Файл: Курсовая на тему Термоэлектрическое охлаждение элементов и устройств ЭВС . РС-71.docx

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.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По-видимому, главной причиной, вызвавшей всплеск интереса к термоэлектрическому охлаждению, является абсолютная экологическая чистота этого метода преобразования энергии, в отличие от традиционного парокомпрессионного метода.

К другим преимуществам термоэлектрического охлаждения следует отнести:

1. Отсутствие движущихся деталей, изнашивающихся частей, рабочих жидкостей и газов.

2. Практически неограниченный ресурс работы как следствие отсутствия движущихся частей и обычных веществ.

3. Бесшумность работы термоэлектрического блока, что так же является следствием пункта 1.

4. Габариты термоэлектрического охладителя могут быть практически как угодно малыми. Толщина современных пленочных охладителей электронных чипов достигает сотен нанометров при длине и ширине порядка десятков микрон.

5. Легкость перехода из режима охлаждения в режим нагрева.

Это далеко не полный список достоинств термоэлектрического охлаждения, но при этом можно выделить и недостатки:

1. Использование постоянного тока. Данное преимущество превращается в недостаток, если источник постоянного тока отсутствует. Тогда приходится преобразовывать переменный ток с помощью выпрямителя, что повышает габариты и стоимость системы.

2. Низкий холодильный коэффициент.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Судовые термоэлектрические охлаждающие устройства» Ю. Н. Цветков, С. С. Аксенов, В. М. Шульман — Л.: Судостроение, 1972.— 191 с.

2. «Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов» В. С. Мартыновский — М.: Энергия, 1979.— 285 с.

3. «Термоэлектрическое охлаждение - все впереди» Д. А. Тайц – 2010.

4. «Термоэлектрическое охлаждение компьютерных элементов» Е. А. Рудометов – 2004.

5. «Термоэлектрические охладители» Под ред. А.Л. Вайнера. - М.: Радио и связь, 1993.

6. «Энциклопедия устройств на полевых транзисторах» В.П. Дьяконов, А. А. Максимчук, A.M. Ремнев, В.Ю. Смердов - М.: СОЛОН-Р, 2002.

7. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник» Л. И. Анатычук, 1979.

8. «Термоэлектрическое охлаждение. Текст лекций.» Л. П. Булат, М.В. Ведерников, А.П. Вялов, СПб, 2002.

9. «Термоэлектрическое охлаждение: состояние и перспективы» Л.П. Булат, СПб, 1999.