Обзоры
Модули Пельтье в ПК: теория и практика
10

Модули Пельтье в ПК: теория и практика

Тема охлаждения компонентов ПК волнует многих пользователей. Большинство из них ограничиваются стандартными воздушными кулерами, отдельные энтузиасты собирают СВО. А что же дальше? Наверняка те, кто серьезно интересовался разгоном, слышали о модулях Пельтье (или термоэлектрических модулях, далее по тексту – ТЭМ; английский вариант – TEC, Thermoelectric Cooler) и их применении в качестве тепло-отводов для сильно-греющихся элементов компьютера.

Однако зачастую даже базовую информацию по правильному использованию этих удивительных устройств найти трудно, отсюда – многочисленные ошибки тех, кто впервые с ними сталкивается. К слову, производители систем охлаждения также экспериментируют с модулями Пельтье, порой представляя на суд публики весьма любопытные концепты. Как работают ТЭМ, действительно ли они так уж небходимы в СО компьютера, как самостоятельно собрать нехитрые кулеры и избежать простейших ошибок, достаточно характерных для новичков, – обо всем этом мы расскажем в данном материале.

Немного теории

Чем же на самом деле являются модули Пельтье? В базовом определении это термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье, открытом в далеком 1834 году. Суть данного процесса заключается в возникновении разности температур в месте контакта материалов при протекании сквозь них электрического тока.

Мы не станем вдаваться в подробности истории открытия и научного обоснования специфики работы ТЭМ, поскольку этой теме можно посвятить целую диссертацию. Однако общие понятия упомянем.

Базовая схема устройства ТЭМ

Элементы Пельтье состоят из двух токопроводящих материалов (полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Физика протекания тока через подобные вещества такова, что для перехода электронов им требуется определенная подпитка, получаемая в момент прохождения тока через спайку. В таком случае возможно перемещение частиц в высокоэнергетическую зону проводимости от одного материала к другому. Место соприкосновения полупроводников в момент поглощения энергии охлаждается. Изменение направления тока или перемещение электронов из более энергетической зоны в менее насыщенную приводит к нагреву места контакта. Помимо этого, в модулях Пельтье наблюдается тепловой эффект, характерный для любых веществ, сквозь которые пропускают электрический ток. Вообще процессы, присущие ТЭМ, проявляются и в месте контакта обычных металлов, однако определить их без сложных приборов почти нереально. Поэтому основой для модулей служат полупроводники.

Структура термоэлектрического элемента (модуля Пельтье)

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар полупроводниковых параллелепипедов разных типов (как в диодах или транзисторах, n- и p-типа). Современная индустрия для этих целей наиболее часто выбирает германид кремния и теллурид висмута. Полупроводники попарно соединяются металлическими перемычками из легкоплавких веществ. Последние выполняют роль термоконтактов и напрямую соприкасаются с керамической пластинкой или подставкой. Пары полупроводников соединены последовательно, разные виды проводимости контактируют друг с другом. С одной стороны модуля имеются лишь n->p-переходы, с другой – p->n. Течение тока вызывает охлаждение и нагревание противоположных групп контактов. Поэтому можно говорить о переносе током тепловой энергии с одной стороны модуля Пельтье на другую и, как следствие, возникновении разности температур на пластинке. Правильное применение модулей позволяет извлечь некоторые выгоды для промышленных, в том числе компьютерных СО. К слову, элементы могут быть использованы и в качестве электрогенераторов – основываясь на тех же принципах работы, физика протекающих внутри процессов объясняется эффектом Зеебека (условно говоря, тот же эффект Пельтье с «противоположным знаком»).

Плюсы и минусы применения ТЭМ

Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:

  • сравнительно небольшие габариты;
  • возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
  • отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.

В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:

В USB-холодильнике также используется модуль Пельтье
  • низкий КПД модулей;
  • необходимость наличия источни- ка тока для их работы;
  • большая потребляемая мощ- ность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло- выделение;
  • ограниченные габариты и полезные характеристики.

Однако, невзирая на негативные характеристики модулей Пельтье, они нашли свое применение в ряде продуктов. ТЭМ выгодны в первую очередь там, где энергетическая эффективность охладителя некритична, чем меньше – тем лучше. Элементы служат для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, позволяющих добиться заметного уменьшения теплового шума при длительных экспозициях. Модули Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с целью стабилизации длины волны их излучения. Возможно использование нескольких ТЭМ, составленных последовательно в виде каскадов (холодная сторона одного охлаждает горячую другого), благодаря чему реально достичь очень низких температур для устройств, обладающих малым тепловыделением. Элементы Пельтье – основа компактных холодильников, в первую очередь автомобильных. Их применяют и в миниатюрных сувенирах из области компьютерной периферии, и в производительных СО в качестве основных или вспомогательных компонентов. Именно о последнем варианте мы и поговорим более подробно.

