Охлаждение элементом Пельтье

Введение

Когда нам не хватает для разгона обычного воздушного кулера, когда мы уже не ищем лёгких путей, потому что они не помогут, тогда мы начинаем обращаться к более эффективным способам охлаждения процессоров. Таким эффективным, бесспорно, является водяное охлаждение, которое достаточно распространено у заграничных оверклокеров, но совсем не получило распространение у нас. Водяное охлаждение по эффективности можно сравнивать только с модулями Пельтье и дорогими кулерами типа Volcano7+. Мы много раз уже говорили про все достоинства и недостатки термоэлектрических модулей, и вот пришло время повстречаться с ними лицом к лицу.

Термоэлектрическая пластинка

Модуль Пельтье (он же TEC, термоэлектрическая пластинка, термонасос и т.д.) купить в России несложно. Более того, если вы купите его в онлайн-магазинах, то есть вероятность, что это будет наш, русский модуль. В России мы имеем заводы, изготавливающие и продающие термоэлектрические модули на экспорт. Наиболее известными считаются Санкт-Петербургские заводы Криотерм и Остерм. На заводе Остерм для вас могут изготовить термоэлектрическую пластинку на заказ, нужной мощности и нужных размеров. Как меня уверяли, для использования на компьютерах производитель даже может установить разъём питания PC-Plug на пластинку, но попавший к нам в термоэлектрический модуль имел только два проводка, которые даже зачищать пришлось самому.

Итак, мы уже ни раз говорили про термоэлектрические модули, но быстренько вспомнить основные тезисы не помешает. Термоэлектрические пластины используют эффект Пельтье (обратный эффект термопары_, заключающийся в том, что при протекании тока через два соприкасающихся полупроводника от одного к другому, пластина нагревается с одной стороны и охлаждается с другой, причём перепад температур на обоих сторонах пластины одинаков. За это свойство модуль Пельтье называют термонасосом. Сам по себе он не может охладить процессор. Он просто перекачивает выделяемое тепло от одной обкладки к другой - от процессора к кулеру. Получается, что термоэлектрический насос имеет холодную сторону, где тепло поглощается, и горячую, где выделяется. Причём, как и в случае с обычным насосом, выделяемое тепло должно куда-то отводиться, то есть, его надо охлаждать кулером. Но на горячей стороне термопары выделяется также тепло, образующееся в следствии потерь, так как по ней тоже течёт ток, а законы физики никто не отменял. В итоге кулер должен охладить не только выделяемое процессором тепло, но и тепло, выделяемое самой термоэлектрической пластинкой, так как эффективность у неё не 100% и сам модуль Пельтье сильно греется.

Наш модуль Пельтье мощностью 78 Вт состоял из 128 термопар (8 рядов по 16 термопар в каждом). Он был изготовлен на заводе Остерм в Санкт-Петербурге. В каталоге продукции он именуется как K1-127-2.0/1.5S. Этот модуль имеет размеры 55x55 мм (аккурат с процессор Athlon/Duron), питается он от 12 В постоянного тока и с торцов промазан герметиком, чтобы конденсат, или влага не могли замкнуть цепи внутри пластинки и вывести её из строя. Как видно, конструкция продумана специально для оверклокеров.

Это однокаскадный модуль, его толщина составляет порядка 4 мм, что сопоставимо с толщиной процессора, поэтому крепление кулера, охлаждающего его горячую сторону, надо будет немного подогнуть в случае необходимости. А при инсталляции на сторону, к которой прилегает кулер, придётся не пожалеть термопасты, ибо хороший отвод тепла от горячей стороны позволит эффективнее охладить сам процессор. А площадь соприкосновения пластинки с радиатором, как видите, здесь большая. Намного больше, чем площадь прикосновения ядра процессора и холодной стороны пластинки. Устанавливать обычный кулер, рассчитанный на толщину одного только процессора на термоэлектрическую пластинку намного сложнее. Поэтому лучше всего использовать кулеры, крепящиеся к материнской плате через четыре отверстия вокруг гнезда, а не к самому гнезду. Здесь надо также учитывать, что из-за увеличивающийся толщины охлаждаемого тела (процессор + термопластинка) стальная скоба обычного кулера оказывает слишком большое давление на гнездо процессора и может его повредить, или отломать пластиковые зубчики крепления. Охлаждать термоэлектрический модуль надо хорошим, дорогим кулером, желательно с датчиком вращения вентилятора, потому что если он остановится, то совместно с процессором модуль Пельтье расплавит материнскую плату и сам выйдет из строя.

