Hlađenje uz pomoć Peltiera

Uvod

U današnje vrijeme na tržištu već postoji mnogo vrhunskih hladila, a neka od njih nalaze se i na našem tržištu (Titan Majesty), dok su s drugima uglavnom upoznati tek poneki entuzijasti skloni kupovini preko Interneta (Alpha, Globalwin, Agilent). Međutim, ni najbolja od tih hladila ne mogu spustiti temperaturu Vašeg procesora ispod temperature zraka koji njime kruži, a i to je samo idealan slučaj. Najčešće su rezultati nekoliko stupnjeva veći od temperature zraka u kućištu.

Svakome tko je pokušao overclock-ati svoj procesor jasno je da je toplina neprijatelj broj jedan i da nestabilnost overclock-anih procesora potječe od pregrijavanja. Obično se tada stavljaju jača hladila, podiže voltaža i slično, no sve to ide do određene granice kada jednostavno procesor više nije stabilan ni na sobnoj temperaturi.

U tim situacijama poželjet ćemo procesor ohladiti ispod sobne temperature ili, što bi bilo idealno, ispod temperature smrzavanja i pritom izvući još nekoliko dragocjenih megahertza. Željeli smo pokazati kako jednostavno i uz manje novčane izdatke izraditi hladilo koje je u stanju obaviti baš taj zadatak.

U Hrvatskoj je već bilo časnih pokušaja hlađenja procesora ispod sobne temperature (časopis VIDI), no bili su krajnje nepraktični.. Npr. VIDI-jev mali projekt zasnivao se na konstantnom sprejanju procesora Ledol sprejem (svima nam je jasno da to nije trajno rješenje). Za potrebe naše radionice odlučili smo izraditi hladilo bazirano na termoelektričkom modulu znanom pod imenom Peltierov članak ili kraće - Peltier. S takvom vrstom hlađenja već smo imali iskustva, neka od njih vrlo negativna, pa ćemo Vam skrenuti pažnju na bitne dijelove. Ukoliko nije dobro sastavljen, ovakav hladnjak predstavlja veliku opasnost za komponente u računalu. Sastavljanju je potrebno prići vrlo ozbiljno i temeljito.

Što je Peltierov članak?

Peltierov članak je termoelektrički modul koji radi po principu Peltierovog efekta otkrivenog 1834. od strane istoimenog znanstvenika. Unutar članka nalazi se niz poluvodiča n i p tipa okruženih dvjema keramičkim pločicama. U trenutku kada člankom protiče struja nedostatak (p tip), odnosno višak (n tip) elektrona, rezultirat će u razdvajanju topline - Peltierovom efektu. Članak kojim teče struja dakle ima toplu i hladnu stranu. Mi ćemo hladnu stranu prisloniti na procesor, dok ćemo s tople strane jakim hladilom disipirati toplinu- s obzirom da Peltierov članak samo razdvaja toplinu, tj. ne apsorbira je. Korišten na taj način, Peltierov članak nosi naziv TEC - Thermoelectric Cooler.

Karakteristike Peltierovog članka i njegova učinkovitost izražavaju se putem:

• Imax
  mjerna jedinica amper
  maksimalna potrošnja struje pri najvećem naponu
• Qmax
  mjerna jedinica watt
  maksimalna snaga pri najvećem naponu
• Vmax
  mjerna jedinica volt
  najveći napon pri kojem članak može raditi
• Delta T max
  mjerna jedinica stupanj celzijus
  najveća razlika u temperaturi između tople i hladne strane članka pri najvećem naponu
• Dimenzije
  širina, visina i debljina članka

TEC koji ćemo u radionici koristiti je slijedećih karakteristika:

• Imax 8.0A
• Qmax 80W
• Vmax 16.1V
• Delta T max 71C
• Dimenzije 40x40x3.4mm

Pri odabiru TEC-a potrebno je posebno paziti na napon. Naime, najveći napon koji jednostavno možete dobiti iz napajanja vašeg računala je 12V, a performanse TEC-a navedene su pri najvećem naponu (dakle opadaju pri nižim naponima). TEC-ovi jačine preko 100W često se reklamiraju u raznim Internet trgovinama, no rijetki su oni koji napišu kako taj TEC ima snagu od 100W pri naponu od 25V. S takvim TEC-om spojenim na napajanje vašeg računala jedva ćete izvući 50W snage! Pri kupovini obratite pažnju na to da TEC pri 12V ima dovoljnu snagu da ohladi Vaš procesor. Termalne karakteristike procesora možete naći na site-ovima tvrtki koje ih proizvode, najčešće Intel i AMD, ili na raznim grupama na usenetu, kao npr hr.comp.hardware.

Drugi problem sa TEC-ovima, i to nešto sofisticiraniji, tiče se korozije. Naime, unutar svakog članka nalaze se poluvodiči rađeni od raznih metala, a na krajevima su keramičke ploće sa po 70C temperaturne razlike. Ako TEC nije dobro izoliran, unutar njega se može kondenzirati vlaga i izazvati koroziju koja će na kraju uništiti sam članak, a kao rezultat toga sam sistem hlađenja neće raditi i procesor će vrlo brzo pregorjeti. Zato uvijek tražite punjene tj. izolirane module. Za izolaciju se najčešće koriste gumasti materijali koji nisu porozni, no dovoljno su elastični da omogućuju poluvodičima da se pri većoj toplini rašire tj. smanje. Oscilacije u dimenzijama su minimalne, no loše izvedeno punjenje članka može izazvati njegovo pucanje pa umjesto da to radite sami, rađe kupite takve gotove module.

Peltierov članak ICE-71, punjen (izoliran)

Na slici možete vidjeti kako se između dvije keramičke pločice članka nalazi crna gumasta tvar kojom je ispunjena unutrašnjost članka i onemogućava kondenziranje vlage unutar samog članka.

Što je zapravo cold plate?

Na svakom uputstvu koje dobijete uz TEC pisat će da se preporuča korištenje cold plate-a. Ne radi se o nikakvoj kompliciranoj niti skupoj tehnološkoj napravi, već o pločici bakra ili aluminija koja se stavlja na jednu stranu TEC-a (ovisno da li ga koristimo za grijanje ili hlađenje), a ima funkciju "akumulatora" topline. Mi smo se odlučili za pločicu od bakra istih dimenzija kao i naš TEC. Ideja iza cold plate-a tj. hladne ploče je da TEC cijelom svojom površinom hladi dok jezgra procesora pokriva tek malen dio te površine. Kako bi se što bolje iskoristila snaga TEC-a na njega se stavlja hladna ploča koju TEC hladi i koja ima puno bolja termička svojstva od keramičke ploče. Bakar ima odlična termička svojstva i u stanju je vrlo brzo pokupiti toplinu s procesora tj. prenijeti hladnoću s TEC-a.

Oprema

Za potrebe radionice nabavili smo slijedeću opremu:

• Kryothermov Peltierov članak ICE-71
• Hladilo Alpha PEP66
• Y.S.Tech ventilator za Alpha hladilo, 27.2 CFM
• Arctic silver termalna pasta
• Bakrena pločica 40x40mm
• Silikon A2
• Asus S370-DL socket adapter
• Intel Celeron 566 procesor

Asus S370-DL socket adapter i Intel Celeron 566 procesor nabavljeni su putem suradnje s MSAN grupom dok je ostala oprema nabavljena vlastitim sredstvima.

