Кондиционер для компьютера — новый взгляд на проблему охлаждения ПК
Принцип действия воздушного кондиционера на ТЭМ Пельтье
Тестирование PC AirCon PAC 400
По мере увеличения мощности процессоров и графических карт проблема тепловыделения ПК становится все более актуальной. Традиционные воздушные системы охлаждения уже почти исчерпали свои возможности. На смену им постепенно приходят альтернативные системы охлаждения, например жидкостные. Все большее распространение получают и системы охлаждения на основе так называемых термоэлектрических модулей Пельтье. В этой статье мы рассмотрим относительно новую систему охлаждения — воздушный кондиционер на базе термоэлектрического модуля Пельтье.
Эффект Пельтье
ффект Пельтье относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в том, что если через контакт двух разнородных проводников пропустить электрический ток, то в контакте происходит или поглощение, или выделение тепла в зависимости от направления тока. Величина выделяемого (поглощаемого) тепла зависит от вида контактирующих проводников, силы тока и времени его прохождения, то есть количество тепла прямо пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:
dQ12 = П12Idt,
где П12 — коэффициент Пельтье, зависящий от свойств контактирующих проводников.
Индекс 1, 2 означает, что ток предполагается направленным от проводника 1 к проводнику 2. При изменении направления тока на обратное вместо выделения теплоты наблюдается ее поглощение и наоборот. Следовательно:
П12 = П21.
Общая причина выделения (поглощения) теплоты Пельтье заключается в следующем. Электроны при движении в проводниках переносят не только заряд, но и потенциальную и кинетическую энергию, то есть при наличии тока в проводнике существует определенный поток энергии. При одной и той же плотности электрического тока (а при контакте двух проводников плотность тока в них одинакова) плотности потоков энергии в различных проводниках, вообще говоря, различны. Это означает, что энергия, втекающая в контакт двух проводников в единицу времени, не равна энергии, вытекающей из контакта в единицу времени. Если втекающая энергия больше вытекающей, то разница этих энергий выделяется в виде тепла Пельтье, если же, наоборот, втекающая энергия меньше вытекающей, то недостающая энергия должна поглощаться (поглощение теплоты Пельтье).
При упрощенном рассмотрении можно считать, что в случае, когда втекающая энергия больше вытекающей, кинетическая энергия электронов в первом проводнике больше, чем во втором. При переходе электронов во второй проводник они тормозятся, передавая часть своей кинетической энергии кристаллической решетке и тем самым «разогревая» ее. Это и есть выделение тепла Пельтье. Во втором случае, когда втекающая энергия меньше вытекающей, электроны при переходе во второй проводник ускоряются, отбирая недостающую энергию у кристаллической энергии, что приводит к ее охлаждению. В этом случае тепло Пельтье поглощается.
Эффект Пельтье можно понимать и несколько иначе. При соприкосновении двух разнородных проводников возникает так называемая контактная разность потенциалов, то есть контактное электрическое поле. При прохождении электрического тока через контакт контактное поле будет либо способствовать, либо препятствовать прохождению тока. Если контактное поле препятствует прохождению тока, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приводит к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он поддерживается этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества (кристаллической решетки), что приводит к охлаждению контакта.
Известно, что наиболее сильно эффект Пельтье выражен в полупроводниках, и это связано с большей энергетической разностью зарядов.
 |
|
Модуль Пельтье
рименяя эффект Пельтье, можно создать различные термоэлектрические охлаждающие устройства. Наиболее широкое распространение получили так называемые термоэлектрические модули (ТЭМ) Пельтье. Принцип работы этих модулей достаточно прост: ТЭМ представляет собой массив полупроводников p- и n-типов, последовательно соединенных между собой медными проводниками (массив переходов «полупроводник — металл»). Рассмотрим принцип действия ТЭМ на примере двух соединенных между собой медными контактами полупроводников p- и n-типов, то есть массив четырех переходов «металл — полупроводник» (рис. 1). Допустим, ток направлен от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа. Напомним, что за направление тока выбирается направление, обратное к упорядоченному движению электронов в металле, поэтому, двигаясь по замкнутому контуру цепи, электроны будут преодолевать переходы в следующем порядке: медь — полупроводник p-типа, полупроводник p-типа — медь, медь — полупроводник n-типа, полупроводник n-типа — медь.
