Philip Yu. Takhistov
Foundation “FRETE”, St-Petersburg, Russia

Abstract
В последнее время термоэлектрические модули (TEM) стали широко использоваться для охлаждения различной электронной техники, в том числе компьютерных процессоров. Применение модулей позволяет получить дополнительное снижение температуры охлаждаемого объекта. Эффективность системы охлаждения компьютерных процессоров с термоэлектрическими модулями зависит от различных факторов – мощности процессора, типа модуля, теплового сопротивления cooler’a, параметров источника питания, конструктивных особенностей и т. д. В статье даются рекомендации по выбору и применению термоэлектрических модулей для охлаждения процессоров с учетом указанных факторов.

Designations

e	:Seebeck coefficient	[V/K]
r	:electrical resistivity coefficient	[ohm× m]
l	:thermal conductivity coefficient	[W/(m× K)]
Z	: thermoelectric figure of merit (=e2/ r× l)	[1/K]
I	: current	[А]
U	: voltage	[V]
P	: power consumption (=U× I)	[W]
N	: pellet pair number	[–]
h	: length of the pellet	[m]
a	: side of the pellet cross section	[m]
g	: geometrical factor (=h/a2)	[m–1]
Tс	: cold junction temperature	[K]
Th	: hot junction temperature	[K]
Ta	: ambient temperature	[K]
Tob	: object temperature	[K]
Q	: heat released by object=cooling capacity of thermoelectric module	[W]

Introduction
Возможность использования термоэлектрических модулей в качестве интенсификаторов теплообмена была известна давно. Тем не менее, использование модулей в этом режиме не нашло широкого распространения. В наши дни, учитывая быстрый рост электроники и увеличение требований к системам ее охлаждения, наблюдается повышенный интерес к термоэлектрическим модулям во всем мире. Прежде всего, имеется ввиду использование модулей для охлаждения и разгона компьютерных процессоров. Ведущие мировые компании предлагают множество различных типов TEM. Для того чтобы помочь разработчику термоэлектрической системы охлаждения, были проведены расчеты по определению оптимального типа модуля и степени охлаждения (на базе модулей производства компании Криотерм).

Theory
Обычная термоэлектрическая система охлаждения состоит из тепловыделяющего объекта (процессора), TEM, и cooler ’а (радиатора с вентилятором). Для эффективной передачи теплоты от процессора к модулю (стандартные размеры 10mm∙10mm и 40mm∙40mm соответственно) между ними может помещаться теплопроводящая пластина из меди. Тепловая модель описывается следующей системой уравнений теплового баланса (1)-(4):

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)

В данной системе неизвестными являются величины T _c, T_h, T_ob, I.
Задача оптимизации охлаждения заключается в нахождении такого типа модуля, который обеспечивают минимальное значение температуры процессора T_ob. Модуль характеризуется, прежде всего, значениями числа ветвей N и геометрического фактора g , а также термоэлектрическими свойствами e, r, l. В таблице 1 представлены параметры N и g для некоторых типов модулей.

Таблица 1.

Module	N	g, m-1
TB-127-1.4-2.5	127	1276
FROST-74		765
ICE-71		587
DRIFT-1.5	199	765
DRIFT-1.2		612
DRIFT-1.15		587
DRIFT-1.05		536
DRIFT-0.8		408

По программе KryoTESC (ThermoElectric System Calculation) на базе термоэлектрических модулей производства компании “Криотерм” были проведены расчеты по определению оптимальных модулей [1]. Основные результаты приведены в табл. 2 и на рис. 1.

Расчеты проводились при следующих постоянных параметрах:

• температура среды T_a=25 °C;

• напряжение питания U=12 В (в компьютере также присутствует напряжение 5 В, однако для стандартных мощностей тепловыделений оно не является оптимальным);

Выбор оптимального модуля для охлаждения процессора зависит в первую очередь от мощности тепловыделений процессора P и от теплового сопротивления cooler’а R _h, поэтому эти параметры брались в определенном диапазоне:

• мощность тепловыделений процессора варьировалась от 10 до 50 Вт (например, номинальная мощность процессора Intel Pentium III/800MГц/SECC2 составляет 23.5 Вт [2]);

• тепловое сопротивление cooler’а бралось равным 0.3, 0.6, 0.9 К/Вт (приемлемое значение – не выше 0.6, что соответствует cooler’у марки DU04462-3inner размерами 70mm× 70mm× 70mm). С учетом сопротивления пасты и керамики тепловое сопротивление горячей стороны R_h составило соответственно 0.4, 0.7, 1 К/Вт.