ICE-71, bakrena pločica, Arctic silver termalna pasta

Alpha PEP-66 i Y.S.Tech ventilator

Asus S370-DL socket adapter

Intel Celeron 566 procesori

Silikon A2, bijeli

Instalacija

Ako ste obratili pažnju na sliku ASUS socket adaptera, vidjeli ste da smo u unutrašnjost podnožja postavili izolacijsku spužvu. Njena funkcija je dvojaka - u prvom redu služi za sprečavanje kondenzacije ispod procesora, a druga funkcija je nešto suptilnija - kad završimo s radionicom i rastavimo hladilo pogledat ćemo da li se spužva navlažila. Ukoliko jest, to bi značilo da nismo dobro izolirali hladilo te da se počela kondenzirati vlaga ispod procesora.

Nakon postavljanja spužve, stavit ćemo procesor u podnožje socket adaptera i pritom paziti da ga dobro pridržimo kako bismo spužvu utisnuli u podnožje socketa. Na jezgru procesora stavit ćemo tanak sloj Arctic silver termalne paste koja ima daleko bolja svojstva od klasične cink-oksid paste, ali je i daleko skuplja. U našim testovima radit ćemo s velikim razlikama u temperaturi i vjerujemo da se investicija u dobru pastu isplati. Na to ćemo staviti hladnu ploču, ponovo sloj termalne paste, zatim TEC i na kraju ćemo montirati hladilo.

Žice iz TEC-a obično nemaju konektor na drugoj strani. Ukoliko je to i kod Vas slučaj, preporučamo da nabavite klasični muški Molex konektor i spojite žice ovisno o naponu na kojem želite da radi vaš TEC. Molex konektor ima četiri žice. Primjetit ćete kako iz napajanja na ženskom molex konektoru vidite samo tri boje žica. To je zato što su unutarnje dvije crne žice uzemljenje, crvena 5V, a žuta 12V. Ukoliko želite dobiti 7V na TEC-u, spojite crnu žicu TEC-a (uzemljenje tj. ground) na 5V, a crvenu na 12V.

Molex konektor za napajanje

Na sreću, Alpha PEP66 ima prilično dobar mehanizam za montiranje i sasvim je dobro podnijela dodatnu debljinu elemenata koje koristimo između procesora i hladila. Pri sastavljanju obratite pažnju da elementi ne skliznu u stranu te ih po potrebi korigirajte.

Sastavljen rashladni sustav prije izolacije

Sastavljeni sustav možete isprobati nakratko, ali ga obavezno nakon toga izvadite iz računala jer će se na hladnoj ploči kondenzirati vlaga i kapljice vode bi mogle završiti na matičnoj ploči te prouzrokovati kratki spoj.

Izolacija

Nakon što smo se uvjerili da sve radi, vrijeme je da sustav izoliramo kako vlaga ne bi mogla doći do hladne ploče i tamo se kondenzirati te time ugroziti naše računalo. Izolacija se može izvesti na nekoliko načina. Najpopularnije je uz pomoć izolacijske spužve, no iz našeg iskustva možemo vam reći da je to vrlo loša izolacija i da bez obzira na kvalitetu spužve i jačinu kompresije ne možete biti sigurni da vlaga ne prolazi. Stoga smo se odlučili izolaciju napraviti silikonom koji se jednostavno nanosi, odlično djeluje i već nakon nekoliko minuta cijeli sustav može biti spreman za upotrebu.

Tube silikona kakve se kod nas mogu nabaviti predviđene su za korištenje s "pištoljem" za silikon koji se kupuje odvojeno. Postavimo tubu u pištolj i krenimo. Potrebno je izolirati sve rubove gdje bi vlaga eventualno mogla prodrijeti do hladne ploče.

Nanošenje izolacijskog sloja silikona

Nakon izolacije trebali biste dobiti nešto slično ovome

Vrlo je bitno pokriti sve pore pa u tu svrhu nije na odmet silikonski sloj učiniti debljim kako bismo bili sigurni. Dodatan bonus pri izolaciji jest i činjenica da sada naš TEC neće gubiti snagu hladeći zrak, već će se sva snaga iskoristiti za hlađenje procesora.

