CC BY
23УДК 537.32
Термоэлектрические системы для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники
М.Ю.Штерн, Ю.И.Штерн, А.А.Шерченков Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Предложены варианты конструкторских решений термоэлектрических систем (ТЭС) с различной холодопроизводительностью, предназначенных для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники. Разработаны методики расчетов термоэлектрических блоков, подтвержденные результатами исследований изготовленных образцов ТЭС.
Ключевые слова: термоэлектрические системы охлаждения, термоэлектрические модули, вычислительная техника, тепловые режимы, температура, микропроцессорные системы управления.
Для эффективного использования изделий электронной техники необходимо обеспечение тепловых режимов электронных компонентов, что особенно важно для вычислительной техники, где производительность компьютеров в значительной мере зависит от температуры электронных компонентов. Значительный прогресс в области конструирования вычислительных систем с высокой производительностью требует обеспечения эффективного теплообмена для электронных компонентов, в связи с этим устройства охлаждения становятся необходимой и важной частью современных компьютеров. Необходимо отметить, что целесообразно решить вопрос не только с охлаждением электронных компонентов, но и всего компьютера или вычислительной системы в целом. Это особенно актуально для мощных компьютеров и станций. Однако использование подобных систем охлаждения связано с решением ряда сложных научно-технических проблем.
Термоэлектрические системы (ТЭС) охлаждения являются наиболее перспективными для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники [1]. Это определяется несколькими причинами. Во-первых, термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) имеют ряд преимуществ по сравнению с другими системами охлаждения и термостатирования [2]: высокая надежность, отсутствие движущихся частей, практически неограниченный ресурс работы, небольшие габариты и вес, возможность локального охлаждения, малая инерционность, бесшумность, независимость от ориентации в пространстве, возможность плавного и точного регулирования и статирования температуры. Во-вторых, интенсификация исследований в области термоэлектричества и достигнутые успехи в технологии ТОУ позволили создавать термоэлектрические модули (ТЭМ) с максимальной разностью температур до 74 К. В-третьих, высокая эколо-гичность и безопасность, несомненно, увеличивают конкурентоспособность ТЭС по сравнению с другими системами охлаждения.
В настоящей работе предложено несколько вариантов построения термоэлектрических систем для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники, в которых реализованы новые конструкторские и технологические решения [3, 4]. Локальные термоэлектрические устройства устанавливаются непосредственно на тепловыделяю-
© М.Ю.Штерн, Ю.И.Штерн, А.А.Шерченков, 2011
щий компонент компьютера, например процессор. Данные устройства предназначены для охлаждения электронных компонентов небольшой мощности. Автономные ТЭС имеют повышенную холодопроизводительность и предназначены для подготовки теплоносителя в отдельном термоэлектрическом блоке, в котором также находятся системы питания и управления ТЭС. Теплоноситель, циркулируя во внешнем контуре ТЭС, обеспечивает тепловой режим вычислительной техники.
Структурные схемы термоэлектрических систем. Локальные ТЭС. Рассмотрим структурные схемы различных конструкторских решений для локальных и автономных ТЭС. На рис.1,а представлена структурная схема локального термоэлектрического устройства, основной элемент которого - термоэлектрический модуль с воздушным теплообменником горячих спаев.
Рис.1. Структурная схема локального термоэлектрического устройства для охлаждения процессоров (а) и локальной ТЭС с жидкостно-воздушным охлаждением горячих спаев (б): 1 - процессор; 2 - теплопровод; 3 - ТЭМ; 4 - теплообменник горячих спаев ТЭМ; 5 - вентиляторы; 6 - датчики температуры; 7 - блок измерения температуры и управления ТЭМ; 8 - источник постоянного тока; 9 - помпа; 10 - жидкостно-воздушный теплообменник
На процессоре 1 устанавливается ТЭМ 3 через теплопровод 2. Горячие спаи ТЭМ охлаждаются теплообменником 4 со встроенным вентилятором 5. Для определения температуры процессора и холодного спая ТЭМ используются датчики 6, подключенные к блоку измерения температуры и управления ТЭМ 7. Питание ТЭМ осуществляется от источника постоянного тока 8 через блок управления. Роль источника питания может выполнять блок питания компьютера. Данная конструкция термоэлектрического устройства эффективно отводит тепло от активных электронных компонентов компьютера.
