авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка систем термостабилизации компьютерного процессора на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Нежведилов Тимур Декартович

разработка систем термостабилизации компьютерного процессора на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей

Специальность: 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Махачкала - 2006

Работа выполнена в Дагестанском государственном техническом университете

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Исмаилов Т.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Адамов А.П.

кандидат технических наук, профессор

Клещунов Е.И.

Ведущая организация – ОАО НИИ «Сапфир», Махачкала

Защита диссертации состоится 29 декабря 2006 г. в 10-00 часов на заседании

диссертационного совета К212.052.01 Дагестанского государственного технического университета по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по

адресу: г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70

Автореферат разослан «____»_____________ 2006года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ЕвдуловО.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Функционирование современных высокоэф- фективных электронных компонентов, составляющих основу компьютера, сопровождается значительным тепловыделением. Эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих не- обходимые температурные режимы их работы. В первую очередь это отно- сится к процессору, поскольку тепловыделения процессора настолько высоки, что могут негативно сказаться на его работоспособности.

Существующие в настоящее время устройства для отвода теплоты и термостатирования компьютерного процессора не всегда отвечают указан- ному требованию.

Актуальность рассматриваемой в работе проблемы связана с необходи- мостью разработки и всестороннего исследования новых систем для охлаж-дения и термостатирования процессора и термостабилизации блока компью-тера, в том числе с использованием полупроводниковых термоэлектрических преобразователей (ТЭП), позволяющих увеличить эффективность обеспече- ния теплового режима процессора с учётом его высоких тепловых нагрузок.

В последние годы для охлаждения и термостатирования высокопроиз- водительных процессоров все более широкое практическое использование находят полупроводниковые кулеры, основанные на применении термоэлек- трических модулей (ТЭМ). Постоянно растущие потребности в практическом применении ТЭМ обусловлены рядом их достинств, к числу которых относятся: возможность получения искусственного холода на основе эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей холодильного агента, универ- сальность, т.е. возможность перевода из режима охлаждения в режим нагре- вания путём реверса постоянного тока; возможность работы при любой ори- ентации в пространстве и при отсутствии гравитационных полей; простота устройства, компактность и взаимозаменяемость, возможность применения практически в любой компоновочной схеме; высокая надёжность; практичес- ки неограниченный срок службы; простота и широкий диапазон регулирова- ния холодо- и теплопроизводительности.



За последние пять десятилетий проведён большой объём теоретических и экспериментальных исследований полупроводниковых ТЭП и охлаждающих устройств на их основе. Накопленный опыт по эксплуатации, надёжности, работоспособности в специфических условиях и другим технико-экономи- ческим показателям подтверждает возможность широкого применения тер- моэлектрических устройств (ТЭУ) для различных объектов.

Несмотря на большие достижения в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день остаётся открытым вопрос о создании систем термо- электрического охлаждения, позволяющих с максимальной эффективностью организовать отвод тепла от процессора и термостабилизацию системного блока компьютера.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение на- дёжности компьютерного процессора путём обеспечения необходимого тем- пературного режима его работы за счёт использования новых систем ох- лаждения, основанных на применении полупроводниковых ТЭП.

Для достижения данной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

  1. создание новых схем обеспечения необходимого температурного режи- ма компьютерного процессора, реализующих плавный прогрев и ох- лаждение процессора в режиме включения и выключения компьютера и предусматривающих использование плавящегося рабочего вещества для термостатирования процессора в установившемся режиме работы;
  2. разработка математической модели термоэлектрической системы, реа- лизующей плавный прогрев и охлаждение процессора в режиме вклю- чения и выключения компьютера и математической модели системы, основанной на использовании плавящегося рабочего вещества для тер- мостатирования процессора в установившемся режиме работы;
  3. на основе проведенных исследований разработка новых конструктивных вариантов ТЭУ для охлаждения и термостабилизации процессора;
  4. проведение комплекса экспериментальных исследований с целью под- тверждения теоретических данных;
  5. внедрение результатов исследований и разработок на предприятиях электронной промышленности, в учебные процессы кафедр, в научно-исследовательскую деятельность лабораторий вузов Республики Дагес- тан и Российской Федерации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теория теплопроводности твердых тел, теория фазового перехода веществ, математическая статистика, принципы струк- турного программирования, теория оптимизации, численные методы решения дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, экспериментальные методы исследования.

Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссер-тационной работе, получены следующие новые научные результаты:

  1. Разработана система теплоотвода и термостабилизации процессора, основанная на использовании полупроводникового ТЭП, отличающаяся от аналогов возможностью постепенного прогрева и охлаждения процесс- сора в режиме включения и выключения компьютера для устранения тепловых ударов.
  2. Разработана система теплоотвода и термостатирования компьютерного процессора с применением плавящегося вещества, отличающаяся тем, что для повышения точности термостатирования между процессором и ТЭМ в ней установлен контейнер с плавящимся веществом.
  3. Математические модели систем термостабилизации процессора в режи- ме включения и выключения компьютера и с применением плавящегося вещества.