Praćenje temperature

Kako bismo vidjeli što se događa s našim procesorom koristili smo program Motherboard Monitor koji mjeri temperaturu s interne diode ugrađene u jezgru Intel Celeron procesora. Te temperature su u pravilu 10 do 15 stupnjeva veće nego one izmjerene na površini. Na ovom grafu možemo vidjeti kako se naš procesor grijao hlađen samo Alphom PEP66.

Radna temperatura Celerona 566 pri 566Mhz

Nakon što smo instalirali novi rashladni sustav odmah smo pokušali prvi logični overclocking korak - podignuti brzinu sabirnice na 100Mhz i time overclock-ati Celerona na 850Mhz. Pri toj brzini procesor je sve testove uredno prošao, a na ovom grafu možemo vidjeti i kolika je bila njegova temperatura. Moramo napomenuti da je procesor s novim rashladnim sustavom stabilno radio na 850Mhz pri naponu od 1.5V, dok je hlađen samo Alphom PEP66 radio stabilno tek na 1.8V.

Radna temperatura Celerona 566 pri 850Mhz

Možemo primjetiti kako rashladni sustav odlično djeluje i drži temperaturu našeg procesora ispod nula stupnjeva čak i kada je on overclock-an na 850Mhz! Iako nam je drago da naš procesor više ne radi na visokim temperaturama ipak nam mora biti jasno da je on radio na tom taktu i s običnim hlađenjem, iako na mnogo većem naponu. U želji da vidimo koliko realno naš rashladni sustav vrijedi krenuli smo dalje sa overclock-anjem. Pri klasičnim hlađenjem s Alphom PEP66 naš Celeron nije bio u stanju raditi ni na 875Mhz što je prvi sljedeći korak na našoj matičnoj ploči ASUS P3B-F. U dugom procesu nebrojenih restartanja računala ustvrdili smo da najviše što možemo izvući iz našeg procesora je 1020Mhz pri brzini sabirnice od 120Mhz. No, na toj brzini procesor nije radio stabilno i nakon nekoliko minuta rada računalo bi se zablokiralo. Najviši napon koji smo pokušali dati Celeronu kako bismo postigli stabilnost bio je 2.1V, no ni to nije bilo dovoljno; rezultati su bili isti kao i oni na puno nižim naponima. Na brzini sabirnice 115Mhz procesor je naizgled radio stabilno, no u dugotrajim testovima pokazalo se kako se zna srušiti, pa smo zato prešli na nešto sporiju brzinu sabirnice od 112Mhz, tj. brzinu procesora od 952Mhz. Na toj brzini procesor je radio savršeno stabilno i danonoćno prolazio naše rigorozne testove. Ovdje možemo vidjeti kako se kretala temperatura procesora:

Radna temperatura Celerona 566 pri 952Mhz

Možemo primjetiti kako temperatura više nije ispod ništice, već se kreće od 6 do 12 stupnjeva, što je također odlično. Kao rezultat našeg rashladnog sistema sada imamo procesor koji stabilno radi na 952Mhz i to bez pretjeranog zagrijavanja.

WCPUID Celerona 566 pri 952Mhz

Rezultati testova - SiSoft Sandra 2000 Professional

Nakon uspješne instalacije i nalaženja najveće brzine na kojoj je procesor stabilan uslijedio je niz testova brzine. Za početak, prikazat ćemo vam kako je procesor prošao na SiSoft Sandra testovima koje vrlo jednostavno možete isprobati i na Vašem osobnom računalu.

Rezultati testova - nastavak

Kako bismo sačuvali konzistentnost rezultata procesor smo testirali na našem referentnom računalu s ABIT BE6 matičnom pločom, 128MB STEP CAS2 memorije, Guillemot Xentor32 TNT2 Ultra grafičkom karticom (Detonator2 5.22 driver-i), Diamond MX300 muzičkom karticom, Western Digital 102BA ATA66 hard diskom i LG 8320B CD-ROM-om, na Windowsima 98SE.