Недостаток локальных термоэлектрических устройств заключаются в том, что тепло, отводимое от процессора, рассеивается внутри системного блока, нагревая тем самым остальные компоненты компьютера. Это требует увеличения производительности для устройств теплообмена системного блока. Увеличить эффективность локальных ТЭС и реализовать отвод тепла вне системного блока позволяет конструкция, представленная на рис. 1,б.
При использовании ТОУ с высокой холодопроизводительностью, а также каскадных термоэлектрических устройств возможно получение низких температур, что актуально для «разгона» процессоров (увеличения их производительности).
Охлаждение горячих спаев ТЭМ осуществляется жидкостным теплообменником 4, в котором с помощью помпы 9 циркулирует теплоноситель, подготовленный в жидко-стно-воздушном теплообменнике 10. Этот теплообменник вместе с встроенными вентиляторами 5 устанавливается на корпусе системного блока компьютера таким образом, что горячий воздух, прошедший по теплообменнику 10, выбрасывается через вентиляционные отверстия в окружающую среду. Преимуществами локальных ТЭС является малая инерционность, так как ТЭМ своими холодными спаями устанавливаются непосредственно на тепловыделяющих компонентах компьютера.
Для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники с высокой производительностью и, соответственно, с повышенными тепловыделениями требуется увеличение холодопроизводительности, а значит и мощности ТЭС. В этом случае целесообразно охлаждение тепловыделяющих компонентов или рабочего объема вычислительной системы в целом осуществлять с помощью жидкостного теплоносителя, подготовленного ТЭС. Для этих целей разработаны автономные термоэлектрические системы, изготовлены макеты и проведено исследование. Основные элементы конструкции таких ТЭС, обеспечивающие подготовку теплоносителя, размещаются в отдельном корпусе, где устанавливаются также источник питания и микропроцессорная система управления ТЭС. Положительный эффект такого конструктивного решения в том, что отводимая тепловая энергия выделяется вне корпуса компьютера.
Автономные ТЭС. Варианты конструкций автономных ТЭС представлены на рис.2 и 3. На рис.2,а представлена схема однокаскадной автономной ТЭС, которая может быть использована для охлаждения нескольких электронных компонентов компьютера, например процессоров. В корпусе системного блока I компьютера на тепловыделяющих электронных компонентах устанавливаются жидкостные теплообменники 10, по которым циркулирует с помощью помпы 9 теплоноситель, подготовленный в автономной ТЭС, расположенной в отдельном корпусе II. Охлаждение теплоносителя происходит в теплообменнике 11 термоэлектрическими модулями 3. Теплоотвод с горячих спаев ТЭМ осуществляется теплообменником 4 со встроенным вентилятором 5. В корпусе ТЭС устанавливаются также микропроцессорная система управления 7 и источник питания 8.
Рис.2. Структурные схемы автономных ТЭС: а - однокаскадной; б - двухкаскадной (1 - электронные компоненты компьютера; 2 - теплопровод; 3 - ТЭМ; 4 - теплообменники горячих спаев; 5 - вентилятор; 6 - датчик температуры; 7 - микропроцессорная система управления; 8 - источник питания; 9 - помпа; 10 - жидкостные теплообменники; 11 - теплообменник холодных спаев ТЭМ; I - корпус системного блока; II - корпус автономного
блока ТЭС)
Для снижения инерционности и увеличения эффективности охлаждения электронных компонентов компьютера разработана конструкция ТЭС, структурная схема которой представлена на рис.2,б. Термоэлектрические модули 3 через теплопровод 2 устанавливаются непосредственно на электронные компоненты 1 компьютера.
ТЭС с высокой холодопроизводительно-стью. Моделирование процессов теплообмена в термоэлектрических системах охлаждения и стабилизации температуры, подтвержденное практическими исследованиями, показало, что эффективность и, следовательно, холодопроиз-водительность ТЭС при известных предельных характеристиках термоэлектрических модулей во многом определяются производительностью системы теплообмена на горячих спаях термоэлектрических устройств. В связи с этим разработан ряд конструкторских решений ТЭС с высокой холодопроизводительностью с жидкостно-воздушным охлаждением горячих спаев. Общую концепцию построения таких систем можно рассмотреть на примере конструктивного решения ТЭС (рис.3).
