Теоретическая физика.

 

 

 

 

 

УДК 62-714.9

О. Г.  Даналакій. Аспірант

Національний технічний університет «Харківський

політехнічний інститут», Чернівецький факультет

( ЧФ НТУ»ХПІ»)  м. Харків, Україна

 

  Математическая модель устройства для охлаждения компьютер­ного процессора на основ каскадных ТЭМ

 

 

Актуальность темы. Функционирование современных высо­коэффективных электронных компонентов, составляющих основу компьютера, сопровождается значительным тепловы­де­ле­ни­ем. Эф­фективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы их работы. В первую очередь это относится к процессору, поскольку тепловыделения процессора настолько высоки, что могут негативно сказаться на его работоспособности.

Существующие в настоящее время устройства для отвода теп­лоты и термостатирования компьютерного процессора не всегда от­вечают указанному требованию.

Актуальность рассматриваемой в работе проблемы связана с не­обходимостью разработки и всестороннего исследования новых сис­тем для охлаждения и термостатирования процессора и термо­ста­би­лизации блока компьютера, в том числе с использованием полу­про­водниковых термоэлектрических модулей (ТЭМ), позво­ляющих увеличить эффективность обеспечения теплового режима процессора с учётом его высоких тепловых нагрузок.

Цель. Целью работы является повы­шение надёжности компьютерного процессора путём обеспечения необходимого температурного режима его работы за счёт использо­вания новых систем охлаждения, основанных на применении полу­проводниковых ТЭМ.

         Устройство основано на свойстве нагретых тел отводить некоторое количество теплоты за счет инфракрасного излучения. Известно, что ра­диатор обеспечивает отвод тепла от горячих спаев ТЭМ в основном посредством конвекции воздуха и в меньшей степени посредством инфра­красного излучения. Чем больше перепад температур, который обес­печивает ТЭМ, тем больше доля инфракрасного излучения в количестве теплоты, отводимого от нагретого радиатора. Существенно увеличить роль инфракрасного излучения можно, если для охлаждения процессора при­менить каскадный ТЭМ  [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Традиционная схема отвода тепла от процессора

 

       На рис.1 представлена схема охлаждения процессора компьютера с помощью n-каскадного ТЭМ. Последовательность температур спаев обозначим через T0, T1, ..., Ti, ..., Тn, а значения протекающих через них теплот – Q0, Q1, ..., Qi, ..., Qn соответственно. При этом предполагается, что выполняется условие стационарности процесса, согласно которому, коли­чество теплоты, выделяющееся на горячих спаях i-го каскада  Q1i, должно поглощаться на холодных спаях i + 1 каскада Q0 i + 1:

            Q1i = Q0 i + 1 = Qi, i = 1, 2, ..., n,                                                                                              (1)

      Предполагается, что все физические константы ТЭМ (термо-ЭДС, удельная теплопроводность, удельное сопротивление ветвей и т.п.) извест­ны, а техническими условиями определенным образом ограниченны ее размеры, масса и возможный расход материала .

        Расчет проводится в следующей последовательности. По формуле

                                     ,                                          (2)

где

                                              G = ,                                                       

 

                                   M =

 

k', r', k", r" – величины удельной теплопроводности и сопротивления поло­жительной и

 

 

 

 

 

отрицательной ветвей термопары соответственно; a – удельная термо-ЭДС; t = Тn / Т0; h = Qn / Q0; n – число каскадов.

Высота теплоотвода h вместе с определенной ранее величиной площади S задает габариты теплоотвода.

          Далее определяем площадь основания теплоотвода  S  по формуле

                                                              S = ms,                                                                                 (3)

где т – количество ТЭ в батарее;

s – площадь одного ТЭ,

что позволяет произвести разбивку базового ТЭМ на элементы.

