МИР NVIDIA / Охлаждение при помощи Пельтье-модуля 

Охлаждение при помощи модуля Пельтье

11.07.2001


  В данной статье рассматривается применение полупроводниковых холодильников Пельтье для охлаждения графического чипа видеокарты на примере Suma Platinum GeForce2 GTS (базируется на чипе GeForce2 GTS от NVIDIA), а также охлаждения всей видеокарты в целом. Показанные здесь приемы использования Пельтье можно применить и для охлаждения других видеокарт, так как производятся они в большинстве своем на референсном дизайне от NVIDIA, вследствие чего, многие, похожи друг на друга как близнецы. Объем проведенных работ не такой уж большой и затраты на приобретение средств охлаждения не так уж велики, как нынешняя разница в ценах видеокарт разного уровня,так что это будет по силам большинству оверклокеров, у которых и руки на месте, и голова работает хорошо. Не судите за полное отсутствие иллюстраций работы из-за неимения мной на данный момент фотографирующей техники, но как только она появится у меня, то фото не заставят себя ждать.

Для начала немного про холодильники Пельтье.

Еще в далеком 1834 году француз Пельтье и открыл эффект, который впоследствии и назвали эффектом Пельтье. Однако Пельтье так и не смог понять и объяснить наблюдаемое им явление. А сделал это Ленц в 1838 году.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа - p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами
(n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках показано на рисунке.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рисунке.

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рисунке представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Итак, а теперь о самом процессе. Для охлаждения был приобретен модуль Пельтье с размерами 40х40х3.8 мм. Такой модуль производится фирмой Rubezh Engineering Co. LTD. По данным производителя он рассчитан на Imax=6A, Umax=15.5В, Qmax=53Вт и создает разницу температур до 72 градусов. Для его охлаждения был приобретен кулер Thermaltake Golden Orb для слотовых процессоров. Для охлаждения чипов памяти я купил комплект радиаторов того же Thermaltake'а. Их обдув осуществлялся 8см вентилятором Evercool, закрепленном на торцевой стенке платы, способом, описанным в этой статье. Также использовались два вида термопасты: всем известная КПТ-8 и сравнительно недавно появившаяся Алсил-3.

Начал я с доработки Golden Orb'а.

Для удобства работы был снят сам вентилятор. От радиатора были отпилены две боковые части на расстоянии около 1см, если считать от первого ребра, которое стоит на этой самой боковой стороне. Потом была произведена доработка подошвы радиатора. Требовалось сровнять центральную часть стержня, она немного выступает, с остальной частью подошвы радиатора. Производилось все это с помощью шлифовальной шкурки. Когда все стало ровно я дополнительно отшлифовал подошву "нулевкой" и ворсистой тканью с пастой ГОИ. Работа шла довольно долго, так как радиатор сделан из особого алюминиевого сплава повышенной плотности и он слабо поддавался действию наждачки. Потом были просверлены отверстия для крепления радиатора к плате. На этом работы с радиатором были завершены. Вы спросите, для чего используется такой большой кулер, я же отвечу, что элемент Пельтье выделяет огромное количество тепла и обычный кулер не в состоянии отвести все это тепло и вы не добьетесь нужных вам результатов.

Теперь займемся самой картой. Я обнаружил, что чип имеет выступающие по периметру боковые части. То есть не обеспечивается плотный прижим радиатора, а в нашем случае элемента Пельтье; он упирается в эти выступающие части, а тепло проводится только за счет термопасты, и как следствие снижается теплопроводность. Этот недостаток был устранен при помощи той же "нулевки".
С величайшей осторожностью чип был отполирован, вплоть до исчезновения надписей.

Когда же чип стал почти идеально ровным, я приступил к монтажу Пельтье. Здесь главное не перепутать холодную и горячую стороны. Подключите модуль и включите компьютер на пару секунд. Сразу же поймете, где тепло, а где холод. Потом я подогнал расположение модуля так, чтобы его центр и центр чипа совпадали. Горячую сторону, примыкающую к радиатору, я смазал термопастой Алсил-3, так как на основе проведенных мною экспериментов было установлено, что она выигрывает у КПТ-8 в данном случае. А холодную сторону, которая прижимается к чипу, смазал тонким слоем КПТ-8. Вообще было испробовано много
разных вариантов и этот показался мне наиболее "теплопроводным". Затем я поставил модуль на чип, вывев его провода питания набок, сверху встал Golden Orb и притянул я весь этот "бутерброд" подходящими по диаметру и длине двумя винтами. Причем головки болтов оказались на обратной стороне платы, естественно были использованы шайбы-прокладки, которые идут в комплекте к крепежу материнской платы. Сильно затягивать не стал, так как это вызвало бы деформацию видеокарты. В итоге же получаем надежный и крепкий крепеж.

На чипы памяти были установлены радиаторы из комплекта для охлаждения памяти фирмы Thermaltake. В комплект входят неплохие радиаторы и термопленка, также неплохо проводящая тепло. Я не стал использовать термоклей так, как он лишал бы меня возможности дальнейшей замены радиаторов на более "крутые". И, наконец, обдув всей платы в целом я доверил 8см вентилятору. Многие, уже знакомые с модулями Пельтье, спросят: "А как насчет конденсата? Ведь чип меньше самого модуля и на свободных полях будет конденсироваться влага из воздуха". Да, я столкнулся с этой проблемой. Это является самым серьезным недостатком Пельтье-модулей. Любое попадание влаги на видеокарту или материнскую плату может привести к зависанию или того хуже к короткому замыканию. Однако я решил эту проблему достаточно просто. Взяв упаковочный поролон (в него упаковывают почти все "железо") я нарезал подходящие по размерам кусочки и затолкал их между периметром чипа и Пельтье-модуля. Конечно же, использование теплоизолятора более предпочтительно, но, к сожалению, я таковой не нашел, пока не нашел.