В составе ТЭС предусмотрены два контура подготовки теплоносителя. В первом контуре с помощью помпы 8 циркулирует теплоноситель, охлаждаемый в теплообменнике 10, и обеспечивающий теплоотвод от активных электронных блоков или поддержание заданного температурного режима в рабочем объеме, где расположены электронные приборы, посредством теплообменников 9. Во втором контуре с помощью помпы 11 через теплообменники 3 и 12 циркулирует теплоноситель, предназначенный для охлаждения горячих спаев ТЭМ. Термоэлектрический блок, используемый для подготовки теплоносителя, состоит из одного жидкостного теплообменника холодных спаев термоэлектрических модулей 10 и двух теплообменников горячих спаев 3. На холодном теплообменнике с двух сторон устанавливаются термоэлектрические модули 2. Такая термоэлектрическая система реализована при создании автоматизированной установки обеспечения тепловых режимов электронного оборудования, в том числе высокопроизводительных вычислительных систем. Регулирование температуры электронного оборудования достигается путем прокачки охлажденного с помощью термоэлектрического устройства жидкостного теплоносителя через систему жидкост-но-воздушных теплообменников, установленных в рабочем объеме, где расположены электронные блоки. Температура теплоносителя задается с помощью микропроцессорного блока (МБ) с дискретностью 0,5 °С в интервале от +4 до +20 °С и индицируется на дисплее МБ с дискретностью 0,1 °С. Стабилизация заданной температуры осуществляется с точностью ±0,3 °С. Холодопроизводительность установки составляет не менее 650 Вт. Структурная схема установки представлена на рис.4.
В конструкции термоэлектрической установки предусмотрено четыре контура. Первый контур - «холодного теплоносителя» предназначен для подготовки и циркуляции теплоносителя с заданной температурой в системе термоэлектрическое охлаждаю-
Рис.3. Структурная схема автономной ТЭС с высокой холодопроизводительностью (1 - электронные компоненты компьютера; 2 - ТЭМ; 3 - жидкостные теплообменники горячих спаев; 4 - вентиляторы; 5 - датчики температуры; 6 - микропроцессорная система управления; 7 - блок питания; 8, 11 -помпы; 9 - теплообменники электронных компонент; 10 - теплообменники подготовки теплоносителя; 12 - жидкостно-воздушный теплообменник горячих спаев
щее устройство - жидкостно-воздушный теплообменник электронного оборудования.
Рис.4. Структурная схема термоэлектрической установки
Второй контур - «горячего теплоносителя» предназначен для охлаждения горячих спаев ТЭМ. В этом контуре теплоноситель циркулирует между теплообменниками горячих спаев ТЭМ и жидкостно-воздушными теплообменниками, с помощью которых тепло, выделяемое на горячих спаях ТЭМ, рассеивается в окружающую среду. Третий контур «избыточного давления» предназначен для регулирования давления теплоносителя в первом и во втором контурах от нормального до 3 атм. Четвертый контур предназначен для удаления теплоносителя из системы.
Используемое в рассмотренной установке термоэлектрическое устройство состоит из трех термоэлектрических блоков. В конструкцию каждого блока входят жидкостные теплообменники: один теплообменник холодных спаев ТЭМ и два теплообменника горячих спаев ТЭМ. На теплообменник холодных спаев с двух сторон, т.е. на каждую рабочую поверхность, устанавливается по 10 термоэлектрических герметизированных модулей [3], электрически соединенных между собой последовательно. Таким образом, каждый термоэлектрический блок состоит из 20 модулей, питание которых осуществляется от двух источников постоянного тока. Для питания термоэлектрических модулей разработаны регулируемые импульсные источники постоянного напряжения. Термоэлектрическая установка функционирует в автоматическом режиме, ее управление осуществляется с помощью разработанного для этих целей микропроцессорного блока [5] , оснащенного соответствующим программным обеспечением [6].
Расчет термоэлектрического устройства. С учетом технических требований выбирается экстремальный режим функционирования установки с точки зрения работы термоэлектрического блока. Другие режимы работы устанавливаются с помощью микропроцессорного блока управления за счет программного регулирования значения на-
пряжения, подаваемого на термоэлектрические модули. При расчете термоэлектрического блока предусмотрена возможность снижения температуры теплоносителя до +2 °С. Технические параметры, используемые для расчета:
- минимальная температура теплоносителя (жидкости) Тж = +2 °С;
- максимальная заданная холодопроизводительность (активная тепловая нагрузка) бз = 650 Вт;
- температура окружающей среды Токр = 20 °С.
Дополнительные величины, необходимые для расчета: максимально допустимая температура горячих спаев Тг = +40 °С; температура холодных спаев Тх = -2 °С с учетом тепловых потерь между теплоносителем и холодными спаями ТЭМ для обеспечения Тж = +2 °С.
