Аспирант Университета ИТМО Даниил Абрашин разрабатывает систему охлаждения для серверов и персональных компьютеров, которая при помощи термоэлектрических эффектов преобразует излишнее тепло от процессора в электроэнергию. В теории ее можно даже использовать для питания дополнительного оборудования.
В этой статье расскажем о сути проекта.
Как обычно охлаждают термоэлектричеством
Принцип работы термоэлектрических систем охлаждения основан на эффекте Пельтье —переносе тепловой энергии при прохождении электрического тока через контакт двух материалов с разным уровнем энергии электронов зоны проводимости. За счет этой разницы контакт, проще говоря, выделяет или поглощает энергию (тепло) в зависимости от направления электрического тока. В металлах эффект Пельтье слишком мал, поэтому в практических приложениях термоэлектричества используют сочетание полупроводников p и n-типов, у которых разница уровней энергии электронов в зоне проводимости больше.
Конструктивно элемент Пельтье, применяемый для охлаждения, представляет собой множество термопар, соединенных параллельно и расположенных между двумя керамическими пластинами. При пропускании электрического тока за счет описанного эффекта модуль охлаждает одну пластину относительно другой.
КПД элемента Пельтье довольно мал, даже если не учитывать тот факт, что и сама конструкция при прохождении электрического тока немного нагревается. Его хватает для охлаждения “бытового” процессора. Но при попытках отводить большие объемы тепловой энергии, охладитель просто перестает работать, поэтому до сих пор они не применяются активно в серверных системах (да и на рабочих станциях тоже не распространены).
Как работает элемент Cold Energy
Научная группа из Университета ИТМО во главе с Даниилом Абрашиным, сейчас — аспирантом второго курса факультета инфокоммуникационных технологий ИТМО, подошла к вопросу несколько иначе, задействовав механизмы, основанные на эффекте Зеебека — возникновении термо-ЭДС при последовательном соединении нескольких разнородных проводников в условиях градиента температуры. Созданный охлаждающий элемент не рассеивает тепло, отведенное от одной из поверхностей, а преобразует его в электрический ток, который можно было бы использовать в том числе для питания дополнительного оборудования (после преобразования к 12 В).
В основе проекта наработки международной научной лаборатории, в которую входили Калифорнийский технологический институт, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, а также коллеги из Турции и Университета ИТМО. В свое время Даниил не успел поучаствовать в этом международном проекте, поскольку он был завершен к моменту его поступления, но начал изучение полученных лабораторией данных еще в магистратуре.
Ученые этой лаборатории показали, что в термоэлектрических устройствах можно эффективно использовать нанопорошок теллуридов сурьмы и висмута, полученный измельчением этих материалов в механоактивационной мельнице. Причем, чем меньше размер нанозерна в смеси, тем эффективнее работает перенос тепла.
При чем тут фуллерены
Международная лаборатория предложила создавать термоэлектрические устройства с помощью экструзии смеси нанопорошков на подложку. К сожалению, в ходе этого процесса нанозерна реклисталлизуются, вырастая до размеров 10-15 нм, из-за чего вырабатываемая созданным устройством термо-ЭДС уменьшается.
Чтобы уменьшить размер нанозерен, группа во главе с Даниилом предложила использовать фуллерены. Порошок фуллерена добавляется к нанозернам теллурида сурьмы или висмута после мельницы. А для дальнейшего формирования охлаждающего элемента используется искровое плазменное спекание. В ходе этого процесса между нанозернами под воздействием электрических разрядов образуется плазма, и так зерна попадают в оболочку из фуллерена, которая препятствует их рекристаллизации. Происходит это достаточно равномерно — частица металла обволакивается фуллереном, благодаря абсорбции, и не растет в ходе спекания. В итоге размер полученного зерна не превышает 5 нм.
Кстати, для получения такой оболочки можно использовать не только чистый фуллерен, но и фуллереносодержащую сажу, что позволяет удешевить производство.
Работы по изучению поведения нанокомпозита из фуллерена и теллуридов сурьмы и висмута Даниил с командой начинал в рамках программы "УМНИК". Впоследствии команда поменялась и специалист начал прикладные исследования уже в рамках конкурса “Студенческий стартап”, который проводился Фондом содействия инновациям. В рамках конкурса эта разработка была признана одной из лучших.
На разработанный нанокомпозит в данный момент оформляется патент на территории Евразийского союза.