Практическая полезность работы состоит в том, что разработанные систе- мы теплоотвода и термостатирования компьютерного процессора позволяют повысить надёжность и эффективность работы аппаратуры за счет органи- зации наиболее оптимального температурного режима ее работы.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты исследований нашли практическое применение при выполнении работ по теме «Исследование электро- и теплофизических процессов в полупроводниковых термоэлектрических системах теплоотвода и создание математических моделей и устройств на их основе» на кафедре «Теоретической и общей электро- техники» Дагестанского государственного технического университета (ДГТУ).

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства ОАО «Эльдаг», а также в учебный процесс Дагестанского государственного технического университета.

Апробация результатов работы. Результаты, полученные в ходе работы по диссертации, докладывались и обсуждались на VIII международной кон- ференции «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, ФТИ им.

А.Ф.Иоффе РАН. 2002 г.), на научных сессиях Международной академии информатизации (2002 – 2005 гг.), на II Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического при- боростроения» (г. Махачкала, ДГТУ, 2003 г.), на научно-технических семина- рах кафедры «Теоретической и общей электротехники» ДГТУ с 2000 по 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 8 статей, получено 2 патента Российской Федерации на изобретения.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 155 наименований, и приложения, содержащего акты внедрения. Основная часть работы изложена на 95 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков и 3 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной рабо- ты, определены цель и основные задачи исследования.

В первой главе проведён обзор развития термоэлектрической техники и полупроводниковых ТЭУ, который показал, что на сегодняшний день в этой области накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, разработано и внедрено большое количество разнообразных аппаратов, уст- ройств и приборов. Достаточно полно разработаны методики расчета охлаж- дающих ТЭУ, предложены аналитические, графические и графоаналитические способы расчета, а также численные методы с применением ЭВМ. Проведён анализ режимов работы ТЭУ - минимальной температуры холодных спаев, максимальной холодопроизводительности, максимальной энергетической эф- фективности, и другие. Исследованы вопросы влияния на работу охлаждаю- щих ТЭУ пульсаций тока, контактных электрических и тепловых сопротивле- ний, изоляционных прослоек и других факторов. Проведены исследования в области влияния теплообмена на энергетические и другие показатели термо- электрических охладителей.

В настоящее время одной из областей применения эффективных средств охлаждения и термостабилизации является использование их для термоста- билизации процессоров вычислительной техники. Анализ известных способов охлаждения показал, что применение систем обеспечения тепловых режимов процессоров на основе воздушного, водяного и криогенного охлаждения часто является недостаточно эффективным или неприемлемым из-за эксплуатации- онных и массогабаритных ограничений, а также из-за конструктивной слож- ности таких систем. Наиболее приемлемым решением задачи температурной стабилизации процессора является использование системы охлаждения про- цессора на основе ТЭМ. В последние годы для охлаждения современных мощных процессоров стали использовать такие средства, как полупроводни- ковые кулеры Пельтье. Кулер Пельтье – это система охлаждения, в состав ко- торой входят ТЭМ, радиатор и установленный на нём вентилятор. Основание радиатора находится в кондуктивном тепловом контакте с горячими спаями ТЭМ, а вентилятор служит для создания принудительного воздушного потока, направленного на пластины радиатора с целью повышения коэффициента теплоотдачи радиатор-среда. Благодаря своим уникальным тепловым и экс- плуатационным свойствам кулеры Пельтье, созданные на основе ТЭМ, позво- ляют достичь необходимого уровня охлаждения  процессора без особых техни- ческих трудностей и финансовых затрат. Как кулеры электронных компо- нентов, данные средства поддержки необходимых температурных режимов их эксплуатации являются чрезвычайно перспективными. Они компактны, удоб- ны, надежны и обладают очень высокой эффективностью работы.

Проведённые автором статистические исследования показали, что пробле- ма обеспечения эффективного отвода тепла от процессора достаточно актуаль- на. Одна из составляющих этой проблемы – обеспечение необходимого тепло- вого режима процессора в момент включения и выключения компьютера, когда процессор испытывает сильнейшие тепловые перегрузки. Другая составляющая этой проблемы – это обеспечение теплового режима процессора во время работы компьютера. Проведённые в дальнейшем испытания показали, что плав- ный нагрев и охлаждение процессора однозначно устраняют тепловой удар, а термостатирование снижает температуру процессора при работе компьютера со сложными программами, когда резко повышается загруженность процессора.





С учетом проведенных исследований, сформулирована цель диссертаци- онной работы, которая заключается в повышении надежности процессоров вычислительной техники путем обеспечения необходимого температурного ре- жима их функционирования за счет применения новых систем охлаждения, основанных на использовании ТЭМ в составе систем для охлаждения и тер- мостатирования процессора, определены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе рассмотрены математические модели системы термо- статирования процессора в режиме включения и выключения компьютера и системы охлаждения системного блока компьютера и термостатирования процессора при совместном использовании кулера Пельтье и контейнера с плавящимся веществом.