Тепло, отводимое теплоносителем с помощью термоэлектрического устройства (холодопроизводительность ТОУ), определяется следующим образом:
бо = бз + бн + бп = 680 Вт.
Здесь бн - тепловые натекания из окружающей среды (в основном через теплоизоляцию трубопровода); бп = 12 Вт - тепло, сообщаемое теплоносителю циркуляционным насосом (помпой); бн =$ ЛТн Х/И = 18 Вт, где $ = 0,4 м - площадь поверхности трубопровода (при суммарной длине трубопровода 6 м); ЛТн = 18 °С - разность температуры между теплоносителем и окружающим воздухом; X = 0,05 Вт/мК - удельная теплопроводность теплоизоляции трубопровода; И = 0,02 м - толщина теплоизоляции.
В конструкции ТОУ использованы термоэлектрические модули ТЭМ 1,4-1,5/127 с параметрами: 1тах = 6,0 А - максимальный ток; /ном = 4,8 А - номинальный ток; Ц/щах = 15,4 В - максимальное напряжение; ином = 12,9 В - номинальное напряжение; бтах = 51,4 Вт - максимальная холодопроизводительность.
Номинальный режим работы термоэлектрической установки. Учитывая следующие электрические параметры ТЭМ: /ном = 4,8 А; ином = 12,9 В и разность температур на спаях модуля ЛТ = Тг - Тх = 42 °С, из нагрузочных характеристик модуля определяем его холодопроизводительность при ЛТ = 42 °С. В результате получаем бмод = 19,5 Вт. Количество модулей, необходимых для отвода указанного теплового потока: Ымод = б0/бмод = 35. Электрическая мощность, потребляемая ТОУ, будет равна:
Рпотр = -^ном^ном^мод = 2167 Вт.
На горячих спаях термоэлектрических модулей выделяется тепло Рг = Рпотр + б0 = = 2847 Вт. Эта мощность должна быть рассеяна жидкостно-воздушными теплообменниками контура горячего теплоносителя. Холодильный коэффициент ТОУ в этом случае будет равен: в = б0/Рпотр = 0,314.
Экономичный режим работы термоэлектрической установки. В этом режиме 1э = 3 А; иэ = 9 В; ЛТ = Тг - Тх = 42 °С - разность температур на спаях модуля. Холодопроизводительность при заданной разности температур составляет бмод = 11,3 Вт. Количество модулей в ТОУ Ымод = б0/бмод = 60.
Электрическая мощность, потребляемая ТОУ, равна: Рпотр = /эиэ#мод = 1620 Вт.
На горячих спаях термоэлектрических модулей будет выделяться тепло Рг = Рпотр + + б0 = 2300 Вт. В этом случае холодильный коэффициент ТОУ в = б0/Рпотр = 0,42.
Сравнивая эти режимы, можно отметить, что с учетом холодильного коэффициента второй режим предпочтительнее, поэтому он реализован в представленной конструкции термоэлектрической установки.
Рис.5. Зависимости разности температур процессора и окружающей среды от мощности, выделяемой процессором: 1 - штатный кулер; 2,3 - локальная термоэлектрическая система для БС-РвЛ-процессов при напряжении питания 5 и 12 В соответственно; 4,5 - локальная термоэлектрическая система для 81оИ-процессов при напряжении питания 5 и 12 В соответственно
Исследования разработанных ТЭС.
Исследования проводились на измерительном комплексе [7]. Результаты исследований локальных макетов ТЭС (см. рис.1) представлены на рис.5. Полученные данные рассмотрены в сравнении с температурой процессора, на котором установлен штатный кулер. Тепло, выделяемое процессором, имитировалось с помощью планарного ре-зистивного нагревателя. Проводились измерения зависимости разницы температуры АТ имитатора процессора и температуры окружающей среды от мощности процессора. Полученные данные для технологии РС-РвЛ-процессоров оказались несколько ниже, чем для Slot1, что объясняется различными конструктивными особенностями и условиями теплообмена. Результаты исследований показывают, что при использовании термоэлектрических устройств температура процессора мощностью до 40 Вт увеличивается в процессе работы не более чем на 25-35 °С относительно температуры окружающей среды. При мощностях процессоров до 25 Вт их температура может быть ниже температуры окружающей среды. Поэтому на графиках для таких случаев АТ показаны со знаком «минус».
Таким образом, локальные термоэлектрические системы обеспечивают более эффективное охлаждение, чем традиционно используемые воздушные кулеры.