Про термоэлектрические модули пишут очень много, но в большинстве своём это всего лишь теория. Кто-то обещает понижение температуры процессора ниже нуля градусов по Цельсию, кто-то говорит про высокие скорости разогнанных процессоров, но те же, кто решается использовать термоэлектрические пластины для отвода тепла от процессора, сталкиваются с неожиданными, зачастую очень серьёзными проблемами.

Выбор модуля Пельтье

Прежде всего, как выбирать термоэлектрический модуль? Прежде всего, вам нужно знать ширину и длину процессора, или его ядра. В случае с процессорами, устанавливаемыми в гнездо, вам понадобится модуль, не больший размеров гнезда, но и брать слишком маленький не имеет смысла. Лучше всего, чтобы он был размером с процессор. Если же в компьютере установлен процессор в слот, то вам придётся покупать модуль размером с ядро процессора, хотя можете заказать и размером с картридж - будет стоить дороже. Потом вам понадобится знать мощность вашего процессора. Для некоторых она приведена в таблице мощностей процессоров. Если вашего процессора там нет - узнайте его мощность из документов на сайте производителя. Обычно, эта информация не скрывается от широких масс. Мощность модуля Пельтье должна быть не меньшей мощности вашего процессора, а чтобы почувствовать эффект, она должна быть большей раза в полтора-два. После того, как вы знаете мощность, убедитесь, что термоэлектрическая пластина выдаёт эту мощность именно на 12 Вольтах, а не на 36 и не на 24 В. В компьютере вам легче всего найти 12 В, и ни на какие другие предложения соглашаться нельзя. Если вы знаете разницу температур на холодной и горячей сторонах модуля Пельтье, то можете рассчитать и температуру ядра процессора с этим модулем. Формула здесь очень простая:

T=((мощность процессора)+(мощность модуля Пельтье))*(терм. сопротивление кулера)+(темп. воздуха)-(разность температур модуля)

Из этой формулы видно, что чем лучше кулер, тем эффективнее будет охлаждение. По краям обкладок TEC должен быть герметизирован, чтобы никакая влага не могла закоротить его электрические цепи. И было бы неплохо, если бы его провода заканчивались стандартным коннектором PC-Plug. Наш модуль имел следующие данные:

Как видно, на блок питания при использовании термоэлектрического модуля ложится дополнительная весьма ощутимая нагрузка, так что этот момент тоже надо учитывать и покупать более мощный блок питания.

Установка модуля Пельтье

Вся мощность, рассеиваемая процессором (имеются ввиду процессоры AMD), сосредоточена на небольшой площади - примерно 1 см². Керамические пластины модуля Пельтье имеют низкую теплопроводность, поэтому в охлаждении процессора принимает участие не вся площадь термоэлектрической пластинки, а только та, которая непосредственно соприкасается с ядром процессора. Это вполне естественно, ведь тепло не может распространиться по всей площади холодной стороны модуля из-за низкой теплопроводности его обкладок. И если вы просто так установите модуль Пельтье на процессор, даже смазав его термопастой, вы рискуете сжечь мозг компьютера, ведь мощности тех нескольких термопар, располагающихся над процессором, будет недостаточно для отвода тепла от ядра, а другие участвовать в охлаждении не будут. Решить проблему может только хорошая медная прокладка между ядром процессора и термоэлектрическим модулем. Причём, если вы думаете, что вам будет достаточно установить обычную медную прокладку типа Thermaltak Copper Shim, то глубоко ошибаетесь. Эти прокладки не способны так эффективно распределить тепло по всей поверхности охладителя, как того требуется. Они вообще больше созданы для защиты от повреждения ядра, чем для помощи охлаждению, хотя с этим они тоже помогают справляться. Но для равномерного распределения тепла по поверхности модуля Пельтье вам понадобится медная пластинка, которая будет по размерам равняться модулю Пельтье и станет прокладкой между ядром процессора и холодной стороной TEC. Причём, такая пластинка должна быть ровной, не толстой, но и не слишком тонкой, чтобы равномерно распределять тепло по всему модулю охлаждения. Лучше всего её добыть из медного радиатора на процессор. Удалив рёбра из такого радиатора, мы получим уже отшлифованную с одной стороны ровную пластинку, которую останется лишь немного дополнительно обработать, обильно смазать термопастой и поместить между процессором и термоэлектрической пластиной. Сразу возникает вопрос: почему бы не сделать термоэлектрический модуль с медными обкладками? Я на этот вопрос ответить не в силах.

Использование такой медной прокладки просто необходимо, если размер ядра процессора меньше размера термоэлектрического модуля, а в большинстве случаев это так и есть. Хотя, для процессоров Intel Pentium 4 и Celeron 4 формата Socket-478 она может и не потребоваться, ведь эти процессоры уже имеют встроенный распределитель тепла и они к тому же очень малы в размерах. Но вот в случае с процессорами AMD надо помнить, что медная прокладка ещё больше увеличит высоту, на которую надо устанавливать кулер. И я вам скажу - укрепить его будет не так-то просто.

Тестирование термоэлектрической пластины

Нам, можно сказать, повезло. Мы использовали материнскую плату SOYO DRAGON PLUS, на которую спокойно умещался один из лучших кулеров для процессоров AMD - Swiftech MCX462. Причём, укрепить его было тоже непросто - пружинки крепления к материнской плате были сжаты до предела. И если бы не защита дополнительной медной прокладкой Thermaltake Copper Shim, процессор бы погиб от ёрзающего кулера во время установки. По подсчётам, разогнанный процессор потреблял примерно 67.7 Вт вместо штатных 63 Вт.

Итак, если посмотреть на полученную систему охлаждения с торца, то снизу вверх это будет процессор AMD Athlon, прокладка Thermaltake Copper Shim, не увеличивающая высоту процессора, медная прокладка, добавляющая примерно 4.5 мм к высоте процессора, термоэлектрический модуль Пельтье, добавляющий ещё 4.6 мм к высоте процессора и сам кулер Swiftech MCX-462. То есть, мы увеличили толщину процессора примерно на 9 мм, хотя прокладку можно было бы сделать раза в два тоньше, но всё равно при сегодняшний кулерах с их креплением даже дополнительные 6 мм толщины процессора серьёзно осложнят установку кулера. Обе стороны термоэлектрического модуля и обе стороны медной прокладки обильно смазывались серебряной термопастой. Пластинка подключалась к блоку питания на напряжение 12В и, как полагается, устанавливалась на медную пластинку холодной стороной. Не смотря на дополнительную нагрузку (78 Ватт - всё же не шутка), блок питания выдержал и не давал сбоев. Для сравнения мы протестировали лучшие на сегодняшний день кулеры Swiftech MCX-462, Thermaltake Volcano7+ и систему водяного охлаждения Senfu WaterCooler II. Результаты перед вами:

Как видно, эффект от применения модуля Пельтье оправдывает все затраты и сложности, связанные с его покупкой и установкой. Явное преимущество над двумя самыми лучшими воздушными кулерами и над водяной системой охлаждения. При рассмотрении результатов надо учитывать, что модуль Пельтье охлаждался лучшим воздушным кулером, так что на более дешёвых кулерах он может показать гораздо более низкую производительность.

Выводы

Прежде чем вы пойдёте в ближайший магазин за модулем Пельтье, подумайте ещё раз - сможете ли вы обеспечить его необходимым охлаждением, потянет ли ваш блок питания дополнительную нагрузку, превосходящую сам процессор, сможете ли вы найти медную прокладку и укрепить дорогой кулер на процессор? Последний вопрос наиболее актуален, ведь из доступных на российском рынке кулеров сегодня для охлаждения термоэлектрической пластины можно рекомендовать лишь Volcano 7+, а он крепится скобой к гнезду процессора и без переделки крепления не станет на дополнительные 7-8 мм высоты процессора. Если вы включите термоэлектрическую пластинку без нагрузки, то есть, процессор будет либо вообще не греться, либо греться очень слабо, вы рискуете столкнуться с ситуацией, когда он охладится до точки росы и до образования на нём инея, что может привести к короткому замыканию контактов. Чтобы избежать этого, вам пригодилось бы термореле, отключающее модуль Пельтье, когда температура процессора равна комнатной. Дополнительное оборудование, личный опыт по защите от инея и установке кулера, - всё это рано, или поздно будет у настоящих оверклокеров, решивших охлаждать процессор одним из самых эффективных во всех отношениях способов - термоэлектрической пластиной, или модулем Пельтье.

Мы благодарим Санкт-Петербургский завод "Остерм" за предоставленные элементы Пельтье.

LIKE OFF
10/06.2002