Перспективы
Сейчас у научной группы есть точные данные только по нанокомпозиту, но не по конечному устройству. В узком диапазоне температур полученный материал вполне эффективен. Он не очень жаростойкий, поэтому его нельзя использовать для охлаждения того же автомобильного двигателя. Но он вполне применим в серверных системах охлаждения.
Сам лабораторный образец пока не собран — его реализация запланирована на следующий этап работ. Параметры конкретного устройства будут зависеть от количества термопар и их соединения между собой. Предположительно устройство будет состоять из 254 полупроводников (составляющих 127 термопар). Вес устройства будет около 20 грамм. Форма — пластина 60 на 60 мм толщиной около 5 мм. Как и нанокомпозит, устройство будет запатентовано.
Себестоимость одного модуля с учетом маркетинга и логистики оценивается на уровне 850 р., что гораздо ниже среднего кулера для процессора (3-4 тыс. рублей). А задействованные технологии производства достаточно распространены, поэтому после подготовки лабораторного образца и его тестирования, вполне можно запустить серию. Хорошей базой для этого могла бы быть дочерняя компания одного из крупнейших мировых производителей термоэлектриков и в частности элементов Пельтье — компания "Экоген Технолоджи", базирующаяся в нашем городе. При этом производство могло бы использовать только российские компоненты и материалы.
Лабораторный образец должен появиться к концу 2023 года. Возможно, к этому времени будет готово и MVP для выхода на рынок. Сам Даниил открывает свое малое инновационное предприятие для дистрибуции и развития продукта. Это необходимое условие для участие в программе “Старт”, предоставляющей грант на производство и реализацию инновационных разработок.
Имея пока только предварительные данные по самим материалам, исследователи оценили возможную вырабатываемую мощность модуля. При охлаждении обычного “бытового” процессора она находится на уровне 0.72-0.96 квт-час в сутки. Если предполагать, что система охлаждения работает круглосуточно, для тарифа в 5,23 рубля за квт-ч в Санкт-Петербурге получаем экономию примерно в 1,8 тыс. рублей в год. Естественно, для использования этой электроэнергии потребуется дополнительное преобразование тока, но этот вопрос будет решаться позже — пока речь лишь о теоретических оценках.
Эта экономия не настолько велика, чтобы побудить менять существующий кулер. Но научная группа предполагает, что основной эффект будет от масштаба, поэтому в качестве целевого рынка рассматриваются именно серверные системы. На серверных процессорах можно получить большую разницу температуры, а значит и более высокую термо-ЭДС (а вместе с тем и более высокую экономию).
К слову, эта ниша на рынке сейчас как раз освободилась из-за ухода мировых производителей систем охлаждения — IBM, Intel, Dell и других. Активно развивается вторичный рынок и цены на нем существенно выросли. Разработка Даниила и команды легко сможет конкурировать с этими решениями, несмотря на то, что покупатели серверов не торопятся обновлять системы охлаждения, когда они работают вполне эффективно.
А что дальше
В этом направлении еще есть, куда двигаться. Например, можно применить другие слоистые наноструктуры для препятствия рекристаллизации нанозерен. Или отшлифовать нанокомпозит при нанесении на керамическую подложку. Также в теории систему можно сделать эффективнее, если дополнительно снижать температуру элементов с помощью других методов охлаждения — допустим, использовать активное охлаждение. Это гарантированно увеличит эффективность охлаждения, но пока не ясно, насколько сильно такая модификация отразится на термо-ЭДС.
Однако все эти нововведения повысят стоимость производства охладителя, поэтому пока идеи отложены. Если технология приживется в сегменте систем охлаждения, ее можно будет доработать одним из описанных путей.
Сам разработанный материал может применяться не только в системах охлаждения. Он достаточно термочувствителен, чтобы стать основой датчиков систем умного дома или термореле для других применений.
Комментарии (23)
Javian
24.01.2023 11:44Странно называть это "системой охлаждения для серверов и персональных компьютеров", если эта основная функция работает кое-как.
Mishootk
24.01.2023 12:02+2Каким образом будет охлаждаться внешняя сторона генератора? Генератор генератором, но теплопроводность никто не отменял - рано или поздно внешняя сторона сборки тоже прогреется. Ладно, отвели мы от процессора тепло и в электричество преобразовали. Потребляем-то его чем? Соседним чипом? А с него тепло чем снимаем? Я подозреваю (с чего бы это?) что компьютер - это на 99% с хвостиком нагревательный прибор. Вот все что он из розетки потребляет, в воздух теплом и выбрасывается.