На рис.6 представлены диаграммы выхода на режим автономной ТЭС, структурная схема которой представлена на рис.2,а. Исследования проводились при мощности имитатора процессора от 60 до 100 Вт. Результаты исследований показали, что при тепловой нагрузке 60 Вт на термоэлектрическом блоке возможно поддерживать минимальную температуру процессора на уровне -15 °С. При нагрузке 83 Вт минимальная температура процессора 13 °С. При 100 Вт температура процессора не превышает температуры окружающей среды.
Проведенные исследования показали эффективность применения термоэлектрических систем для охлаждения и стабилизации температуры электронных компонентов компьютеров, в том числе возможность снижения температуры процессоров ниже температуры окружающей среды.
На рис.7 представлены результаты исследований термоэлектрической установки с высокой холодопроизводительностью, структурная схема которой представлена на рис.4. Исследования проводились следующим образом. Жидкостно-воздушный теплообменник, через который прокачивался подготовленный в термоэлектрическом блоке
теплоноситель, размещался в теплоизолированном рабочем объеме, равном 0,2 м3. Заданная температура теплоносителя составляла 7 °С. Испытания проводились при следующих значениях мощности активной нагрузки, имитирующей работу электронного оборудования и размещенной в рабочем объеме: 200, 600 и 700 Вт.
Проведенные исследования показали, что максимальная холодопроизводитель-ность ТОУ при минимальных температурах теплоносителя (4 - 7 °С) превышает 700 Вт. Время выхода термоэлектрической установки на заданный температурный режим составляет при 200 Вт - 16 мин, при 600 Вт -22 мин, при 700 Вт - 26 мин.
Таким образом, предложенные в данной работе и реализованные на практике различные конструкторские решения ТЭС, подтвержденные расчетами и использующие новые элементы конструкции и технологию ТЭМ, показали эффективность их применения для обеспечения тепловых режимов вычислительной техники. Созданы ТЭС с высокой холодопроизводительностью, позволяющие осуществлять эффективный теплообмен в высокопроизводительных вычислительных системах.
Литература
1. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Тарасов Р.Ю., Барабанов Д.Ю. Перспективы развития низкотемпературного термоэлектрического приборостроения // Изв. вузов. Электроника. - 2005. - № 4-5. -С. 179-184.
2. Термоэлектрическое охлаждение: текст лекций /Л.П.Булат, М.В.Ведерников, А.П.Вялов и др. / Под ред. Л.П.Булата. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. - 147 с.
3. Патент РФ № 2364803, МПК Б 25 В 21/02. - 2009 / Ю.И.Штерн, Я.С.Кожевников, МД.Никаноров, Е.А.Крикун, М.Ю.Штерн. Термоэлектрический модуль.
4. Патент РФ № 2358357, МПК Н 01 L 35/28. - 2009 / Ю.И.Штерн, Я.С.Кожевников, Д.А.Боженарь, М.Ю.Штерн. Термоэлектрическое устройство
5. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием / Ю.И.Штерн, Я.С.Кожевников, В.М.Рыков и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - № 2 (82) - С. 52-59.
6. Универсальная программа для многоканальных средств измерения температуры / Ю.И.Штерн, Я.С.Кожевников, В.М.Рыков и др. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 21610849, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19.01.11
7. Штерн Ю.И., Кожевников Я.С., Штерн М.Ю., Шерченков А.А. Методика и измерительный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических преобразователей энергии // Межвузовский сборник. - М.: МИЭТ, 2009. - С. 169-180.
Статья поступила 25 апреля 2011 г.
Рис. 7. Диаграмма выхода термоэлектрической установки на заданный температурный режим: Гь Т2 и Т3 - температуры теплообменников горячих спаев ТЭМ при нагрузках 700, 600, 200 Вт соответственно
Штерн Максим Юрьевич - инженер, младший научный сотрудник кафедры материаловедения и физической химии (МФХ) МИЭТ. Область научных интересов: высокоточные температурные технологии, полупроводниковые преобразователи энергии, энергосберегающие технологии. E-mail: M.Y.Shtern@gmail.com
Штерн Юрий Исаакович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры МФХ МИЭТ, руководитель Центра коллективного пользования «Электронные приборы и оборудование» МИЭТ. Область научных интересов: высокоточные температурные технологии, полупроводниковые преобразователи энергии, энергосберегающие технологии.
Шерченков Алексей Анатольевич - доктор технических наук, профессор кафедры МФХ МИЭТ. Область научных интересов: полупроводниковые преобразователи энергии, высокоточные температурные технологии, энергосберегающие технологии.