Модули Пельтье в ПК: практика

Элемент Пельтье размещается между водоблоком и медной «буферной» пластинкой

При переходе к практической реализации СО на базе ТЭМ нужно сделать несколько оговорок, которые позволят правильно подобрать параметры итоговых конструкций. Нередко эксперименты новичков заканчиваются плачевно: либо температуры на «холодной» стороне модулей во время работы получаются выше, чем на горячей, либо системы демонстрируют откровенно слабые результаты даже по сравнению со стоковыми кулерами без элементов Пельтье. Причины зачастую кроются в неправильном расчете (или построении СО наугад). Дело в том, что любой ТЭМ имеет свои штатные характеристики, обычно выделяют два значения (рассмотрим их на примере модуля ТЕС1-12709 с заявленной максимальной мощностью 136 Вт), например, пишут, что ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 и Qcmax ΔTmax=0(W) 89.2. Перефразируя данное выражение: модуль способен обеспечить максимальный перепад температур между сторонами, равный 89,2 ºС при отсутствии тепловой нагрузки и 0 ºС при наличии таковой на «холодную» сторону 66 Вт. Таким образом, полезная нагрузка модуля лежит в пределах от 0 до 66 Вт, в идеале – чем меньше – тем лучше и тем большую разницу температур обеспечит ТЭМ. В то же время любой модуль имеет другую характеристику – максимальную потребляемую мощность, которую тоже нужно отвести от него с помощью системы охлаждения. Для рассматриваемого ТЕС1-12709 Umax (В) равно 15.2 В, I max- 9 А. Следовательно, при указанных параметрах имеем энергопотребление 136,8 Вт, что, согласитесь, немало.

Система охлаждения должна успешно отводить тепло непосредственно от модуля (обеспечивая максимально возможную низкую температуру «горячей» стороны) и компонентов ПК. Примерный КПД такой системы можете вычислить сами – при полезной составляющей в 150–200 Вт (приблизительно столько выделяют современные разогнанные CPU) для получения хоть каких-то видимых результатов придется затратить не менее 600–800 Вт электрической мощности и отвести не менее киловатта тепловой. Именно поэтому производительные СО на базе модулей Пельтье не получили широкого распространения. Впрочем, прецеденты сравнительно успешной реализации гибридных кулеров известны, а мы попытаемся создать свои – маломощный и оптимальный. Чтобы избежать ограничений в виде недостаточного теплоотвода, на «горячую» сторону ТЭМ поместим производительные водоблоки, подключенные в контур СВО. Кстати, модули Пельтье нельзя устанавливать непосредственно на ядро/теплораспределительную крышку чипов – тонкая керамическая подкладка не способна поддерживать эффективную теплопередачу ко всем полупроводниковым парам, составляющим ТЭМ. Для этой цели лучше всего подойдет промежуточный «буфер» – медная пластинка толщиной 5–7 мм, полностью закрывающая поверхность модуля. К слову, оптимальный режим эксплуатации элементов Пельтье обеспечивается при пониженных напряжении и потребляемом токе. Приближение этих параметров к максимальным существенно повышает тепловую отдачу пластины, однако не так ощутимо – полезную составляющую.

Мы решили по максимуму охладить графический чип видеокарты Radeon HD 4350 и CPU Core 2 Duo E8500, попытавшись разогнать данные компоненты. Для отвода тепла от GPU использовались уже упомянутый ТЕС1-12709 (максимальная потребляемая мощность – 136 Вт) и самодельный медный водоблок, в паре с процессором работали ТЕС1-12726 (395 Вт) и один из лучших промышленных водоблоков Swiftech Apogee GT. Модули подключались напрямую к компьютерному БП в 12-вольтовую цепь. Применение киловаттного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало все основания не переживать за недостаток мощности для питания ПК и элементов системы охлаждения. В контуре СВО трудились два «двойных» радиатора под 120-миллиметровые вентиляторы и помпа Hydor Seltz L30 (производительностью 1200 л/ч на холостом ходу).