Рассматриваемое устройство представляет собой устройство для посте- пенного прогрева процессора в режиме включения компьютера и постепен- ного охлаждения процессора в режиме выключения компьютера. Устройство содержит таймер, включающий систему за определенное время до включения компьютера, устройство управления, времязадающую RC-цепь, ТЭМ, установ- ленный на процессоре, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), транзистор, термореле. Постепенный прогрев и охлаждение процессора в режиме вклю- чения и выключения компьютера происходит посредством RC-цепи. Во время работы компьютера температурный режим в процессоре регулируется через ЦАП. Отвод тепла от процессора осуществляется посредством ТЭМ.

Таким образом, условия эксплуатации ТЭМ требуют знания времени выхода на стационарный режим или когда требуемую температуру охлажда- мого (нагреваемого) процессора необходимо осуществить в заданный проме- жуток времени.

Математическая постановка задачи определения температуры в зоне кон- такта ТЭМ и процессора сводится к задаче определения температуры в зоне контакта термоэлемента, сопряжённого с источником постоянного тепловыде- ления . Для случая, когда с источником тепловыделения сопряжён холодный спай, уравнение теплового баланса примет вид:

, (1)

где Q0 – холодопроизводительность одного термоэлемента, вт;

время, час;

СП – теплоёмкость полупроводникового вещества, втчас./ кг°С;

g – вес полупроводникового вещества одного термоэлемента, кг;

Т – коэффициент теплоотдачи, вт / м2°С;

f – поверхность теплообмена, приходящаяся на один термоэлемент, м2;

коэффициент, учитывающий «эффективную» массу полупроводни- кового вещества термоэлемента, участвующую в охлаждении.

– сумма произведений теплоёмкости на вес охлаждаемого, тела, приходящихся на один термоэлемент;

r – полное электрическое сопротивление холодного спая.

Интегрируя выражение (1), получим выражение для понижения темпера- туры холодного спая в зависимости от времени :

, (2)

где Тст - разность температур на спаях термоэлемента в стационарном состоянии.

Для определения времени, в течение которого разность температур на спаях термоэлемента достигнет заданного значения Т, из (2) нетрудно получить следующее уравнение:

, (3)

где

. (4)

Для случая эксплуатации термоэлемента в режиме нагрева (Тх= const) уравнение теплового баланса следующее:

(5)

Здесь - теплопроизводительность одного термоэлемента;

- сумма произведений теплоёмкости на вес охлаждаемого тела,

приходящихся на один термоэлемент;

r – полное электрическое сопротивление горячего спая.

Решение уравнений (5) приводит к виду выражений (2) и (3).

С учётом замедления, вносимого наличием RC-цепи в составе системы термостатирования процессора, выражение (3) примет вид:

. (6)

Таким образом, выражение для температуры горячего спая ТЭМ, прог-

ревающего процессор примет вид:

, (7)

В режиме выключении компьютера направление теплового потока изменяется. В этом случае:

. (8)

Также были проведены исследования каскадных ТЭП для указанных целей. Применение ТЭП подобного типа требуется для достижения более глубокого уровня охлаждения.

На рис.1 и 2 приведены графики зависимости температуры процессора от времени в режиме включения и выключения компьютера. без применения рассматриваемого устройства и с применением устройства, полученные в результате расчётов в пакете прикладных программ Mathcad. Из полученных графиков видно, что применение устройства для термостатирования процес- сора в режиме включения и выключения компьютера позволяет замедлить в 3-

-4 раза увеличение температуры процессора при включении компьютера и снижение температуры процессора при выключении компьютера. Указанное обстоятельство является фактором, обеспечивающим применение рассмат- риваемого устройства в качестве средства для постепенного прогрева процес- сора в режиме включения компьютера и постепенного охлаждения процессора в режиме выключения компьютера.

Математическая модель системы термостатирования процессора с применением плавящегося вещества построена на основе решения задачи Стефана, которая формулируется как задача о сопряжении температурных полей в соприкасающихся фазах при наличии особого граничного условия на движущейся поверхности раздела. Это условие характеризуется равенством температур в соприкасающихся фазах и неравенством тепловых потоков слева и справа от границы раздела, связанных с тепловым эффектом фазового превращения.

Для изучения процессов теплообмена при фазовых переходах, происхо- дящих в рабочем веществе, используется приближенный интегральный метод, основанный на замене истинных температурных кривых их приближенными аналогами. Расчетная схема процесса теплообмена при плавлении и затвер- девании рабочего вещества, соответствующая работе процессора и ТЭМ, при- ведена на рис.3.

Уравнения теплового баланса при плавлении для оболочки 1 и затвердевании для оболочки 2 имеют вид:

(9)

(10)

(11)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.