Управление модулями Пельтье. Дальнейшие планы развития системы охлаждения

В видео про защиту материнской платы от конденсата вы уже видели, что я купил управляемый блок питания.

Собственно мой план — уйти от той схемы питания, что я делал в прошлых частях, когда использовалась последовательно параллельная схема подключения модулей, позволяющая от 12 вольтового источника питания получить по 6 Вольт на каждый модуль, попадая с одной стороны в довольно хороший диапазон снижения температуры, но при этом ещё оставаться довольно энергоэффективными. Не считая потребления вентиляторов и помп — система охлаждения может передавать от процессора столько же тепла, сколько и потребляют сами модули, что для Пельтье — довольно хороший результат.

В этой же части я подключаю все модули параллельно, но при этом меняю источник питания, на регулируемый.

Модернизация и обслуживание

В общем-то встала необходимость в перепейки старых соединений. Я долго думал — делать это внутри корпуса на весу или всё же вытащить модули наружу, перепаять всё и установить их обратно.

Убрав усилители жёсткости корпуса я обнаружил, что часть винтов водоблоков ослабли от вибраций, в том числе и транспортировочных когда я возил систему каналу прохайтек.

В общем — контакт с модулями у некоторых водоблоков был плохим, что объясняет потерю нескольких градусов температуры, полученную в прошлой части. И стало очевидно, что надо всё разбирать, протягивать винты и менять термопасту, так как она уже высохла и любые перемещения контактных поверхностей на сухой пасте недопустимы.

Особо подробно процесс обслуживания показывать сложно, так как вначале нужно было удалить термопасту с 24-х поверхностей, а потом нанести новую термопасту…

Но, естественно между демонтажём и монтажём модулей надо было ещё переподключить их. Для подключения модулей я воспользовался электробезопасными колодками для монтажных электрических шкафов.

Одна колодка это ноль — вторая — плюс.

Кроме того я решил проверить — все ли модули продолжают работать.

Ну и в общем — все работают.

Всё обслужено, термопаста поменяна, модули переподключены по параллельной схеме.

Блок питания для питания этого дела тоже уже куплен.

Рассчитан блок на киловатт.

К колодкам я протянул провода 10 квадратов. Но и 10 квадратов, кстати, на максимальной нагрузке всё равно прилично греются.

Да и кстати, колодки я закрепил на резьбу М3 нарезанную прямо в пластике колодок.

Что касается блока питания заявлено до киловатта ну или 12 Вольт и 83 Ампера. Регулировка при этом до 14,2 Вольт.

Максимум я нагрузку давал в 75 Ампер и 13 Вольт.

В общем — киловатт на постоянную работу давать ему не стоит, прилично греется. Но 700-800 Ватт 24/7 эта штука держать может.

Ну и главное что даёт такой блок питания — это возможность выставлять различные настройки питания модулей.

На низких напряжениях — увеличивается эффективность модулей, но падает дельта температур и предельное количество переносимого тепла. А на высоких напряжениях — увеличивается дельта температур между холодной и горячей частью, увеличивается предельное количество переносимого тепла, но падает эффективность работы.

Учитывая ещё и то, что тепла от модулей теперь станет больше я изменил и охлаждение.

Поменял два обычных вентилятора на два серверных вентилятора. Быстрых и шумных…, к сожалению.

Кроме того теперь блок измерения температур показывает не температуру холодного контура и температуру окружающего воздуха, а показывает температуры холодного и горячего контуров.

Сделал я это чтобы лучше понимать недостаток по отводу тепла из горячего контура, и так же оценивать получаемую дельту температур на модулях пельтье. Это мне нужно знать для будущих модернизаций системы.

Практические результаты системы на 6 модулях TEC1-12715

Ну и в целом была задача — получить данные по работе системы для того чтобы понимать как ей эффективнее управлять на следующем этапе переделки.

Я провёл замеры температур в диапазоне от 3-х до 13-ти вольт.

Ниже представлен график потребления модулями пельтье на разных напряжениях.

Потребляет она от 50 Ватт до практически киловатта.

При комнатной температуре 26,5 градусов и тепловом потоке около киловатта — теплоноситель горячего контура нагрелся только до 31 градуса, что не так уж и плохо.

А вот что касается разницы между холодным и горячим контуром — то есть самой эффективности работы модулей — то не удалось достичь даже 30 градусов.

На 13 Вольтах дельта между контурами составила — чуть больше 26,5 градусов. Модули вообще без тепловой нагрузки в реальных условиях дают разницу что-то типа 50 градусов между холодной и горячей частью. Учитывая кучу тепловых переходов, потери на плохую теплоизоляцию, тепловой поток от помп я ожидал потерять градусов 10 максимум, но никак не 25.

