідник n-типу - мідь.

Мал. 1. Структурна схема осередку термоелектричного модуля Пельтьє

На першому переході (мідь - напівпровідник p-типу) електрони потрапляють з мідного провідника в напівпровідник p-типу, де основними носіями заряду є дірки. У напівпровіднику p-типу поблизу переходу відбувається рекомбінація дірок і електронів, що супроводжується виділенням енергії, оскільки з енергетичної точки зору електрони при цьому переходять зі стану з більш високою енергією (такою енергією електрони володіють в зоні провідності) в стан з меншою енергією (такою енергією електрони володіють в валентної зоні). В результаті виділення енергії (теплота Пельтьє) область поблизу кордону переходу «мідь - напівпровідник» p-типу нагрівається.

На наступному переході (напівпровідник p-типу - мідь) електрони з напівпровідника p-типу переходять в метал. У напівпровіднику p-типу електрони поблизу кордону переходу утворюються за рахунок генерації електронно-діркових пар. Відзначимо, що процес генерації електронно-діркових пар відбувається в усьому просторі напівпровідника, проте він скомпенсований зворотним процесом рекомбінації, тому середня кількість дірок і електронів не змінюється. І тільки в області поблизу кордону переходу процес генерації не компенсується процесом рекомбінації, оскільки під дією електричного поля електрони «висмоктуються» з напівпровідника. В процесі генерації електронно-діркових пар з енергетичної точки зору електрони переходять з валентної зони (зі стану з меншою енергією) в зону провідності (в стан з більш високою енергією). Тому даний процес супроводжується поглинанням енергії, в результаті чого область поблизу кордону переходу охолоджується (поглинання теплоти Пельтьє).

На наступному переході (мідь - напівпровідник n-типу) електрони переходять з міді в напівпровідник n-типу. У напівпровіднику n-типу основними носіями заряду також є електрони, тому ніякої рекомбінації електронів і дірок в даному випадку не спостерігається. Однак енергія електронів в металі і напівпровіднику різна, причому в напівпровіднику електрони провідності володіють більш високою енергією, ніж в металі. Нагадаємо, що для того, щоб перейти в зону провідності в напівпровіднику, електрони повинні подолати забороняє зону, ширина якої сягає кількох еВ. Відповідно перехід електронів з металу в напівпровідник n-типу з енергетичної точки зору відповідає збільшенню енергії електронів і, отже, супроводжується поглинанням енергії, в результаті чого область поблизу кордону переходу «мідь - напівпровідник» n-типу охолоджується.

На останньому переході (напівпровідник n-типу - мідь) електрони переходять з напівпровідника n-типу в мідь. В даному випадку ми маємо справу з енергетичним процесом, зворотним до розглянутого раніше, тобто в процесі переходу електрони переходять зі стану з більш високою енергією (зона провідності в напівпровіднику) в стан з меншою енергією (зона провідності в металі). В результаті такого переходу виділяється енергія, що призводить до нагрівання кордону переходу «напівпровідник n-типу - мідь».

Отже, в результаті проходження струму через таку послідовність переходів як: мідь - напівпровідник p-типу, напівпровідник p-типу - мідь, мідь - напівпровідник n-типу і напівпровідник n-типу - мідь, два переходи будуть нагріватися, а два - охолоджуватися. Якщо розташувати переходи таким чином, щоб нагріваються знаходилися в одній площині, а охолоджувальна - в інший (див. Рис. 1), то отримаємо елементарний термоелектричний елемент Пельтьє.

В елементі Пельтьє кількість пов'язаних один з одним переходів може бути дуже великим, але головне, що все, що нагріваються переходи розташовані в одній площині, а все охолоджувальна - в інший. Мідні контакти, що з'єднують напівпровідники, фіксуються керамічними пластинами. Таким чином, одна керамічна пластина нагрівається, а інша, навпаки, охолоджується. Структурна схема термоелектричного модуля Пельтьє показана на рис. 2.

Мал. 2. Структурна схема термоелектричного модуля Пельтьє

Термоелектричні модулі Пельтьє знайшли широке застосування в різних системах охолодження, в тому числі в системах охолодження компонентів ПК. Так, на основі термоелектричних модулів побудовані деякі моделі процесорних кулерів і кольорів для відеокарт. У таких кулери холодна керамічна пластина модуля Пельтьє наводиться в зіткнення з гарячою поверхнею охолоджуваного елементу (наприклад, процесора), а до гарячої пластині прикріплюється радіатор з вентилятором для відводу тепла.