Основа мощного чиллера – «бутерброд» из трех водоблоков и восьми ТЭМ, расположенных между ними

В случае охлаждения компонентов до температур ниже комнатных (в частности, ниже «точки росы») стоит ожидать появления конденсата на переохлажденных поверхностях. Понятно, что вода в таком виде является главным врагом пользователя, и ее выделение необходимо предупредить. Делается это путем тщательной теплоизоляции любых поверхностей (частей РСВ, околосокетного пространства с обеих сторон платы, собственно ТЭМ, теплораспределителя процессора и GPU) материалами, не пропускающими воздух. Лучше всего для этих целей подходит стандартный теплоизоляционный материал для труб водоснабжения (на основании вспененного каучука), специальные замазки, отдельные виды поролона, поставляемого в комплекте с компонентами ПК, на худой конец термопаста и бумажные салфетки. В последнем случае допустима эксплуатация ПК лишь для проведения кратковременных бенчинг-сессий. Теплоизоляция обеспечит повышение общего КПД установки.

Итоговые температуры, полученные в различных режимах работы компонентов, их сравнение с показателями, обеспечиваемыми исключительно системой водяного охлаждения, приведены в диаграмме. Как видите, модули Пельтье позволили понизить температуру компонентов ощутимо ниже комнатной (в зависимости от загрузки). В таких условиях не составило особого труда разогнать процессор до частоты 4,3 ГГц с повышением напряжения питания до 1,35 В, а GPU заставить функционировать на 800 МГц (штатное значение – 600 МГц). В то же время мы получили ощутимый нагрев СО тестового стенда (в корпусе ситуация усугубилась бы более существенно) и резкий рост уровня энергопотребления ПК (собственно, вся конструкция потребляет больше, чем отдельно взятый компьютер на базе компонентов тестового стенда). Подобное решение однозначно пригодится в зимнюю пору, однако летом вряд ли порадует большинство пользователей.

Готовы ли вы на такие жертвы ради достижения сравнительно низких температур на компонентах ПК? Решайте сами, но помните о базовых советах, приведенных в этой части материала, – они помогут правильно применить модули Пельтье на практике. Использование систем охлаждения на основе ТЭМ разумно и оправданно в случае с маломощными компонентами (чипсетами материнских плат, GPU низко- и среднеуровневых видеокарт). Не забывайте и о теплоизоляции охлаждаемых элементов – ведь конденсат является главным врагом системы во время экспериментов с ТЭМ.

Выводы

Подытоживая вышесказанное относительно особенностей работы модулей Пельтье и целесообразности их практического применения, повторимся: ТЭМ имеют упомянутые преимущества и недостатки, которые не позволяют дать однозначного ответа на вопрос: «А стоит ли…?» Их использование оправданно для отвода незначительных тепловых нагрузок (именно к таковым относятся компактные холодильники, термостатированные лазеры; СО для маломощных компонентов ПК – чипсетов и отдельных GPU).

На базе элементов Пельтье можно создавать различные самодельные охлаждающие и нагревающие устройства, существуют примеры успешной реализации маломощных генераторов. Но прежде чем заниматься изготовлением подобных конструкций, ознакомьтесь все же с теоретической составляющей – предварительная подготовка избавит от ошибок и сэкономит время в момент практического воплощения проектов.

Говорить о применении модулей Пельтье в ПК следует достаточно осторожно: прочитав о получении низких температур на охлаждаемых элементах, новички часто забывают о значительной потребляемой и выделяемой мощности подобных СО, не учитывают параметры и «запас прочности» отдельно взятой конструкции. ТЭМ заинтересуют в первую очередь оверклокеров, для которых любой выигрышный градус и каждый мегагерц важны. Рассматриваемые элементы – промежуточное звено между классическими системами водяного охлаждения и чиллерами или фреонками, работающими по принципу фазового перехода. Впрочем, применение ТЭМ отнюдь не назовешь простым, поэтому прежде чем приступать к серьезным экспериментам, тщательно взвесьте все «за» и «против».

Thermaltake SubZero4G Titan Elena Swiftech MCW6500-T Swiftech MCW60-T Cooler Master V10 Titan Amanda

Готовые СО на базе ТЭМ

Модули Пельтье используются производителями систем охлаждения для ПК в качестве основных и вспомогательных компонентов кулеров. Порой из этого получаются эффектные действенные устройства, иногда все выходит не так гладко, как изначально задумывалось. Мы решили вспомнить об основных СО, применяющих ТЭМ, которым прочили роль революционеров своего времени.

Thermaltake SubZero4G Один из первых кулеров с элементом Пельтье, наделавший сравнительно много шума в сфере охлаждения CPU (2003 год). Однако невысокий запас прочности, значительное по тем временам энергопотребление, громоздкость конструкции и шумность в работе не позволили ему закрепиться на рынке. Появись эта модель на год-два раньше – возможно, все обернулось бы иначе.