То есть ожидал увидеть не 26,5 градусов разницы, а где-то 35, а то и 40 градусов.

Ну и в общем-то очевидно, что нужна более качественная теплоизоляция системы, а так же, возможно — замена термопасты с дешёвой китайской, на нормальную, так как слоёв пасты у меня много и даже если на каждом теряется лишний градус — это складывается в приличную потерю.

Теплоизоляция

Ну и в общем-то — вооружившись пирометром я сразу же нашёл очень важную ошибку в своей конструкции.

У меня водоблоки прижаты к корпусу системы и мало того что сами корпуса водоблоков потребляют из окружения очень много тепла, так ещё и весь корпус имеющий приличную площадь — начинает набирать тепло из окружающего пространства.

По хорошему надо было бы опять всё разобрать и поставить между водоблоками и корпусом какие-то проставки, чтобы снизить площадь контакта, но опять всё разбирать я не хотел, так что решил сделать теплоизоляцию хотя бы с одной стороны корпуса.

К сожалению в нижней половине корпуса — разместить теплоизоляцию ничего не разбирая тоже сложно, хотя там это было бы сделать ещё важнее, так как в нижней половине проходят трубы горячего контура и неизбежно там чуть теплее воздух, чем окружающий и он даёт больший тепловой поток через корпус. так же неплохо было бы между корпусом и радиаторами сделать тепловую развязку.

Там хоть площадь контакта не большая, но радиаторы имеют сами по себе большую площадь и соприкасаются с огромным объёмом окружающего воздуха. В общем — проблема понятна. Устранять полностью её я не буду, так как эта конструкция временная и скоро она сильно обновится и в новых вариантах надо будет учесть допущенные ошибки первого варианта.

Но всё же с одной стороны я сделал теплоизоляцию. Из подходящих материалов осталось у меня два вот таких куска не очень качественного пенопласта, в добавок ещё и недостаточной длины.

Недостаток длины не очень критичный так что немного прикинув раскрой — удалось добрать 10 см.

Ну и всего я решил сделать два слоя пенопалста.

С верхним, правда, нужно было сделать минимальное количество резов чтобы конструкция была более прочной, так же я всю верхнюю часть оклеил скотчем, чтобы не вываливались крупинки пенопласта и не забивали радиаторы.

Нижний слой я оклеил только в местах соединения деталей.

Опять тесты

Ну и естественно я прогнал аналогичный тест вхолостую уже после теплоизоляции.

По термодатчику я получил прирост примерно два градуса к тесту до теплоизоляции.

Но так же напомню, что у измерителя температуры есть какие-то проблемы с нелинейностями на низких температурах. Допустим в балконном разгоне осенью у меня в холодном контуре было примерно -8, а термодатчик показывал -2.

Тут термодатчик показывал чуть меньше трёх градусов,

но на водоблоке под процессор по искристым бликам можно говорить о том, что росли не капли росы, а кристаллики льда.

На системе до теплоизоляции — минусовых температур не было, то есть был обычный конденсат, а не обледенение.

Если смотреть на показания термодатчика — то в итоге я получил дельту температур около 27,5 градусов. Если же исходить из образования инея и что было хотя бы -0,5 градуса — то получается дельта 31 градус, что всё равно ниже ожидаемой дельты хотя бы в 35 градусов.

В общем — надо улучшать теплоизоляцию и использовать более качественную термопасту.

Но так как впереди большие переделки — то в текущую модификацию я вкладывать столько времени не буду.

Замеры эффективности и температурных характеристик системы охлаждения

И мне сейчас важнее всего узнать реальные характеристики потребления системы и разработать алгоритм снижения энергопотребления в простое компьютера.

А для этого как раз нужно было разобраться с тем что даёт система при разных напряжениях.

на это ушло огромное количество времени, но в итоге я получил вот такие вот зависимости дельты температр системы от напряжения.

Кроме того я сделал эти характеристики для разных уровней тепловой нагрузки, которую создавал процессором.

Вначале собрал данные при тепловом потоке 50 Ватт, 100 Ватт и т.д.

Дальнейшие тренды можно оценить и по имеющимся зависимостям. Думаю всем и так понятно как система бы себя вела при нагрузке в 300, 350 и т.д. Ватт.

Ну и естественно имея массивы данных о системе начинается всяческая математическая магия в результате которой я получил уже аппроксимированные графики падения температуры от тепловой нагрузки при разных напряжениях питания системы.

Ну и это уже очень важные данные, которые помогут реализовать систему управления не коррекцией температуры, то есть, допустим, PID регулированием, а предотвращая изменение температуры за счёт мониторинга потребления процессора. То есть сливать данные о текущем TDP с компьютера на ардуину и формировать питание по сути без температурной обратной связи, что энергоэффективнее.