Ще одним цікавим способом застосування термоелектричного модуля Пельтьє є його використання в повітряному кондиціонері для охолодження повітря всередині системного блоку ПК.

Принцип дії повітряного кондиціонера на ТЕМ Пельтьє

ринцип дії традиційних повітряних систем охолодження (процесорні кулери, кулери чіпсетів і графічних карт) заснований на тому, що відведення тепла здійснюється повітряним потоком, який засмоктується або зовні корпусу ПК, або зсередини системного блоку. Основний недолік таких систем охолодження полягає в тому, що температура застосовуваного для охолодження повітряного потоку (особливо якщо використовується повітря, засмоктуваний зсередини системного блоку) може виявитися недостатньою для створення ефективної системи відводу тепла. Один зі способів збільшення ефективності системи охолодження в даному випадку полягає в збільшенні швидкості обертання вентиляторів. Крім того, дану проблему можна вирішити і більш витонченим способом - використовувати для охолодження холодне повітря, тобто повітря, температура якого свідомо нижче температури всередині системного блоку і нижче температури навколишнього повітря. Саме на цьому принципі засновані повітряні кондиціонери для ПК.

У повітряних кондиціонерах для ПК термоелектричний модуль Пельтьє застосовується для охолодження повітряного потоку, що надходить всередину системного блоку. Далі цей повітряних потік використовується традиційними повітряними кулерами, які охолоджують процесор, графічну карту, чіпсет і т.д. Таким чином, повітряний кондиціонер не замінює традиційні системи охолодження, а доповнює їх, дозволяючи створювати більш ефективну систему відводу тепла в цілому.

Кондиціонер PC AirCon PAC 400

ассмотрім конструкцію повітряного кондиціонера для ПК на прикладі кондиціонера PC AirCon PAC 400 (рис. 3), виробленого компанією Waffer Technology ( www.waffer.biz ). Технічні характеристики даного пристрою представлені в табл. 1.

Мал. 3. Кондиціонер PC AirCon PAC 400

Судячи по конструктивному дизайну, даний пристрій призначений для установки в 5,25-дюймовий відсік ПК. При установці кондиціонера в корпус ПК його основний блок виявляється за межами корпусу, що дозволяє, по-перше, відводити в навколишній простір гаряче повітря, а по-друге, використовувати для подальшого охолодження повітря, засмоктуваний з навколишнього простору.

Таблиця. 1. Технічні характеристики
PC AirCon PAC 400

Охолоджуючий модуль кондиціонера PC AirCon PAC 400 являє собою термоелектричний модуль Пельтьє (рис. 4), до гарячої і холодної пластин якого прикріплені алюмінієві радіатори. З боку радіатора, що примикає до холодної стороні модуля Пельтьє, розташований вентилятор, що всмоктує повітря з навколишнього простору. Засмоктуваний повітря, проходячи через ребра холодного радіатора, охолоджується і надходить всередину корпусу системного блоку. Для того щоб можна було відстежувати температуру надходить всередину ПК повітря, на шляху повітряного потоку розташований термодатчик, а температура повітряного потоку відображається на мініатюрному ЖК-екрані.

Мал. 4. Термоелектричний модуль Пельтьє кондиціонера PC AirCon PAC 400

З боку радіатора, що примикає до гарячої стороні модуля Пельтьє, також розташований вентилятор, який видуває гаряче повітря за межі охолоджуючого модуля.

Як випливає з технічних характеристик PC AirCon PAC 400, обидва вентилятора обертаються зі швидкістю 4600 об. / Хв, виробляючи при цьому шум в 37 dBA.

Особливою характеристикою кондиціонера PC AirCon PAC 400, яка наводиться в технічній документації, є параметр SCP (System Cooling Power), що характеризує продуктивність охолоджувальної системи. Компанія-виробник визначає даний параметр, як кількість теплоти, яке отримує охолоджений кондиціонером повітря всередині системного блоку в одиницю часу:

де m eff - маса повітря, що прокачується через охолоджуючий модуль в одиницю часу; C p - питома теплоємність повітря при постійному тиску; T sys -усредненная температура повітря всередині системного блоку; T ent - температура повітря на виході з охолоджуючого модуля.