Tw/outTEM=Ta+Rh·P

(7)

и выигрыш по температуре при применении модуля:

На рис. 1 приведена зависимость выигрыша в температуре DT от параметров N и g при Rh=0.4 К/ Вт и Q =20 Вт.

Таблица 2.

Q (W)	Rh (K/W)	Оптимальный модуль	Tob (°C)	Tw/outTEM (°C)	DT (°C)	I (A)	P (W)	COP
10	0.4	FROST-74	-12.1	29.0	+41.1	4.3	51	.20
	0.7		0.9	32.0	+31.1	4.1	40	.20
	1	TB-127-1.4-2.5	9.2	35.0	+25.8	2.6	32	.32
15	0.4	FROST-74	-4.3	31	+35.3	4.4	53	.29
	0.7		10.0	35.5	+25.5	4.3	51	.29
	1	TB-127-1.4-2.5	23.1	40	+16.9	2.8	33	.45
20	0.4	FROST-74	3.3	33.0	+29.7	4.5	54	.37
	0.7		19.0	39.0	+20.0	4.4	52	.38
	1		34.2	45.0	+10.8	4.2	51	.39
25	0.4	FROST-74	11.0	35.0	+24.0	4.6	56	.45
	0.7		27.9	42.5	+14.6	4.5	54	.47
	1	DRIFT-1.5	43.7	50.0	+6.3	2.7	33	.76
30	0.4	DRIFT-1.05	19.4	37.0	+17.6	4.0	48	.63
	0.7	DRIFT-1.5	36.8	46.0	+9.2	2.9	34	.87
	1		52.3	55.0	+2.7	2.8	34	.90
35	0.4	DRIFT-1.05	24.3	39.0	+14.7	4.0	49	.72
	0.7	DRIFT-1.5	44.0	49.5	+5.5	2.9	35	.99
	1		60.9	60.0	-0.9	2.9	34	1.02
40	0.4	DRIFT-0.8	28.8	41.0	+12.2	5.2	62	.65
	0.7	DRIFT-1.2	50.5	53.0	+2.5	3.6	43	.93
	1	DRIFT-1.5	69.4	65.0	-4.4	2.9	35	1.14
45	0.4	DRIFT-0.8	33.0	43.0	+10.0	5.2	63	.72
	0.7	DRIFT-1.15	56.9	56.5	-0.3	3.8	45	.99
	1	DRIFT-1.5	77.9	70.0	-7.9	3.0	36	1.26
50	0.4	DRIFT-0.8	37.3	45.0	+7.7	5.3	64	.79
	0.7	DRIFT-1.05	63.1	60.0	-3.1	4.1	49	1.01
	1	DRIFT-1.5	86.3	75.0	-11.3	3.0	36	1.37

Рис. 1. Зависимость величины DT ( К) от параметров N и g .

1. При стандартных значениях мощности тепловыделений процессора и теплового сопротивления cooler’a применение термоэлектрических модулей позволяет заметно, на 10-20 °С, понизить температуру процессора.
2. Для охлаждения горячей стороны модулей необходимо, по возможности, использовать cooler’ы с минимальным тепловым сопротивлением.
3. При выборе термоэлектрического модуля необходимо ориентироваться на использование достаточно мощных модулей, которые имеют стандартное напряжение питание большее или равное имеющему напряжению в компьютере. При охлаждении процессоров с мощностью тепловыделений до 20-25 Вт следует выбирать стандартные модули с числом пар ветвей N =127 и максимальным током I_max=6 A (FROST или его аналоги); при больших мощностях – на модули с числом пар ветвей N=199 (DRIFTы или аналогичные модули).
4. Для режима интенсификации теплоотдачи применительно к охлаждению компьютерных процессоров характерны более высокие значения холодильного коэффициента, чем для обычных термоэлектрических систем.

Acknowledgments
Автор выражает благодарность компании Криотерм за предоставление компьютерной программы KryoTESC и ценные консультации при подготовке статьи.

References

1. Baukin V., Takhistov Ph. et al. “Engineering methods of stationary regimes calculations of thermoelectric cooling systems”, Saint-Petersburg, 2001 (in Russian).
2. Rudometov V., Rudometov E., “PC: tunning, optimization, overlocking”, Saint-Petersburg, 2000 (in Russian).