Рис. 1. Структурная схема ячейки термоэлектрического модуля Пельтье
На первом переходе (медь — полупроводник p-типа) электроны попадают из медного проводника в полупроводник p-типа, где основными носителями заряда являются дырки. В полупроводнике p-типа вблизи перехода происходит рекомбинация дырок и электронов, что сопровождается выделением энергии, поскольку с энергетической точки зрения электроны при этом переходят из состояния с более высокой энергией (такой энергией электроны обладают в зоне проводимости) в состояние с меньшей энергией (такой энергией электроны обладают в валентной зоне). В результате выделения энергии (теплота Пельтье) область вблизи границы перехода «медь — полупроводник» p-типа нагревается.
На следующем переходе (полупроводник p-типа — медь) электроны из полупроводника p-типа переходят в металл. В полупроводнике p-типа электроны вблизи границы перехода образуются за счет генерации электронно-дырочных пар. Отметим, что процесс генерации электронно-дырочных пар происходит во всем пространстве полупроводника, однако он скомпенсирован обратным процессом рекомбинации, поэтому среднее количество дырок и электронов не меняется. И только в области вблизи границы перехода процесс генерации не компенсируется процессом рекомбинации, поскольку под действием электрического поля электроны «высасываются» из полупроводника. В процессе генерации электронно-дырочных пар с энергетической точки зрения электроны переходят из валентной зоны (из состояния с меньшей энергией) в зону проводимости (в состояние с более высокой энергией). Поэтому данный процесс сопровождается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода охлаждается (поглощение теплоты Пельтье).
На следующем переходе (медь — полупроводник n-типа) электроны переходят из меди в полупроводник n-типа. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда также являются электроны, поэтому никакой рекомбинации электронов и дырок в данном случае не наблюдается. Однако энергия электронов в металле и полупроводнике различна, причем в полупроводнике электроны проводимости обладают более высокой энергией, чем в металле. Напомним, что для того, чтобы перейти в зону проводимости в полупроводнике, электроны должны преодолеть запрещающую зону, ширина которой достигает нескольких эВ. Соответственно переход электронов из металла в полупроводник n-типа с энергетической точки зрения соответствует увеличению энергии электронов и, следовательно, сопровождается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода «медь — полупроводник» n-типа охлаждается.
На последнем переходе (полупроводник n-типа — медь) электроны переходят из полупроводника n-типа в медь. В данном случае мы имеем дело с энергетическим процессом, обратным к рассмотренному ранее, то есть в процессе перехода электроны переходят из состояния с более высокой энергией (зона проводимости в полупроводнике) в состояние с меньшей энергией (зона проводимости в металле). В результате такого перехода выделяется энергия, что приводит к нагреву границы перехода «полупроводник n-типа — медь».
Следовательно, в результате прохождения тока через такую последовательность переходов как: медь — полупроводник p-типа, полупроводник p-типа — медь, медь — полупроводник n-типа и полупроводник n-типа – медь, два перехода будут нагреваться, а два — охлаждаться. Если расположить переходы таким образом, чтобы нагревающиеся находились в одной плоскости, а охлаждающиеся — в другой (см. рис. 1), то получим элементарный термоэлектрический элемент Пельтье.
В элементе Пельтье количество связанных друг с другом переходов может быть очень большим, но главное, что все нагревающиеся переходы расположены в одной плоскости, а все охлаждающиеся — в другой. Медные контакты, соединяющие полупроводники, фиксируются керамическими пластинами. Таким образом, одна керамическая пластина нагревается, а другая, наоборот, охлаждается. Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье показана на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье
Термоэлектрические модули Пельтье нашли широкое применение в различных системах охлаждения, в том числе в системах охлаждения компонентов ПК. Так, на основе термоэлектрических модулей построены некоторые модели процессорных кулеров и кулеров для видеокарт. В таких кулерах холодная керамическая пластина модуля Пельтье приводится в соприкосновение с горячей поверхностью охлаждаемого элемента (например, процессора), а к горячей пластине прикрепляется радиатор с вентилятором для отвода тепла.