Практика работы

Ну и теперь я хочу рассказать про дальнейшие планы.

Но до них я немного покажу практики.

По сути — температур ниже осенних болконных+пельтье на 6 Вольт я не получил, так что по практике ничего нового.

Я смог получить относительно стабильными те же 5,6 ГГц. Напомню, что это i9 9900k не скальпированный, без стачивания кремния и т.д. В общем — в том виде как я его купил.

Только из-за того, что температуры на балконе+пельтье были чуть ниже — в этот раз напряжение было для 5,6 ГГц чуть выше, то есть порядка 1,59 Вольта против 1,55 Вольта на чуть меньших температурах осенью.

Ну и я ещё попытался получить 5,7 ГГц. Естественно в зачёт идёт честная загрузка с настройкой разгона из под биоса.

Понятное дело, что можно было бы поставить 5,7 из под винды, ничего не трогать и это бы работало. Но загрузится удалось только на 5,66 ГГц.

В общем — 5,7 на моём экземпляре процессора на все ядра на достигнутой температуре получить не удалось.

Что дальше?

Так вот — что я планирую дальше.

А дальше я планирую переходить на систему из двух каскадов снижения температуры.

Назовём их горячим и холодным.

Горячий должен снижать температуры от комнатных вниз, а холодный должен снижать температуры относительно горячего.

Но, горячий будет уже не на пельтье, так как каскады пельтье очень не эффективны. Это же касается и готовых бутербродов на пельтье, они потребляют в дестяки раз больше, чем могут отвести тепла.

Горячий каскад будет в виде фреонки, а холодный каскад в виде пельтье.

В чём заключается плюс данного исполнения?

Стоит сказать, что существуют каскады и из фреонок. То есть к одной фреонке подключают другую, но уже с иным хладагентом, который работает на более низких температурах. (пример постройки такого охладтеля можно найти на руоверах)

Но в этом есть сложности. Дело в том, что низкотемпературный каскад будет работать только в определённом диапазоне температур высокотемпературного каскада. То есть это не то что просто включаешь и всё работает. Нужно чтобы вначале на режим вышел один контур, затем вышел на режим второй контур.

Естественно оба контура будут совершенно разные. Разные компрессоры и разные давления в контурах, разные масла, разные хладогенты, разные конструктивные элементы и требования к ним.

Ну и в целом — если поискать фотографии двухкаскадных фреонок, то интернет выдаёт примерно вот такие вот штуковины что как бы в мои планы никак не вписывается.

Для понимания — у меня в системе на пельтье большая часть элементов — это радиаторы, а в двухкаскадной системе этих радиаторов не будет, так как тепло будет выводится одним большим радиатором на фрионном контуре.

А остальное можно свободно размещать разделяя на малые конструкции, заполняя свободное пространство между другими элементами системы.

Вдобавок — у пельтье нет механических частей. Не надо думать про совместимость масел или о том, что надо применять сложные механические элементы, которые будут выдерживать сильный минус.

Самим же пельтье сильный минус не страшен.

Испытание морозом текущей системы

Дабы это проверить на практике я вытащил систему пельтье на мороз.

Вообще были планы понять что сломается на холоде, чтобы это заменить на морозостойкие элементы. забегая вперед скажу, что ничего не сломалось.

На улице было около -20 градусов.

К сожалению замерить температуру холодного контура я не смог. Пока всё собирал и запускал выморозило телефон, которым я снимаю видео и выморозило пирометр. Измерял я температуру пирометром, который в силу принципов работы имеет одну и туже погрешность измерений на всём диапазоне измеряемых температур.

В общем удалось заснять только -41 градус в холодном контуре когда ещё система не успела выйти на наименьшие температуры, далее пирометр перестал работать и быстро он не отогревался.

К слову — про погрешности термодатчика холодного контура — он в итоге стал показывать к концу теста около +18 градусов.

Хотя в контуре было ниже -41, и вероятно где-то в районе -45 или даже чуть ниже. Пельтье стояли на питании 9 Вольт.

На удивление ПВХ трубки не ломались как стекло, понятное дело они неплохо так подзадубели, но в целом — их можно было даже немного двигать и сжимать.

Хотя я всё равно уже заказал с алиэкспресса силиконовые трубки взамен этих ПВХ трубок Система работала где-то около часа. Так же на удивление не возникло проблем с помпой. В общем — всё важное показало свою работоспособность в низких температурах.

И кроме того пропиленгликоль в концентрации около 65% с водой особо гуще не становился.

То есть жижа скорее всего свои заявленные -65 выдерживает, никаких намёков на закиселивание или образование кристалликов в растворе я не увидел. Хотя если дойдёт дело до -60, то придётся переходить на этанол. С этанолом там до замерзания будет ещё очень далеко. Если не найду где купить этанол куплю изопропанол. Изопропанол, правда только -90 держит, но, думаю, ниже у меня не выйдет даже без тепловой нагрузки, то есть в идеальных условиях. Правда спирты не имеют смазывающих свойств, как, гликоли, что ухудшит работу помпы.

В общем из всего что реально вызывало опасность или сломалось — это ножки из термоклея которые на морозе рассыпались и отвалились и провода блоков питания, которые полностью задубели и их можно было спокойно сломать.

Благо всё это в эксплуатации будет работать в условиях комнатной температуры. А то что будет холодным — выдержало морозы и никак не испортилось.

Ну и теперь переходим к тому что делать дальше.

Что будет дальше?

Дальше есть небольшие проблемы. Дело в том, что для того чтобы сделать низкотемпературный фреоновый контур надо иметь опыт в построении фреонок.

А у меня этого опыта, как вы наверное уже догадались — нет. Готовые чиллеры идут как правило с хладагентом R600a или R134a, и с контурами и компрессорами, которые работают очень эффективно, перенося примерно в три раза больше тепла, чем потребляет контур, но эти вещи не дают низких температур в силу физических характеристик хладагентов. Такие штуки можно купить в готовом виде, стоят они б/у или восстановленные совсем немного, что-то типа 15 тысяч рублей, они относительно компактны, в добавок там внутри много свободного места, хватит чтобы в эти габариты ещё добавить панель для установки материнской платы и разместить все компоненты от пельтье и потребляют такие штуки из розетки порядка 300-400 Ватт для хладопроизводительности, которая будет удовлетворительной для работы контура на пельтье.

В общем — если я не найду знающих в этом деле людей, то развитие системы будет из готового чиллера.

Однако — с другими хладогентами, на других давлениях и компрессорах с другими маслами естественно и ещё, к сожалению, с меньшей эффективностью фреонки могут одним контуром выдавать и -40 -50 градусов.

А если от -50 отнять ещё -30 от пельтье, то получается уже -80 градусов. В общем — совсем другое дело. Это уже температуры сухого льда (более того — беглый обзор рынка холодильных установок показал, что купить систему выдающую до -85 градусов Цельсия в камере стоит от 0,5 млн российских рублей, правда такие системы уже идут с бортовыми записывающими устройствами логириющими температуры, точными термодатчиками, индикаций при нарушении температурных режимов и стенками утеплённого корпуса под 150 мм и несколькими последовательными утеплёнными дверцами, тем не менее — отдельно морозящую установку, думаю, и найти сложно будет и купить не сильно дешевле, чем за те же 0,5 млн рублей).

Иными словами — это только кастом.

В текущий момент реализацией системы занялась компания «Мегахолод».

Если резюмировать — задача фреонки — охладить некий расширительный бак с теплоносителем и дальше у меня есть два варианта.

Первый — если эффективность работы фреонки останется большой, то есть не нужно будет ставить компрессор с мощностью более 700-800 Ватт, то к стенке расширительного бака надо будет прислонять модули горячей стороной. И модули будут отдавать тепло в расширительный бак фреонки.

Если же для низких температур эффективность будет слишком низкая, чтобы работать с большим количеством тепла от модулей Пельтье, то тогда я поменяю несколько модулей на один но мощный, который отправится напрямую к процессору и к процессору я буду гонять непосредственно теплоноситель из бака с теплоносителем от фреонки.

Количество тепла один модуль сможет от процессора забирать меньше, зато не будет таких потерь как в моём контуре и на низких нагрузках температуры ниже, а значит в лёгких бенчмарках на тех же напряжениях ядер — можно будет получить ниже частоты. Но, в тяжёлых бенчмарках, к сожалению, один модуль всё равно не будет справляться.

И в первом и во втором случае естественно фреонка не должна будет работать на постоянной тепловой нагрузке от модулей пельтье. То есть в режиме подготовки к работе модули будут на 2-3 Вольтах, поддерживая низкие температуры холодного контура, но не предельно низкие, зато выделяя минимум тепла.

В это время фреонка будет вымораживать теплоноситель, а потом перед тестами я буду переводить пельтье в мощный режим, а работать фреонка будет уже за счёт теплоёмкости теплоносителя какое-то время, типа минут 10, после чего опять модули пельтье выводить в режим малого потребления, либо вообще временно отключать, набирая холод, выводя тепло из бака с теплоносителем фреонки и так — по кругу пока происходит игра в оверклокинг.

Что в итоге получится — покажет время.