В итоге, после всех этих действий, видеокарта заработала на частотах 260/430 МГц. Неплохо, не правда ли? Тогда, в Москве было еще не так жарко как сейчас, комнатная температура была 20-21 градус. Сейчас же, когда проводилось тестирование, комнатная температура составляет 30 градусов и карта уже неспособна работать на таких частотах из-за перегрева. После 15 минут тестирования система зависала. Пришлось скинуть частоты до 250/420 Мгц в угоду стабильности системы. Тестовая система выглядела так:

Процессор

Pentium !!! 650 Мгц, разогнанный до 942 Мгц

Материнская плата

Asus CUSL2

Видеокарта

S/U/M/A/ Platinum GeForce 2 GTS 32 Мб (250/420 МГц)

Оперативная память

Hyundai 256 Мб на шине 145 МГц CL2

Жесткий диск

Seagate U10 ST315323A (5400 об/мин)

Звуковая карта

Sound Blaster Live! Player 1024



Из "софта": Windows Me, Detonator 12.41, разгон и настройка Детонатора осуществлялись с помощью RivaTuner RC5. В качестве тестов использовались Quake 3 Arena 1.27f и встроенная дема FOUR, 1.17 и demo002, а также 3DMark 2001 Pro. Для Quake 3 использовалось только разрешение 1024*768 и 32-битный цвет и режим High Quality. В 3DMark'е использовались те же разрешение и цвет.

Результаты:



OpenGL (представлен Quake III Arena)



Direct3D (представлен 3DMark2001)

Выводы и заключение

Что же, из тестов видно, что разгон принес плоды и он не напрасен. Как показали тесты и практика разгон памяти наиболее эффективен, чем разгон ядра. Низкая пропускная способность 6нс памяти жестко ограничивает возможности чипа и его разгон малоэффективен. Но, такую же систему охлаждения можно будет организовать и на картах серии Pro, где стоит более быстрая память и, разогнав ее, с легкостью обойти Ультру.
В случае же с Ультрой, то там вообще можно добиться чудес производительности. Счастливые же обладатели "трешки" (GeForce3), сделав такой "тюнинг", вообще смогут играть в 1600*1200*32 и иметь более 100 кадров, кто-то же будет рад антиалиасингу в разрешениях поменьше и полностью забудет про 16-битный цвет. А вообще, я считаю, что мы, заплатив немалые деньги за видеокарту, которых она, в принципе, не стоит, имеем право и можем выжать все, на что она способна. Ну, а этот материал вам в этом поможет...


Дополнение

Наконец-то я сделал обещанные мною фотографии. На них прекрасно видны все этапы работы. Ничего сложного там нет. Все материалы легко доступны, доработать кулер несложно, имея под рукой ножовку по металлу, напильник и разные наборы "шлифовального" инструмента (подразумеваются наждак разной степени абразивности, паста ГОИ). Возможно кто-то будет использовать для полировки и более "экзотичные" средства.

Хочу сказать, что сейчас эта карта стоит в AGP - слоте материнской плате моего друга и продолжает радовать своей прекрасной работой. Правда на ней остались только радиаторы на видеопамяти, а на чипе стоит немного доработанный кулер Blue Orb небезызвестной Thermaltake. Это охлаждение помогает держать карте частоты 240/420МГц (а в лучшие времена, при хорошем охлаждении радиатора, я мог поднять частоту работы GPU и до 270МГц), что благотворно сказывается на количестве FPS в разных играх.

Сейчас у меня стоит Gainward GeForce 2 Pro Golden Sample. При самом минимальном охлаждении (кулер на чипе, обдув чипов памяти) она уже разгоняется и стабильно работает на частотах в 240/490МГц. При использовании более серьезного охлаждения (Пельтье на чипе + медный самодельный радиатор на Пельтье + мощный вентилятор + медные радиаторы на память) я думаю, что смогу достичь частот в 250-260/520МГц. А еще, так как эта карта делается на референс дизайне плат серии ULTRA, а не на дизайне плат серии GTS (дизайн же PRO полностью идиентичен GTS), то я смогу благодаря применению на этой карте двух раздельных стабилизаторов питания (один на GPU, другой на память) и путем незначительной перепайки этих стабилизаторов, а точнее: подпаивание подобранных резисторов к соответствующим выводам микросхем, поднять напряжение питания на ядре и памяти, что возможно поможет еще больше поднять разгонный предел карты (теоретические рассуждения говорят о примерно 300/540МГц, а возможно и более). То есть, игра стоит свеч. Естественно обо все этом поподробнее вы сможете узнать в моей новой, готовящейся статье.

Ну а теперь, обещанные фотографии:


Модифицированнный ГОрб



Дополнительные кулеры для карты



Обратная сторона ГОрба с кулером Пельтье



Карта с установленным на ней модифицированным кулером



Вся конструкция в сборе



Тимур Толстихин a.k.a. Timer (tim_tv@mail.ru)


При подготовке статьи были использованы материалы из статьи
Виктора и Евгения Рудометовых (rudometov@mail.ru)
"Полупроводниковые холодильники Пельтье"

Хотелось бы поблагодарить Bishop'a и Letun'a,
которые поддерживали меня в моей работе над картами и над статьей.