Chłodzenie procesora modułem Peltiera
Słowem wstępu
Pewien producent części komputerowych zaprezentował w 2020 roku AiO z wbudowanym w blok wodny modułem Peltiera. Cena takiego zestawu była dość znaczna, jednak pomysł wydawał się być całkiem niezły.
Poniżej zamieszczam relację z modernizacji mojego zestawu AiO polegającą na dołożeniu takiego modułu.
Specyfikacja PC
Płyta główna
Model: B450 TOMAHAWK (MS-7C02)
BIOS: American Megatrends Inc. v. 1.70
Procesor
Model: AMD Ryzen 5 2600 3,4GHZ 16 MB
Karta graficzna
Model: ASUS Radeon RX 580 Dual OC 8GB GDDR5
Pamięć wideo 8 GB GDDR5
Taktowanie zegara 1360 MHz
Pamięć RAM
Model: HyperX 8 GB DDR4 Predator 15 CL HX430C15PB3K2/8
Pojemność 4×8 GB
Taktowanie szyny pamięci: 3000
Opóźnienie: CL15
Dyski twarde
Model: XPG GAMMIX S5 – dysk systemowy
Pojemność: 256 GB
Interfejs: NVMe
Zasilacz
Model: RM650X
Moc: 650 W
Certyfikat sprawności: 80 Plus Gold
Sprawność: 89%
Obudowa
Model: SilentiumPC Armis AR7
Typ obudowy Midi Tower ATX
Inne
Corsair H100i Pro – zestaw AIO 2x120mm
4 wentylatory 120mm
Proponowane rozwiązanie chłodzenia
W teście wykorzystano procesor produkcji AMD dedykowany do pracy z podstawką AM4, termoogniwo o mocy 136W oraz zestaw chłodzenia AiO. Montaż modułu Peltiera zacząłem od jego dokładnego oczyszczenia z resztek silikonowej masy uszczelniającej. Każda nierówność na powierzchni przylegającej do procesora w znaczny sposób zwiększa rezystancję termiczną połączenia, a tym samym powoduje wzrost temperatury chłodzonego elementu.
Fabryczne mocowanie chłodzenia odsunąłem od płyty głównej wykorzystując plastikowe tulejki. Tulejki powinny mieć średnicę wewnętrzną około 4mm i zewnętrzną 10-15mm. Długość zależna od grubości ogniwa.
Pasta termoprzewodząca znalazła się pomiędzy procesorem, a zimną stroną ogniwa oraz między ciepłą stroną, a blokopompką.
Przewody zasilające termoogniwo podłączyłem do przekaźnika półprzewodnikowego (SSR, K1 na schemacie), a przekaźnik do przetwornicy podwyższającej napięcie z 12 do 14V (V1 na schemacie). Sygnał sterujący przekaźnikiem pochodzi z gniazda 4 pin wentylatora. Aby można było wykorzystać złącze wentylatora należy wcześniej odpowiednio ustawić parametry pracy w BIOS (UEFI).
Moduł Peltiera
Maksymalna temp. pracy 200*C
Materiał płytki bazowej: Al2O3 (19-30 W/m*K)
Maksymalna moc cieplna chłodzenia 136 W
Najwyższe napięcie wejściowe 15,4 V
Maksymalny prąd 15A
Rezystancja 0,88R przy 50*C
Grubość 3.3mm (trzeba odsunąć fabryczne mocowanie procesora od płyty głównej o grubość modułu chłodzącego)
Zakładając dane do obliczeń:
TCPU = 30*C
TAiO = 40*C
DT = 10*C
QCPU = 65 W
Zgodnie z wykresem Qc=f(DT) musimy dostarczyć do modułu około 6 amperów co jest zbieżne z wartościami uzyskiwanymi w rzeczywistych testach.