Titan Elena Суперкулер для видеокарт, построенный по тому же принципу, что и Titan Amanda: одна половина радиатора работает непосредственно на отвод тепла от GPU, другая охлаждает горячую сторону ТЭМ. В свое время оказался одним из лучших во время тестирования СО для графических адаптеров. (Мы писали о нем в «Домашнем ПК» в 2007 году.)

Swiftech MCW6500-T Самое мощное современное решение для охлаждения CPU, использующее элемент Пельтье. Представляет собой производительный водоблок, отводящий тепло от ТЭМ (около 400 Вт потребляемой электрической мощности), который, в свою очередь, создает оптимальный температурный режим процессора. Эта система способна обеспечить функционирование Core i7 на частоте порядка 4 ГГц при температуре около 0 ºС (режим простоя) и 20–30 ºС в режиме максимальной нагрузки.

Swiftech MCW60-T Аналогично процессорному решению представляет собой высокопроизводительный водоблок для графического адаптера, дополненный модулем Пельтье. В зависимости от TDP видеочипа способно удерживать его температуру на уровне комнатной или ниже.

Cooler Master V10 Элементы Пельтье этой СО охлаждают часть тепловых трубок. Подход достаточно интересный и правильный, применение модулей позволяет сбить пару-тройку градусов на процессоре. Однако экономическая целесообразность такого хода – под большим вопросом, ввиду того что V10 при существенной цене не в состоянии обогнать лучшие воздушные суперкулеры. Скорее всего, виноваты особенности конструкции и недостаточная мощность ТЭМ.

Titan Amanda Серия достаточно современных процессорных суперкулеров на тепловых трубках, использующих термоэлектрический модуль (2007–2008 гг). Часть радиатора отводила тепло непосредственно от ТЭМ, тогда как другая половина охлаждала греющийся компонент. Подобный подход к проектированию позволяет избежать резкой перегрузки СО вследствие превышения лимитов тепловыделения модуля Пельтье. Кулеры линейки Amanda демонстрировали отличные результаты с процессорами, обладающими сравнительно невысоким TDP.

XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project

Владельцев СВО и тех, кто собирается обзавестись жидкостными системами, могут заинтересовать так называемые чиллеры на базе элементов Пельтье. В зависимости от типа подключения ТЭМ в контур они позволят немного понизить температуру теплоносителя, а при создании мощных СО даже обеспечат температуру хладагента, близкую к нулевой.

Известный нашим читателям энтузиаст Wehr-Wolf давно интересовался затронутой темой эффективного охлаждения компонентов ПК и их дальнейшего экстремального разгона. Начиналось все в далеком 2005 году с теоретических набросков, рассуждений и одного из главных компонентов системы – массивного «бутерброда», состоящего из больших водоблоков. Однако заброшенные на длительное время задумки удалось реализовать лишь совместно с автором данного материала, в середине этого года запустив энтузиастский проект XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project.

Первый пуск ТЭМ-чиллера в полевых условиях

Принцип работы системы достаточно прост: модули Пельтье (8 ТЭМ с максимальной потребляемой мощностью 136 Вт каждый) охлаждают с двух сторон большой медный водоблок, а сами, в свою очередь, охлаждаются аналогичными водоблоками. «Холодный» и «горячий» контуры СВО полностью разделены между собой. Для питания такого количества ТЭМ в процессе первого запуска использовались два компьютерных БП с общей заявленной мощностью 1200 Вт, в качестве охладителя «горячего» контура выступала СЖО с двумя радиаторами под два 120-миллиметровых вентилятора каждый, прокачиваемая мощной помпой. Однако даже такой СВО оказалось недостаточно, и радиаторы пришлось продувать высокопроизводительными промышленными вентиляторами. В «холодный» контур были подключены помпа Hydor L20 II и водоблок Swiftech Apogee GT, охладителем выступал большой водоблок, контактирующий с «холодной» стороной ТЭМ. В результате первого эксперимента удалось добиться температуры воды в контуре порядке 5–7 ºС, при этом в качестве нагрузки для системы использовался процессор Core i7 965 Extreme Edition, разогнанный до частоты 4 ГГц.

С одной стороны, полученные результаты действительно впечатляют – подобные температуры при таких нагрузках способны обеспечить разве что чиллеры на основе систем фазового перехода, с другой – а стоит ли овчинка выделки? Чудовищная потребляемая мощность системы, громоздкая СО «горячего» контура, высокая общая стоимость оправдываются лишь концептуальным статусом XtremeLabs.org MONSTER T.E.C. Project, на данный момент находящимся в стадии доработки.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: