СПОСОБ И СИСТЕМА КОНТРОЛИРУЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТА ПЕЛЬТЬЕ
METHOD AND SYSTEM OF CONTROLLED COOLING BASED ON PELTIER ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно, к способам и системам охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности центральных процессоров, видеокарт и других элементов с высоким тепловыделением.
Уровень техники
Текущие системы контроля и стабилизации температуры основаны на детектировании изменений температуры охлаждаемого тела (PID, например) и дальнейшей реакцией системы на перегрев. При своей простоте такой подход не может предугадывать динамики поведения системы, а может лишь реагировать на изменения. Эта проблема становится актуальной в случае, если требуется поддерживать температуру устройства, испытывающего резкие скачки тепловыделения. В таких случаях охладительная система не успевает обеспечить необходимый отток тепла, что приводит к перегревам. Более того, в охладителях, использующих набегающий на радиатор поток охлаждающего вещества, отводимый поток тепла ограничен разностью температур радиатора и набегающего потока, из-за чего система контроля не способна эффективно отводить тепло, пока не произойдет значительного разогрева.
Перегрев полупроводниковых вычислительных устройств, таких как центральный процессор или видеокарта, во время интенсивной работы напрямую влияет на их производительность. Рассмотрим ситуацию, когда на процессор приходит запрос на выполнение сложной вычислительной задачи. Процессор повышает свое энергопотребление, а, следовательно, и энерговыделение, и его температура начинает расти. Из-за описанных выше проблем система охлаждения, состоящая из радиатора, обдуваемого как правило воздушным потоком, не успевает эффективно отвести тепло, что в худшем случае приводит к достижению процессором критической температуры и включению защиты от перегрева, снижающей производительность и приводящей к зависанию процесса. Только после охлаждения системы возобновляется максимальная производительность процессора.
Еще одной системой, имеющей сходные проблемы, являются всевозможные нагревательные плитки (используются в химии и фабрикации образцов в самых разных областях). Такая система требует заранее заданного, иногда быстрого изменения температуры, не допускающего значительных колебаний. Обычные плитки для достижения стабильности используют плавное увеличение мощности с обратной связью по температуре. При такой системе контроля для достижения большей стабильности температуры приходится замедлять процесс её изменения, что является ограничивающим фактором подобных устройств.
Из уровня техники известна система охлаждения, описанная в документе KR20110066577A, 17.06.2011. Данная система предназначена для охлаждения центрального процессора с использованием элемента Пельтье, который работает, когда нагревательный элемент поглощает или выделяет тепло. Система состоит из двух теплоотводящих частей радиатора пассивного средства теплоотвода, термически соединенных между собой каналом для текучей среды. Первая нижняя часть радиатора расположена непосредственно на центральный процессор, а вторая на элементе Пельтье. Элемент Пельтье установлен, по сути, внутри радиатора, между двумя его частями.
Недостатком этого решения, является сложность конструкции, высокая масса и большие габариты, невозможность обнаружения колебаний мощности нагревательного элемента до начала его нагревания, низкая скорость реакции на перегрев и низкая эффективность охлаждения.
Раскрытие изобретения
Техническая задача заключается в создании способа и системы, позволяющих сгладить скачки температуры посредством анализа выделяемой мощности устройства, а не только температуры, обнаруживая колебания мощности процессора и реагируя еще до того, как он начал нагреваться, обеспечивая увеличение скорости реакции на перегрев, более эффективное охлаждение и поддержание стабильной температуры.
Технический результат заключается в сглаживании скачков температуры посредством обнаружения колебаний мощности нагревательного элемента до начала его нагревания, что обеспечивает увеличение скорости реакции на перегрев и более эффективное охлаждение с поддержанием стабильной температуры системы, упрощение конструкции системы, упрощение ее сборки и обслуживания.
Технический результат достигается за счет того, что способ контролируемого охлаждения нагревательных элементов включает контроль температуры нагревательного элемента и задействование термоэлектрического элемента Пельтье вместе с пассивным средством теплоотвода для отведения тепла, производимого нагревательным элементом, причем способ содержит следующие этапы:
определяют и контролируют температуру нагревательного элемента по его мощности, путем получения информации о значении ожидаемой мощности нагревательного элемента и о последующем ожидаемом увеличении его температуры выше критической;
включают термоэлектрический элемент Пельтье и корректируют его хладопроизводительность при получении информации об ожидаемом увеличении выделяемой мощности нагревательного элемента;
отводят суммарное тепло, производимое нагревательным элементом и термоэлектрическим элементом Пельтье при помощи пассивного средства теплоотвода;
корректируют мощность элемента Пельтье по реальной температуре нагревательного элемента;
снижают мощность термоэлектрического элемента Пельтье до значения с наибольшим полезным действием, постепенно перекладывая охлаждение на пассивные средства теплоотвода. При этом возможен медленный рост температуры, если точка термического равновесия находится выше точки включения элемента Пельтье.
Кроме того, предварительно определяют зависимость температуры нагревательного элемента от его выделяемой мощности.
Кроме того, при предварительном определении зависимости температуры нагревательного элемента от его выделяемой мощности дополнительно учитывают температуру внешнего окружения и конфигурацию устройства, т.е. для каждой сборки устройства производится индивидуальная калибровка. (имеется в виду разные компоненты, термопаста, индивидуальные особенности геометрии, влияющий на теплоотвод, поэтому калибровка не может производиться универсально для любой сборки).
Кроме того, при отсутствии информации об ожидаемом увеличении температуры нагревательного элемента, определяемой по его мощности, элемент Пельтье работает в режиме наибольшего полезного действия, т. е. соотношение его энергопотребления к отводимому теплу минимально. (имеется в виду, что в таком режиме Пельтье работает наиболее эффективно).
Кроме того, получают информацию о температуре нагревателя и верхней поверхности элемента Пельтье в реальном времени.
Кроме того, в случае приближения к максимально допустимой температуре верхней поверхности элемента Пельтье, подачу напряжения на элемент Пельтье уменьшают, происходит нагрев процессора с дальнейшим включением встроенной системы защиты от перегрева.
Система контролируемого охлаждения нагревательных элементов для осуществления способа содержит связанные между собой нагревательный элемент, термоэлектрический элемент Пельтье, пассивное средство теплоотвода, причем термоэлектрический элемент Пельтье установлен непосредственно между нагревательным элементом и пассивным средством теплоотвода, причем система охлаждения содержит два датчика температуры, один из которых установлен на нагревательном элементе, а второй установлен на верхней стороне термоэлектрического элемента Пельтье, и управляющий контроллер, соединенный с указанными элементами системы, причем система выполнена с возможностью определения и контроля температуры нагревательного элемента на основании его мощности.
Кроме того, система выполнена заранее откалиброванной по зависимости температуры нагревательного элемента от его выделяемой мощности.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Система контролируемого охлаждения на основе элемента Пельтье;
Фиг.2 - Схема системы охлаждения и ее тепловых потоков;
Фиг.3- Схематическая зависимость температуры системы для активного и пассивного охлаждения.
Фиг.4 - График зависимости температуры от времени для разных систем охлаждения.
Фиг.5 - Схематическая зависимость КПД системы от разности температур между нагревательным элементом и холодным телом (воздухом).
Осуществление изобретения
Заявленное решение позволяет сгладить скачки температуры посредством термоэлектрического устройства (элемента Пельтье), быстродействующего при любой рабочей температуре, и способа, основанного на анализе мощности устройства, а не температуры, как это происходит в настоящий момент. Заявленное решение позволяет обнаруживать колебания мощности процессора и реагировать еще до того, как процессор начал нагреваться.
На фигуре 1 изображена система контролируемого охлаждения на основе элемента Пельтье. Система охлаждения состоит из связанных и соединенных между собой следующих элементов: нагревательный элемент 1, термоэлектрический элемент Пельтье 2, средство пассивного теплоотвода в виде радиатора 3 и вентилятора 4, два термометра 6 (датчика температуры) и управляющий микроконтроллер 5.
В качестве средства пассивного теплоотвода может выступать любое известное средство, мощность которого достаточна для отвода суммарного тепла, производимого нагревательным элементом и элементом Пельтье, например, выполненное на основе воздушного охлаждения в виде радиатора с вентилятором, или на основе жидкостного охлаждения (на воде, фреоне) и т.д. В данном случае для примера выбрано средство с радиатором и вентилятором.
Нагревательным элементом может выступать любой элемент, выделяющий тепло и требующий охлаждения, а также имеющий известную мощность. В данном случае для примера выбран центральный процессор компьютера.
В заявленной системе термоэлектрический элемент Пельтье установлен непосредственно на нагревательный элемент. Сверху над термоэлектрическим элементом Пельтье установлено средство пассивного теплоотвода. Кроме того система содержит два термометра (датчика температуры), один из которых установлен на или в нагревательном элементе, а второй установлен на верхней стороне термоэлектрического элемента Пельтье, и управляющий микроконтроллер, соединенный с вышеуказанными элементами системы, причем система выполнена с возможностью определения и контроля температуры нагревательного элемента на основании его мощности.
Заявленное решение не требует уникальной технологии сборки и может быть легко осуществлена любым компьютерным любителем.
На фигуре 2 представлена схема заявляемой системы, а также анализ тепловых потоков системы и на его основе показан алгоритм быстрой стабилизации температуры элементом Пельтье при резком увеличении мощности нагревательного элемента. По сути проведена оптимизация системы контроля температуры, основанной на работе термоэлектрического элемента Пельтье. Рассматриваемая система представляет собой нагревательный элемент известной мощности, температуру которого необходимо поддерживать постоянной, на который крепится элемент Пельтье с системой контроля переносимого теплового потока, и, наконец, сверху крепится радиатор и вентилятор.
Теоретическое исследование теплового потока в системе проводилось в следующих приближениях: теплоемкость самого элемента Пельтье считалась пренебрежимо малой, теплоотвод в окружающую среду происходит в основном через элемент Пельтье от радиатора, остальные потоки тепла пренебрежимо малы по сравнению с ними. Ниже приведены основные уравнения тепловых потоков:
Q
(t)
Q
,Q
T
T
Q
T
R
, U(t)
in
c
h
c
h
L1
0
L1
p
здесь - мощность нагревателя, температуру которого требуется поддерживать постоянной; - поток тепла через холодную сторону элемента Пельтье, прилегающую к охлажденному телу с температурой , и горячую сторону, прилегающую к радиатору и имеющую температуру ;  - мощность утечек тепла в окружающую среду, имеющую температуру , σ- теплопроводность границы с окружающей средой;  - сопротивление элемента Пельтье и подаваемое на него напряжение. Мощность отвода тепла можно представить как:
ν
c
R
T
R
flow
flow
h
flow
i
h
где p, , S,  - плотность, скорость, эффективное сечение потока и удельная теплоемкость жидкости или газа, отводящего тепло от радиатора,  - тепловое сопротивление радиатора, ,  - температура потока в различных точках. После преобразований получим в пределе  → 0
На фигуре 3 приведены экспериментальные данные для разных режимов работы элемента Пельтье, где: пунктирная серая линия - критическая температура 30°С, зеленая пунктирная линия - это отключенные системы активного и пассивного охлаждения, красная линия - включенная пассивная система охлаждения, оранжевая линия - включенная система активного и пассивного охлаждения без вторичного корректирования температуры, синяя линия - совместная работа пассивной и активной систем контроля с корректировкой как по мощности нагревателя, так и по его реальной температуре.
dTc/dt
Из графика видно, что режим компенсации теплового потока (синяя линия), при котором Qin ≈ Qc ↔  = 0, позволяет поддерживать стабильную температуру и обеспечивает наименьшее время реакции на перегрев.
Все элементы системы охлаждения взаимосвязаны между собой, в том числе, с управляющим микроконтроллером. Из программы контроля нагревательного элемента считывается значение ожидаемой мощности. Кроме того, из термометров получают информацию о температуре нагревателя и верхней поверхности Пельтье в реальном времени. Основываясь на полученных показаниях, реализуется описанный ниже алгоритм контроля температуры, то есть задают процент заполнения прямоугольного сигнала (скважность ШИМ сигнала) и управляют транзисторным ключом с помощью этого сигнала. В результате на определенные периоды времени находится в открытом или закрытом состоянии и в среднем показывает выдает определенное напряжение на элементе Пельтье, такое, которое определяется заранее проведенной калибровкой. Также дополнительно на основе текущей разности температур вырабатывается аналогичный сигнал, управляющий скоростью вращения вентилятора, что может предотвращать перегрев элемента Пельтье. Термометр на верхней поверхности элемента Пельтье также является контролем перегрева и в случае превышения максимально допустимой температуры, подача напряжения на элемент Пельтье прекращается.
В заявляемой системе предусмотрено, по сути, два этапа контроля температуры - по мощности нагревательного элемента, которая нам известна и по температуре нагревательного элемента. Первый этап не требует знания о температуре нагревателя, однако не дает возможности поддержания стабильной температуры. Поэтому вводится второй этап контроля - по температуре. Для этого требуется установка термометра непосредственно на нагреватель (или использование встроенного термометра в случае CPU). Второй термометр является предохранителем элемента от перегрева и должен находиться на горячей поверхности. В случае, если общий объем производимого тепла превышает отводимый объем, то возникает опасность перегрева и выхода из строя элемента Пельтье. Для предотвращения поломки необходимо выключить ток питания элемента и дождаться стабилизации температуры.
Ключевой особенностью заявляемого подхода является предсказание колебаний температуры по мощности, которую выделяет нагревательный элемент. В случае CPU информация о выделенной мощности получается из программ контроля нагрузки на процессор, в случае обычного нагревателя - задается вшитой в него программой. Таким образом, в любом случае еще до того, как будет подан ток, уже известно, сколько энергии выделится на процессоре за ближайшее время.
Система перед использованием заранее калибруется либо у производителя (уже в финальной сборке производятся тестовые прогоны для определения зависимости температуры от выделяемой мощности), либо вручную самим пользователем. Однако, каким бы образом ни производилась калибровка, ее результатом калибровки должна являться информация с зависимостью мощности Qin от температуры Тс нагревателя и от температуры внешнего окружения (если возможно).
Система обеспечивает поддержание стабильной температуры (сглаживание небольших флуктуаций) и предотвращение резкого перегрева (при резком увеличении мощности и невозможности пассивной системы охлаждения отвести такую мощность).
С помощью заявляемой системы может быть реализован двухступенчатый алгоритм контроля температуры: грубое предсказание температуры по ожидаемой выделяемой мощности нагревательного элемента и дальнейшая корректировка с помощью термометра на нагревателе. Грубое предсказание оценивает по калибровке ожидаемое повышение температуры системы. Однако существует неточность в определении этого параметра. Она зависит от внешних условий, таких как общая температура окружения (корпуса), состояние пассивной охладительной системы (например, для системы воздушного охлаждения это ограничения в подаче воздуха) и т.д. Вторая стадия контроля температуры может считывать показание датчика температуры на нагревательном элементе и увеличивать мощность отводимого элементом Пельтье тепла, до тех пор, пока температура не достигнет требуемого значения.
Поскольку постоянное использование элемента Пельтье энергетически не выгодно, так как значительный теплоотвод достигается при пропускании больших токов, которые к тому-же вызывают дополнительное выделение тепла, его активное использование целесообразно только в случае импульсного нагрева.
На фигуре 3 показана схематическая зависимость температуры системы для активного (элемент Пельтье) и пассивного (радиатор с вентилятором) охлаждения.
На верхнем графике представлена зависимость температуры от времени для двух различных систем охлаждения. Видно, что система активного охлаждения реагирует на любые изменения температуры быстрее, что позволяет поддерживать температуру вблизи определенного значения. Пассивная же система реагирует с некоторой задержкой, однако позволяет отводить больше мощности. Этот график показывает, что наиболее эффективной системой была бы совместная конструкция из пассивного и активного систем охлаждения, что и используется в заявленном решении.
На нижнем графике показана скорость отклика систем активного и пассивного охлаждения на резкое изменение мощности нагревательного элемента. Видно, что имеет место задержка в реакции пассивного охлаждения на резкий всплеск мощности нагревателя (delay time). Очевидно, что пассивная система дает системе возможность перегреваться. Активная же система способна реагировать не только мгновенно, но и с некоторым опережением за счет знания об ожидаемой мощности, что позволит в любой ситуации поддерживать температуру постоянной.
Из всего вышеописанного следует, что наиболее эффективной будет совместная работа системы с активным и пассивным охлаждением. После первичного подавления температурного всплеска элементом Пельтье, его функции будут постепенно передаваться радиатору, что позволит экономить электроэнергию, но при этом предотвратит перегрев устройства.
Элемент Пельтье или термоэлектрический элемент является давно изученной технологией, основанной на работе полупроводниковых pn-переходов. Ток из источника подается на вход последовательно соединенной системы из нескольких pn-переходов. В результате прохождения тока согласно эффекту Пельтье происходит передача тепла с нижней поверхности на верхнюю. В заявленной системе обеспечивается контроль над элементом Пельтье путем задавания определенного тока в элемент Пельтье для отвода определенной мощности, а также обеспечивается оптимизация алгоритма для уменьшения затраченной энергии. Таким образом возможно управлять передачей тепла через элемент Пельтье.
Для более наглядной демонстрации преимущества заявляемой системы и способа контроля можно обратиться к фигуре 4, на которой представлен график зависимости температуры от времени. Как можно видеть на графике, пунктирной линией обозначена критическая температура (или же заданная) системы, которую хотелось бы поддерживать постоянной (или не превышать). Зеленой пунктирной кривой показана зависимость температуры от времени для нагревателя с выключенными средствами активного и пассивного охлаждения.
Красной линией показана зависимость температуры от времени для работающего вентилятора, т.е. пассивной системы. Очевидно, что она не справляется с подавлением нагрева на этих масштабах времени.
Оранжевой кривой показана система подавления элементом Пельтье, основанная только на контроле температуры. Система включает охлаждение каждый раз при пересечении критической температуры. Этот способ позволяет предотвратить перегрев, однако дает сильные флуктуации температуры вблизи критической.
Синяя же линия является результатом двухступенчатого алгоритма стабилизации. Предсказание перегрева позволяет превентивно включить элемент Пельтье и, соответственно, отвод тепла. А второй этап контроля сглаживает остаточные флуктуации.
Еще одним фактором работы заявленной системы является неочевидное свойство пассивных систем. Пассивная система охлаждения предполагает охлаждение любого типа, основанной на циклическом переносе теплообменного вещества (воздуха или жидкости) от нагретого тела к холодному и обратно. Однако обычно в такой системе в качестве холодного тела выступает какое-то тело комнатной температуры (воздух или вода). Это означает, что принципиально невозможно охладить нагретое тело до температуры, ниже комнатной. При этом, эффективность охлаждения пассивной системой растет с увеличением разницы температур между горячим и холодным телом. Примерный вид такой зависимости можно видеть на фигуре 5. При этом из-за хорошей теплопроводности элементов Пельтье с ростом разности температуры между горячей и холодной сторонами его эффективность работы уменьшается.
Вышеописанная особенность позволяет при совместном использовании двух типов систем охлаждения повысить КПД каждой. Пассивная система охлаждения эффективнее отводит тепло в случае большей разности температур между охлаждаемым телом (в данном случае горячая поверхность элемента Пельтье) и воздухом. На элементе Пельтье же таким образом наоборот уменьшается разность температур, повышая его хладопроизводительность.
Описанная система охлаждения, выполненная вышеуказанным образом и способ охлаждения с помощью такой системы, обеспечивают упрощение конструкции системы, ее сборку и обслуживания, сглаживание скачков температуры посредством обнаружения колебаний мощности нагревательного элемента до начала его нагревания, увеличение скорости реакции на перегрев и более эффективное охлаждение с поддержанием стабильной температуры системы.