Takie wartości prądów są możliwe do uzyskania przy napięciu na ogniwie około 14 V. Na wykresie wydajności ogniwa COP=f(V), wartość 14 V odpowiada współczynnikowi COP (Coefficient Of Performance to stosunek pomiędzy mocą cieplną ogniwa, a mocą elektryczną dostarczaną do jego zasilenia) równym 0,7.
Moc dostarczana do modułu: 14V*6A=84W
Moc odprowadzana ze strony zimnej: 84W*0,7 (COP) = 58,8W
Moc do odprowadzenia przez chłodzenie po stronie ciepłej: 84W+58,8W= 142,8W
Testy przed modernizacją
Temperatura procesora podczas obciążenia go syntetycznym testem OCCT wyniosła 39*C po 3 minutach testu.
Procesor oraz reszta podzespołów PC pracowała stabilnie, a samo chłodzenie dobrze radziło sobie z odprowadzaniem ciepła. Temperatura CPU bez obciążenia oscylowała w zakresie 30-34*C w zależności od temperatury otoczenia.
Testy po modernizacji
W przypadku zastosowania modułu Peltiera o mocy 136 watów temperatura procesora wzrosła w porównaniu do układu bez dodatkowych elementów między IHS procesora, a chłodzeniem.
Zmniejszył się komfort korzystania z komputera, ponieważ wentylatory w zestawie AiO pracują z wyczuwalnie większą prędkością, a w zamian za to otrzymujemy wyższe temperatury procesora:)
Pobór prądu przez moduł Peltiera
Poniżej znajduje się przebieg napięcia i prądu przepływającego przez moduł Peltiera. Moc dostarczana do modułu wynosiła około 90 W.
Na wykresie prądu widoczne jest zjawisko Seebecka. W chwili wyłączenia przekaźnika SSR prąd płynie w przeciwną stronę (znacznik i[A] to wartość 0 V). Wynika to z powstawania siły elektromotorycznej, gdy strona zimna termoogniwa była zimniejsza od strony ciepłej. Przepływ prądu możliwy był ze względu na obecność diody tłumiącej przepięcia w SSR.
Powody niepowodzenia tej metody chłodzenia
Procesor który był testowany posiadał TDP 65 W, była to wartość z którą chłodzenie wodne radziło sobie bez najmniejszego problemu. Jednak w chwili kiedy przez ogniwo Peltiera przepływał prąd to od strony gorącej modułu należało odprowadzić dodatkowe 90 W. Zestaw AiO który posiadam źle radził sobie z odprowadzeniem ponad 150 W w postaci ciepła. Dodatkowo na niekorzyść tego układu wpływa fakt, że pojawia się kilka dodatkowych rezystancji termicznych wynikających z niedoskonałości modułu Peltiera oraz dodatkowej warstwy pasty termoprzewodzącej.
Uruchomienie komputera bez załączonego modułu Peltiera powoduje szybki wzrost temperatury procesora.
Podsumowanie
Poniżej umieszczam krótkie podsumowanie zalet i wad chłodzenia CPU z wykorzystaniem modułu Peltiera.
ZALETY
- Niższe temperatury bez obciążenia
WADY
- Dodatkowe straty energii konieczne na zasilanie modułu
- Wyższe temperatury pod obciążeniem
- Wentylatory pracują z większą prędkością
- Wymaga odpowiedniego sterowania
Moim zdaniem wykorzystywanie modułów Peltiera w PC jest nieefektywne. Wymaga odprowadzenia dużej ilości ciepła, przy wymiernych korzyściach.
Przy wykorzystaniu innego modelu ogniwa o lepszej sprawności i mniejszej rezystancji termicznej możliwe byłoby uzyskanie lepszych wyników. Zmiana sposobu sterowania na sterowanie PWM uzależnione od temperatury procesora również zwiększyłoby sprawność układu. Zastosowanie wydajniejszego chłodzenia strony ciepłej ogniwa w znaczący sposób zmniejszyła by temperaturę procesora.