Еще одним интересным способом применения термоэлектрического модуля Пельтье является его использование в воздушном кондиционере для охлаждения воздуха внутри системного блока ПК.
|
|
Принцип действия воздушного кондиционера на ТЭМ Пельтье
ринцип действия традиционных воздушных систем охлаждения (процессорные кулеры, кулеры чипсетов и графических карт) основан на том, что отвод тепла осуществляется воздушным потоком, который засасывается или снаружи корпуса ПК, или изнутри системного блока. Основной недостаток таких систем охлаждения заключается в том, что температура применяемого для охлаждения воздушного потока (особенно если используется воздух, засасываемый изнутри системного блока) может оказаться недостаточной для создания эффективной системы теплоотвода. Один из способов увеличения эффективности системы охлаждения в данном случае заключается в увеличении скорости вращения вентиляторов. Кроме того, данную проблему можно решить и более изящным способом — использовать для охлаждения холодный воздух, то есть воздух, температура которого заведомо ниже температуры внутри системного блока и ниже температуры окружающего воздуха. Именно на этом принципе основаны воздушные кондиционеры для ПК.
В воздушных кондиционерах для ПК термоэлектрический модуль Пельтье применяется для охлаждения воздушного потока, поступающего внутрь системного блока. Далее этот воздушных поток используется традиционными воздушными кулерами, которые охлаждают процессор, графическую карту, чипсет и т.д. Таким образом, воздушный кондиционер не заменяет традиционные системы охлаждения, а дополняет их, позволяя создавать более эффективную систему теплоотвода в целом.
|
|
Кондиционер PC AirCon PAC 400
ассмотрим конструкцию воздушного кондиционера для ПК на примере кондиционера PC AirCon PAC 400 (рис. 3), производимого компанией Waffer Technology (www.waffer.biz). Технические характеристики данного устройства представлены в табл. 1.
Рис. 3. Кондиционер PC AirCon PAC 400
Судя по конструктивному дизайну, данное устройство предназначено для установки в 5,25-дюймовый отсек ПК. При установке кондиционера в корпус ПК его основной блок оказывается за пределами корпуса, что позволяет, во-первых, отводить в окружающее пространство горячий воздух, а во-вторых, использовать для дальнейшего охлаждения воздух, засасываемый из окружающего пространства.
Таблица. 1. Технические характеристики
PC AirCon PAC 400
Охлаждающий модуль кондиционера PC AirCon PAC 400 представляет собой термоэлектрический модуль Пельтье (рис. 4), к горячей и холодной пластинам которого прикреплены алюминиевые радиаторы. Со стороны радиатора, примыкающего к холодной стороне модуля Пельтье, расположен вентилятор, всасывающий воздух из окружающего пространства. Засасываемый воздух, проходя через ребра холодного радиатора, охлаждается и поступает внутрь корпуса системного блока. Для того чтобы можно было отслеживать температуру поступающего внутрь ПК воздуха, на пути воздушного потока расположен термодатчик, а температура воздушного потока отображается на миниатюрном ЖК-экране.
Рис. 4. Термоэлектрический модуль Пельтье кондиционера PC AirCon PAC 400
Со стороны радиатора, примыкающего к горячей стороне модуля Пельтье, также расположен вентилятор, который выдувает горячий воздух за пределы охлаждающего модуля.
Как следует из технических характеристик PC AirCon PAC 400, оба вентилятора вращаются со скоростью 4600 об./мин, производя при этом шум в 37 dBA.
Особой характеристикой кондиционера PC AirCon PAC 400, которая приводится в технической документации, является параметр SCP (System Cooling Power), характеризующий производительность охлаждающей системы. Компания-производитель определяет данный параметр, как количество теплоты, которое получает охлажденный кондиционером воздух внутри системного блока в единицу времени:
SCP = meffCp(Tsys – Tent),
где meff — масса воздуха, прокачиваемого через охлаждающий модуль в единицу времени; Cp — удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; Tsys —усредненная температура воздуха внутри системного блока; Tent — температура воздуха на выходе из охлаждающего модуля.