Про те, наскільки адекватно даний параметр характеризує продуктивність охолоджувальної системи, можна посперечатися. Як нам здається, більш логічно за продуктивність кондиціонера було б прийняти величину, рівну кількості теплоти, отбираемому в одиницю часу у повітря, що проходить через охолоджуючий модуль, тобто в наведеній вище формулі використовувати різницю температур на вході і на виході кондиціонера. Втім, не будемо міркувати, що логічніше, а що ні, а просто подивимося, що означає SCP, рівне 80 Вт, для кондиціонера PC AirCon PAC 400. При такій продуктивності кондиціонера при типовому значенні створюваного повітряного потоку 13 CFM (0,368 м3 / хв) різницю температур всередині системного блоку і на виході охолоджує модуля складе приблизно 10 ° С (передбачається, що щільність повітря дорівнює 1,29 кг / м3, питома теплоємність - 1007 Дж / кг · К). Ну що ж, залишається тільки перевірити, наскільки заявлені характеристики відповідають експериментальним.

До недоліків кондиціонера PC AirCon PAC 400 (як, втім, і всіх охолоджуючих елементів на основі модулів Пельтьє) можна віднести досить велику споживану електричну потужність (52 Вт), що накладає певні обмеження на потужність блоку живлення ПК. Наприклад, для PC AirCon PAC 400 рекомендується використовувати блок живлення потужністю не менше 350 Вт, але на практиці значення потужності блоку живлення, в залежності від використовуваної відеокарти і процесора, може бути і більшим.

На закінчення опису кондиціонера PC AirCon PAC 400 відзначимо, що передбачені три можливі режими роботи кондиціонера. Перемикання між різними режимами роботи здійснюється за допомогою тумблера, розташованого на передній панелі кондиціонера. У першому режимі кондиціонер просто вимкнений, в другому режимі кондиціонер працює в режимі продувки, тобто просто всмоктує всередину системного блоку повітря, не охолоджуючи його, а в третьому режимі роботи (режим охолодження) включається сам кондиціонер.

Тестування PC AirCon PAC 400

тепер після докладного опису кондиціонера PC AirCon PAC 400 перейдемо безпосередньо до його тестування.

Для того щоб протестувати кондиціонер PC AirCon PAC 400, був зібраний ПК наступної конфігурації:

• материнська плата - Intel D955XBK;
• чіпсет материнської плати - Intel 955Х;
• процесор - двоядерний процесор Intel Pentium D (тактова частота 2800 МГц);
• пам'ять - Kingmax DDR2 (PC5300) два модулі по 1 Гбайт;
• відеокарта - ATI Radeon X700 з пасивною системою охолодження;
• дискова підсистема - Seagate ST3120827AS, Seagate ST3400832AS.

Для охолодження процесора використовувався кулер Gigabyte GH-PCU22-VG, що дозволяє змінювати швидкість обертання в діапазоні від 2500 до 4000 об. / Хв.

Крім того, для додаткового контролю температури всередині корпусу ПК в різних точках розташовувалися чотири термодатчика (застосовувалася панель управління Aerogate II компанії CoolerMaster).

Для навантаження процесора використовувалася утиліта S & M 1.72, а активація режиму Throttling (режим теплового захисту процесора і ланцюгів материнської плати) контролювалася за допомогою утиліти RightMark CPU Clock / Power 1.6. Перший раз тест проганяли без кондиціонера PC AirCon PAC 400, а другий раз - з включеним кондиціонером.

В процесі тестування швидкість обертання кулера процесора становила 4000 об. / Хв.

Результати тестування відображені в табл. 2.

Таблиця 2. Результати тестування кондиціонера PC AirCon PAC 400 (температура навколишнього повітря - 22 ° С)

Висновки

ак свідчать результати, ефективність кондиціонера PC AirCon PAC 400 задоволена низька - можливе зниження температури в корпусі лише на 1 ° С. Навіть при повній швидкості обертання кулера процесора режим Throttling діє як з включеним кондиціонером, так і з відключеним. Власне, ніяких істотних переваг використання кондиціонера не дає, і тому питання про доцільність його застосування залишається відкритим.

Можливо, в поєднанні з іншим типом корпусу кондиціонер дозволить створити більш ефективну систему охолодження. Так, на сайті компанії-виробника Waffer Technology згадується корпус Sytrin NexTherm ICS8200, з яким проводилося тестування. Однак навряд чи використання корпусу іншого типу може кардинальним чином вплинути на ефективність системи охолодження. Так чи варто платити близько 100 дол. За те, щоб знизити температуру всередині системного блоку всього на 1 ° С, отримуючи в навантаження зайва витрата електроенергії і досить неприємний джерело шуму? Може, простіше відкрити кватирку?

Редакція висловлює вдячність компанії «ОЛАНД» ( www.olandgroup.ru , Тел .: (095) 790-81-79, (095) 788-19-18) за надання для тестування кондиціонера PC AirCon PAC 400.

КомпьютерПресс 10'2005