Дипломная работа: Конвективный и одноступенчатый термоэлектрические способы охлаждения персонального компьютера

Таблица 2.5 - Техническая характеристика блока питания KY500 ATX [16]

Таблица 2.6 - Характеристика модуля Пельтье TEC1-12706 [17]

Таблица 2.7 - Физико-механические и электрофизические характеристики термопасты КТП-8 [18]

Рис 3.1 - Модуль Пельтье

Рис 3.2 - Общий вид экспериментальной установки

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Проведение эксперимента конвективного и термоэлектрического способов охлаждения происходит в обычном помещении с температурой 22 С и относительной влажностью 53%, что максимально близко к реальным условиям.

Основой для любого сравнения является аналогичность условий. Поэтому эксперименты проводятся в максимально одинаковых условиях. Для достижения наилучших результатов экспериментов систему прогревают достаточно долгое время.

Для проведения экспериментов выбираем компоненты с наиболее высокой тепловой мощностью. В таблице 3.1 представлены компоненты системного блока и их тепловая мощность.

Таблица 3.1 - Параметры тепловыделения компонентов среднестатистического системного блока, при высокой вычислительной нагрузке[19]

Наиболее высокое тепловыделение у компонентов системного блока:

- Центральный процессор

- Материнская плата

- Видеокарта

- Жёсткий диск

- Блок питания

Исследования и опыт прошлых лет показывает, что с развитием вычислительной техники, также развивается и система охлаждения. Однако для долгой работы системного блока при высокой вычислительной нагрузке, стандартная система охлаждения в большинстве своём случае не справляется со своей задачей. За исключением систем охлаждения для блока питания и материнской платы. Следовательно, проводить эксперименты будем с центральным процессором, видеокартой и жёстким.

Если у процессора и видеокарты тепловая мощность довольна высока, то у жёстких дисков не такая высокая. Однако диапазон, при котором работает жёсткий диск, в разы отличается, чем у процессора или видеокарты.

Уязвимость жёстких дисков заключается в том, что внутри корпуса над поверхностью вращающихся пластин скользят подвижные магнитные головки, управляемые высокоточной механикой. За счёт них происходит чтение и запись данных. При нагревании материалы, из которых сделаны компоненты диска, расширяются. Механика и электроника жёсткого диска справляются с тепловым расширением только при рабочем диапазоне температур. Если происходит превышение допустимых переделов по температуре, то головки жёсткого диска могут «промахиваться», записывая данные, не там, где нужно до тех пор, пока компьютер не будет выключен. При включении компьютера, остывший жёсткий диск будет считать данные утерянными, которые были записаны в перегретом состоянии. В таком случае информацию удаётся спасти только при помощи сложного и дорогостоящего спецоборудования. Если температура превышает 50 С, то необходимо задуматься об охлаждении жёсткого диска. [19]

В итоге для проведения экспериментов были выбраны следующие компоненты системного блока:

- Центральный процессор

- Видеокарта

- Жёсткий диск

Проверка центрального процессора происходит с помощью программы OCCT Perestroika, которая представляет собой инструмент для диагностики и тестирования стабильности. Программа по отдельности тестирует процессор и подсистемы памяти, графическое ядро и видеопамять, а также снабжена функциями мониторинга.

Перед запуском программы, которая загружает центральный процессор или графический процессор происходит мониторинг системы, который длится 1 минуту. По завершению мониторинга начинается эксперимент, основным результатом которого является максимальная температура, которая была достигнута в ходе проведения эксперимента. После её достижения нагрузка прекращается, и система находится в состоянии простоя. По достижении стабильной минимальной температуры фиксируется и этот показатель.

Для того чтобы нагрузить жёсткий диск достаточно копировать файлы, открыть все возможные программы на компьютере, поставить антивирус на проверку системы и т.д. Температуру во время эксперимента показывает программа Hardware Monitor.

Все данные о температурных показателях центрального процессора берутся с соответствующего датчика материнской платы, для графического процессора температурные показатели берутся с датчика видеокарты, а для жёсткого диска с датчика, расположенного внутри самого диска.

Составной частью любой охлаждающей системы является термоинтерфейс - компонент, через который осуществляется термоконтакт между тепловыделяющим и теплоотводящим устройствами. Термопаста эффективно обеспечивает перенос тепла. [19]

Информация об используемой термопасте указана в предыдущей главе.

Исследования также показывают, что у многих термоинтерфейсов с течением времени могут изменяться те или иные свойства. Таким образом, эффективность может либо улучшаться, либо ухудшаться. Для того чтобы изменения не влияли на сравнимые показатели разных способов охлаждения (смена платформы в ходе эксперимента) термоинтерфейс наносится вновь. Это приводит к тому, что во время проведения экспериментов всех систем охлаждения термоинтерфейс остаётся свежим, а значит, обладает одинаковыми свойствами [12]. А также снятие термопасты осуществляется с помощью спирта, что приводит к полному очищению крышки центрального процессора, графического процессора, жёсткого диска, а также термоэлементов.

