CC BY
44
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НАУКИ
Разработка и выпуск опытной партии термоэлектрических модулей, предназначенных для поддержания рабочей температуры электронных компонентов компьютерной техники
Ю. И. Штерн, В. Б. Леонтьев, Д. Б. Рыгалин, В. И. Лышенко
Зеленоградский научно-технологический парк при Московском государственном институте
электронной техники (МГИЭТ ТУ)
В Московском государственном институте электронной техники выполнена разработка термоэлектрической системы охлаждения и стабилизации температуры электронных компонентов персональных компьютеров на основе термоэлектрических модулей (элементов Пельтье).
Все полупроводниковые приборы, в том числе и современные процессоры, при своей работе выделяют энергию в виде тепла, которое необходимо отводить, так как допустимый диапазон рабочих температур любого полупроводника в лучшем случае лежит внутри интервала от — 60 до 150°С. При выходе температуры за допустимые рамки возможны как механические повреждения полупроводниковой структуры, так и значительные изменения электрических параметров. Естественное и принудительное охлаждение современных быстродействующих процессоров с помощью радиаторов со встроенным вентилятором, иногда несколькими вентиляторами не обеспечивает оптимального теплового режима процессоров. С ростом степени интеграции и быстродействия процессоров проблема их охлаждения становится все более актуальной.
В ходе работы созданы термоэлектрические охлаждающие модули, позволяющие обеспечивать необходимый тепловой режим компонентов персональных компьютеров, в том числе процессоров различной мощности. Термоэлектрические модули (элементы Пельтье), представленные на рис. 1, являются основной составляющей термоэлектрических систем (ТЭС), которые также включают в себя теплообменники, датчик температуры, электронные схемы управления и коммутации питания элементов Пельтье. В качестве датчика температуры может быть использован датчик, сформированный в структуре процессора или автономный датчик, размещенный в критической температурной зоне компьютера. Конструкция термоэлектрического блока, состоящего из элементов Пельтье и теплообменников, определяется его назначением и выполнена как для охлаждения отдельных компонентов компьютера, так и для охлаждения всего внутреннего объема ПК. В первом случае потребляемая
мощность блока не превышает 40 Вт, во втором она может достигать 200 Вт.
Термоэлектрический способ поддержания и контроля температуры обладает рядом преимуществ перед другими способами получения холода: компрессионным и адсорбционным. Это единственный экологически чистый способ охлаждения. Термоэлектрические модули (ТЭМ), как и другие твердотельные полупроводниковые приборы, имеют практически неограниченный ресурс работы. Термоэлектрические охлаждающие устройства обладают малыми габаритами и весом, бесшумны, надежны, малоинерционны. Их работа не зависит от ориентации в пространстве, не нуждается в применении хладагентов (фреонов, аммиаков). При термоэлектрическом охлаждении возможно плавно и точно регулировать температуру путем изменения величины напряжения питания термоэлектрических модулей. Результаты научных исследований и современная технология позволяют создавать термоэлектрические модули с максимальной разностью температур до 72°К и повышенной надежностью.
Созданные в ходе проекта устройства активного охлаждения процессоров для персональных компьютеров на основе элементов Пельтье отличаются от известных эффективным конструкционным решени-
Рис. 1. Элементы Пельтье
ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005
18003725
ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НАУКИ
ем и наличием встроенной системы регулирования питания элементов Пельтье. Это позволяет стабилизировать температуру кристалла процессора с достаточной точностью, избегая конденсации влаги на элементах конструкции, возникающей при одновременном включении компьютера и системы охлаждения. Разработанные термоэлектрические системы гармонично вписываются в архитектуру компьютеров, энергоэффективны, удобны в эксплуатации (рис. 2, 3). Технология их изготовления обеспечивает низкую стоимость изделия при массовом производстве.
Технические параметры ТЭМ (ТЭС):
максимальный ток........................... 3,7 А
интервал рабочих температур охлаждаемых
объектов.........................от +15 до + 60°С
холодопроизводительность..........от 20 до 150 Вт
напряжение питания....................+5 В, +12 В
стабилизация температуры охлаждаемых
объектов ......................... на уровне 35°С
максимальное напряжение.......................15В
максимальный перепад температуры...... АТ=72°К
габариты................................ 40x40 мм
высота................................ 4,0±0,1 мм
Разработанные термоэлектрические модули соответствуют по своим параметрам лучшим образцам, выпускаемым ведущими зарубежными фирмами «Melcor», «Marlow» (США), но ниже по стоимости и превосходят зарубежные аналоги по механической прочности.
Работы выполнялись на научной и производственной базе МИЭТ с привлечением специалистов кафедры «Материаловедение и физическая химия» и отдела инновационного развития. Коллектив разработчиков проекта обладает большим интеллектуальным потенциалом в области термоэлектрических технологий, им накоплен богатейший опыт, признанный на мировом уровне. Творческий коллектив проекта включает большое количество ак-
тивно работающих молодых ученых, характеризуется устойчивостью традиций, преемственностью поколений в ходе подготовки научных кадров высокой квалификации. Разработаны не имеющие аналогов по своей эффективности новые материалы, предложены новые технологии производства термоэлектрических модулей. Разработана гамма промышленных образцов изделий широкого применения (термоэлектрические охладители воздуха и кондиционеры, термостаты, переносные и стационарные холодильники и др.), действующих на основе эффекта Пельтье.
Важным преимуществом проекта является то, что он целиком базируется на собственных разработках сотрудников коллектива. По данному направлению у сотрудников коллектива имеется более 80 научных публикаций, 10 авторских свидетельств и патентов на ряд технических решений и программное обеспечение. Результаты работ используются в учебном процессе в рамках лекционных курсов: «Высокоточные температурные технологии» и «Полупроводниковые преобразователи энергии», а также в производственной практике и дипломном проектировании по программе подготовки специалистов и магистров.
Разработанная в рамках проекта продукция была представлена в 2004 году на выставках: и VI Московский международный салон инноваций и инвестиций. 25-28 февраля 2004 г., Москва, ВВЦ.
и IX международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции (Hi-Tech)» в рамках «Недели высоких технологий» в Санкт-Петербурге. Диплом министра образования и науки РФ. 2004 г. и Всероссийский форум «Образовательная среда-2004» (Д. Ю. Барабанов, золотая медаль), 29 сентября - 2 октября 2004 г. и Международная выставка «High-Tech 2004» в г. Шень-Чжень (КНР). и Выставка «Москва — город науки», 15-20 ноября 2004 г.