О том, насколько адекватно данный параметр характеризует производительность охлаждающей системы, можно поспорить. Как нам кажется, более логично за производительность кондиционера было бы принять величину, равную количеству теплоты, отбираемому в единицу времени у воздуха, проходящего через охлаждающий модуль, то есть в приведенной выше формуле использовать разницу температур на входе и на выходе кондиционера. Впрочем, не будем рассуждать, что логичнее, а что нет, а просто посмотрим, что означает SCP, равное 80 Вт, для кондиционера PC AirCon PAC 400. При такой производительности кондиционера при типичном значении создаваемого воздушного потока 13 CFM (0,368 м3/мин) разность температур внутри системного блока и на выходе охлаждающего модуля составит примерно 10 °С (предполагается, что плотность воздуха равна 1,29 кг/м3, удельная теплоемкость — 1007 Дж/кг·К). Ну что ж, остается только проверить, насколько заявленные характеристики соответствуют экспериментальным.
К недостаткам кондиционера PC AirCon PAC 400 (как, впрочем, и всех охлаждающих элементов на основе модулей Пельтье) можно отнести достаточно большую потребляемую электрическую мощность (52 Вт), что налагает определенные ограничения на мощность блока питания ПК. К примеру, для PC AirCon PAC 400 рекомендуется использовать блок питания мощностью не менее 350 Вт, но на практике значение мощности блока питания, в зависимости от используемой видеокарты и процессора, может оказаться и больше.
В заключение описания кондиционера PC AirCon PAC 400 отметим, что предусмотрены три возможных режима работы кондиционера. Переключение между различными режимами работы осуществляется с помощью тумблера, расположенного на передней панели кондиционера. В первом режиме кондиционер просто выключен, во втором режиме кондиционер работает в режиме продува, то есть просто всасывает внутрь системного блока воздух, не охлаждая его, а в третьем режиме работы (режим охлаждения) включается сам кондиционер.
|
|
Тестирование PC AirCon PAC 400
теперь после подробного описания кондиционера PC AirCon PAC 400 перейдем непосредственно к его тестированию.
Для того чтобы протестировать кондиционер PC AirCon PAC 400, был собран ПК следующей конфигурации:
- материнская плата — Intel D955XBK;
- чипсет материнской платы — Intel 955Х;
- процессор — двухъядерный процессор Intel Pentium D (тактовая частота 2800 МГц);
- память — Kingmax DDR2 (PC5300) два модуля по 1 Гбайт;
- видеокарта — ATI Radeon X700 с пассивной системой охлаждения;
- дисковая подсистема — Seagate ST3120827AS, Seagate ST3400832AS.
Для охлаждения процессора использовался кулер Gigabyte GH-PCU22-VG, позволяющий менять скорость вращения в диапазоне от 2500 до 4000 об./мин.
Кроме того, для дополнительного контроля температуры внутри корпуса ПК в различных точках располагались четыре термодатчика (применялась панель управления Aerogate II компании CoolerMaster).
Для нагрузки процессора использовалась утилита S&M 1.72, а активация режима Throttling (режим тепловой защиты процессора и цепей материнской платы) контролировалась с помощью утилиты RightMark CPU Clock/Power 1.6. Первый раз тест прогонялся без кондиционера PC AirCon PAC 400, а второй раз — с включенным кондиционером.
В процессе тестирования скорость вращения кулера процессора составляла 4000 об./мин.
Результаты тестировании отображены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты тестирования кондиционера PC AirCon PAC 400 (температура окружающего воздуха — 22 °С)
|
|
Выводы
ак свидетельствуют результаты, эффективность кондиционера PC AirCon PAC 400 довольна низкая — возможно снижение температуры в корпусе лишь на 1 °С. Даже при полной скорости вращения кулера процессора режим Throttling действует как с включенным кондиционером, так и с отключенным. Собственно, никаких существенных преимуществ использование кондиционера не дает, и потому вопрос о целесообразности его применения остается открытым.
Возможно, в сочетании с другим типом корпуса кондиционер позволит создать более эффективную систему охлаждения. Так, на сайте компании-производителя Waffer Technology упоминается корпус Sytrin NexTherm ICS8200, с которым проводилось тестирование. Однако вряд ли использование корпуса другого типа может кардинальным образом повлиять на эффективность системы охлаждения. Так стоит ли платить порядка 100 долл. за то, чтобы снизить температуру внутри системного блока всего на 1 °С, получая в нагрузку лишний расход электроэнергии и довольно неприятный источник шума? Может, проще открыть форточку?
Редакция выражает признательность компании «ОЛАНД» (www.olandgroup.ru, тел.: (095) 790-81-79, (095) 788-19-18) за предоставление для тестирования кондиционера PC AirCon PAC 400.