Рис. 3.1 - Интерфейс программы OCCT Perestroika

Поскольку с одной стороны элемент Пельтье охлаждается, а с другой нагревается, тепло необходимо отводить, для этого к горячей стороне термоэлемента крепим радиатор с кулером. Это позволит уменьшить выделяемое тепло, что приведёт к улучшению показателей на стороне охлаждения термоэлемента.

Время проведения эксперимента составляет 60 минут для каждого способа и компонента системного блока. Для лучших результатов проверка происходит 3 раза, берутся средние значения, и строится график зависимости изменения температуры от времени, на котором отчётливо виден результат эффективности охлаждающей системы.

Рис. 3.2 - Интерфейс программы Hardware Monitor

Рис. 3.3 - Нанесение термопроводящей пасты

Рис 3.4 - Расположение термоэлемента Пельтье в системном блоке, при проведении экспериментов

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Сравнительный анализ конвективного и одноступенчатого термоэлектрического способов охлаждения центрального процессора ПК

Из рис. 4.1 видно, что начальная температура центрального процессора составила 37 С. После того, как программа загрузила процессор на 100 % виден резкий скачок повышения температуры в первые 6 минут эксперимента, однако дальше температура стала плавно повышаться и понижаться. За время эксперимента, который длился 60 минут заметно, что средняя температура приблизительно составила 45,5 С, максимальная 47,9 С; а критическая температура процессора составляет 85 С (табл. 2.2).

Из рис. 4.2 видно, что начальная температура центрального процессора составила 37 С. Затем программа загрузила процессор на 100 %. Так на протяжении всего эксперимента виден скачкообразный график, это означает, что происходило резкое повышение и понижении температуры. Эксперимент не был проведён до конца, поскольку на 270 секунде (4,5 минуте) температура повысилась до 80 С, программа сняла нагрузку с центрального процессора, чтобы не сгорел.

На рис. 4.1, 4.2 представлены графики изменения температуры центрального процессора персонального компьютера конвективным и однокаскадным термоэлектрическим способами охлаждения с применением кулера.

Рис. 4.1 - График изменения температуры центрального процессора конвективным способом охлаждения с применением кулера

Рис. 4.2 - График изменения температуры центрального процессора однокаскадным термоэлектрическим способом охлаждения с применением кулера

4.2 Сравнительный анализ конвективного и одноступенчатого термоэлектрического способов охлаждения видеокарты ПК

Как и в предыдущем опыте, начальная температура составила 37 С.

У конвективного способа охлаждения видеокарты (рис 4.4) видно, что за первые 18 минут эксперимента происходило только повышение температуры. Далее понижение или повышение температуры происходило приблизительно в диапазоне от 72 С до 76,4С. Что характерно, как и в предыдущем опыте с конвективным охлаждение процессора график получился в достаточной степени плавным. Средняя температура охлаждения составила 74,2 С.

У термоэлектрического способа охлаждения видеокарты (рис 4.3) видно, что в первые 6 минут происходил только нагрев. Затем на отрезке времени от 6-и до 18-и минут заметны скачки на графике (перепады температур), тем не менее, нагрев продолжал расти. После 19-ти минут эксперимента температура начала понижаться и график приобрел более плавный вид. Максимальная, а также средняя температура составила 66,5 С и 63 С соответственно.

На рис. 4.3 и 4.4 представлены графики изменения температуры видеокарты персонального компьютера конвективным и однокаскадным термоэлектрическим способами охлаждения с применением кулера.

Рис. 4.3 - График изменения температуры видеокарты однокаскадным термоэлектрическим способом охлаждения с применением кулера

Рис. 4.4 - График изменения температуры видеокарты конвективным способом охлаждения с применением кулера

4.3 Сравнительный анализ конвективного и одноступенчатого термоэлектрического способов охлаждения жёсткого диска ПК

Далее рассмотрим график конвективного способа охлаждения жёсткого диска, на котором видно, что постепенное увеличение температуры происходит с начала эксперимента и до 18-й минуты. Затем происходит плавное понижение и повышение температуры приблизительно от 51 С до 54 С до конца проведения опыта. Что является выше максимально рекомендуемой температурой (табл. 2.5).

Далее рассмотрим график термоэлектрического способа охлаждения жёсткого диска, на котором видно, как и в предыдущих экспериментах, что охлаждение и нагрев происходит скачками температуры. Начиная с 12-й минуты температура увеличилась до максимальной и составила приблизительно 44,3 С, а средняя же составила 43,4 С.

На рис. 4.5 и 4.6 представлены графики изменения температуры жёсткого диска персонального компьютера конвективным и однокаскадным термоэлектрическим способами охлаждения с применением кулера.

Рис. 4.5 - График изменения температуры жёсткого диска конвективным способом охлаждения с применением кулера

Рис. 4.6 - График изменения температуры жёсткого диска однокаскадным термоэлектрическим способом охлаждения с применением кулера