          Разбивка эта неоднозначна, т.е. часто оказывается несущественным, выбрать ли большее число элементов m с меньшим поперечным сечением каждого из них, или же ограничиться небольшим их количеством, но, соответственно, увеличить величину поперечного сечения s. Однако этот вопрос должен решаться в тесной связи со способом электрического соединения элементов и величиной напряжения, подводимого к модулю от внешнего источника [2].

           Величины поперечного сечения каждой из ветвей пары, составляющей ТЭ:

                                                   ,                                                        (4)

                                                  .                                                       (5)

При этом сопротивление одного ТЭ i-го каскада

                                             ri = , i = 1, 2, ..., n,                                                  (6)

а сопротивление i-го каскада

                                                     Ri = rimi, i = 1, 2, ..., n,                                                          (7)

где mi – количество ТЭ в i-м каскаде.

      

Отдельные каскады каскадного ТЭМ в общем случае могут состоять из различного числа ТЭ.

       Поэтому для создания условий стационарного теплообмена, при котором количество тепла, выделяющегося на горячих спаях i-го каскада, поглощается на холодных спаях (i + 1)-го каскада [3, 4], сопротивления в соседних каскадах должны подчиняться соотношению:

                                                 .                                                      (8)

Напряжение, подаваемое на элементы различных каскадов

                                      Ui = , i = 1, 2, ..., n.                                            (9)

 

 

 

 

 

Соответственно, сила текущего через них электрического тока

                                                     Ii = , i = 1, 2, ..., n.                                                        (10)

Холодильный коэффициент каскадной ТЭБ:

                                                     K = .                                                        (11)

Величина потребляемой мощности:

                                                               W = .                                                                  (12)

       Развитая здесь схема расчета обеспечивает реализацию экстремального режима работы термоэлектрического теплоотвода, который при данных Т0 и Тn характеризуется максимально высоким холодильным коэффициентом.

       При работе ТЭМ в некоторых других режимах при сохранении тех же физических и конструктивных параметров (термо-ЭДС, удельной теплопро­водности, сопротивлении ветвей, площади, высоты каскадов и т. п.) расчет­ные формулы для вычисления падения напряжения на каскадах и проте­кающего электрического тока будут выглядеть следующим образом.

       Для режима максимальной холодопроизводительности:

– напряжение, подаваемое на элементы различных каскадов:

                                        UtMX = aTi, i = 1, 2, ..., n.                                                                         (13)

 

– протекающий электрический ток

                                           ItMX = , i = 1, 2, ..., n.                                              (14)

Для режима минимального тока:

– напряжение, подаваемое на элементы различных каскадов

                                        UtMT = a(Ti  + DTi), i = 1, 2, ..., n.                                           (15)

где DTi – перепад температуры между спаями; q = DT / DTmax – относитель­ный перепад температур;– протекающий электрический ток

                                 ItMT = , i = 1, 2, ..., n.                                    (16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.3.1 Принципиальная схема устройства для охлаждения процессора с применением каскадного ТЭМ

1   – системный блок компьютера

2   – радиатор

3   – каскадный ТЭМ

4   – процессор

 

                                               Выводы

        Расчёт термоэлектрического охладителя системного блока компьютера показал показал, что применение такой системы на практике должно обеспечить приемлемые значения температуры среды в системном блоке компьютера при оптимальных значениях тока и напряжения подаваемых на термоэлектрический охладитель системного блока.

 

 

Литература

 

1.  Кирпиченков В.И., Нагиев В.А. Петросян Э.А., Сергунин А.В., Черняев В.Н.

     Термоэлектрический метод охлаждения радиоэлектронных уст­ройств.

     – Электронная промышленность, 1974, №4. с.357.

2.  Гальперин В.Л. Экстремальная последовательность температур и экономичность

     каскадной термобатареи. - ФТП, 1976, т. 10, вып.8. с.59.

3.  Покорный Е.Г., Щербина А.Г. Расчет полупроводниковых охлаждающих устройств.

     Л.: Наука. 1996. с.83.

4. Калафти Д.Д., Попасов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности

    теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1986. с. 426.