Na ovom grafu možemo vidjeti da je Celeron na 952Mhz nešto brži od Pentiuma III na 650Mhz

Zatim smo procesor testirali pod Quake III Arenom. Svaki test ponovili smo tri puta i uzeli srednju vrijednost.

Kao što možemo vidjeti, Celeron na 952Mhz i u ovom testu je nešto brži od Pentiuma III na 650Mhz

3Dmark 2000 dao je nešto drugačije rezultate, ovaj put više u korist Celerona, nego prethodni testovi.

Na ovom testu Celeron na 952Mhz je dobio bitno bolje rezultate od Pentiuma III na 650Mhz i gotovo jednako dobre kao Pentium III na 866Mhz

Rezultati na višim rezolucijama prilično su podjednaki zbog ograničenja u brzini grafičke kartice. Kao najbitniji test za procesor možemo uzeti onaj pri rezoluciji od 800x600 u 16-bitnoj boji.

Rastavljanje sustava i zaključak

Rastavljanje ovakvog rashladnog sustava i nije toliko komplicirano koliko se čini, no moramo vas upozoriti na nekoliko bitnih stvari. Ne očekujte da ćete bez puno truda dobiti potpuno očišćene komponente. Silikon ipak vrlo dobro prijanja na površinu i ukoliko nije glatka teško se odstranjuje. Za početak dovoljno je skalpelom izrezati površinu silikonske mase kako biste razdvojili sustav na dva dijela.

Rastavljanje rashladnog sustava

Nakon što ste sustav odvojili na dva dijela, ostatak posla lagano ćete obaviti koristeći se malim kliještima i skalpelom kako bi odvojili veće komade silikona s pojedinih dijelova. Kasnije ih temeljito možete očistiti tako da ih ostružete tupim predmetom kako ne biste oštetili površinu. S glatkih dijelova poput TEC-a, silikon možete odstraniti jednostavno i rukom. Posebnu pažnju posvetite odstranjivanju silikona s procesora jer je veoma osjetljiv, te ga ni ne pokušavajte odstrugati jer biste mogli oštetiti procesor. Bolje je imati i malo prljav procesor nego procesor koji ne radi.

Nakon razdvajanja cjelokupnog sustava provjerili smo u kakvom je stanju izolacijska spužva koja se nalazila u podnožju socket-a. Bilo nam je vrlo drago da je spužva ostala potpuno suha te time i potvrdila kako smo napravili dobar posao pri izolaciji.

Zaključak

Mnogi će ovu vrstu hlađenja nazvati pretjeranom, riskantnom ili možda neisplativom. U mnogome ćemo se s njima složiti - za neke primjene je to jednostavno preskup pothvat, a nekima i prekompliciran, no činjenica je da daje rezultate. A ako pogledamo cijene procesora (trenutno se procesori brzine oko 1GHz skupo prodaju) brzo će nam postati jasno kako investicijom u bolji rashladni sustav procesora zapravo možemo i uštediti. Komponente ovakvog sustava moguće je iskoristiti i kasnije pri prelasku na novi procesor, što dodatno opravdava troškove.

Najveću smo zamjerku ipak sačuvali za kraj. Najveća mana ovakvog sustava jest činjenica da za disipaciju topline sa TEC-a koristimo zračno hlađenje koje se pokazalo neadekvatnim. Naime, naš TEC bio je u mogućnosti dati temperaturne razlike od 60-ak stupnjeva celzijusa, i kada bismo mogli njegovu toplu stranu držati na sobnoj temperaturi od 25 stupnjeva, tada bismo na hladnoj strani dobili temperaturu od -35 stupnjeva što je daleko bolje od onoga što su naši testovi pokazali. Zato smatramo da je sljedeći logični korak izgradnja rashladnog sustava uz pomoć Peltierova članka i vodenog hlađenja, no to je tema za neku od idućih radionica.