DGN
25.01.2023 02:27Как раз от внешней части тепло отведет воздух. Проблема теплопроводности такого кулера, она будет мягко говоря плохой. Но это как раз не проблема вообще, раскидываем тепловыми трубками или медной наковальней тепло на более широкую площадь. Важен сам факт выработки электричества на низком градиенте полупроводниковым прибором. Причем с КПД в 30-40%, что сравнимо с тепловыми машинами. Это революция похлеще термояда, ну ладно, сравнимая.
DIIV
24.01.2023 12:21+5Да даже на питание вентилятора кулера на этом же пельтье не хватит, что уж говорить о вечном троттлинге бедного проца даже в браузере.
zenhower
24.01.2023 13:08+6Вспомнилось как двигатель Стирлинга привязывали к охлаждению чипсета. Хоть и там больше вау-эффекта, чем ветра, но он хоть не мешал отводу тепла.
Hidden text
cahbe
24.01.2023 13:07Сколково ещё не закрылось? Щепотка идеи, 5 станиц с википедии про "нано флуарисцены", 5 параграфов про гранты и "наш город"...
Проц нужно держать на уровне 60-80с, и не процом единым (там на матери ещё есть всякие штукидрюки которые тоже не хотят кипеть), элемент платье больше как игрушка для школьных эксперементов и вообще никак нигде не используется. Неужели нужно иметь 4 высших докторских что бы быть в курсе этого?
Когда подобные статьи про школьника изобретателя в фысбуки это ещё можно понять, но зачем хабру этим насиловать?
sden77
24.01.2023 15:06+1всё уже придумано давным давно - в любом магазине каминов можно купить печной вентилятор на элементе Пельтье
saege5b
24.01.2023 19:59А какую тепловую мощность оно способно отвести?
1000 Ватт / 24 часа = 42 Ватта, если уж прям так в лоб.
Для ноутбучного конструкция монструозна, для настольного - маловато будет (с).DGN
25.01.2023 02:32Это не отвести, это оно произведет столько электричества, что дает нам КПД в 30-40%! Датацентры будут экономить треть на питании серверов и еше треть на охлаждении, а потом проведут межпланетный шахматный турнир!
DGN
25.01.2023 01:55+3Я прям хочу 0.96 квт-часа в сутки с пластинки 6*6 за 800р! Элемент Пельтье 5*5 мне не дает и ватт-часа в сутки. Где купить, пощупать, куда инвестировать?
YMA
Ухудшаем эффективность охлаждения в разы (по тепловому сопротивлению), чтобы добыть жалкие ватты энергии? Странная штуковина...
LevOrdabesov
Не обращайте внимания. Кто-то в очередной раз открыл для себя элемент Пельте, и для грантоёмкости решил добавить нанотехнологий. В ближайшем времени таких прорывов будет масса.
onlinehead
Не, конечно безусловно haters gonna hate, но если постараться не вбрасывать про грантоемкость и нанотехнологии, то что на выходе?
Кривое позиционирование и нейминг при в целом разумной идее (не факт что реализуемой на практике, но идея то разумная). Это просто не является системой охлаждения как таковой, это - попытка вернуть часть энергии с преобразованием её в электрическую, то есть тут скорее речь о повышении энергоэффективности тех же ДЦ.
Если их расчеты верны, то они утверждают, что с бытового процессора они могут получить что-то около 0.72 квт\сутки. Не знаю что у них там подразумевается под "бытовым процессором", но не суть, пусть будет эта цифра для любого процессора.
Сервера охлаждаются продувкой, на компонентах пассивные радиаторы. Ну либо водянка с внешними магистралями. В обоих случаях нет, эта штука не заменит подобного охлаждения, но - я не вижу никакой принципиальной технической проблемы в том, чтобы при сохранении традиционного охлаждения часть тепла давать на подобные элементы. Теплотрубки и расчтет теплопереноса изобрели прям достаточно давно, чтобы оно стоило более чем разумных денег и было вполне реально посчитать это все так, чтобы работало в этой части.
Итого, опять же по их цифрам, со стойки (38 юнитов с серверами к примеру, пусть будет по 1 процессору на юнит или по 0.72 квт/сутки) будет 27 киловатт в сутки, 135 рублей при электричестве по 5 рублей за киловатт (потери всякие не учитываем, да, но поднимать 12 в 110\220 уже давно научились и весьма неплохо), или чуть больше 4000р в месяц, 48 тысяч рублей в год. Экономику конечно надо считать более тщательно, но данных для этого маловато, хотя пока выглядит так, что шанс сойтись у неё есть, при условии что система будет стоить около тысячи на юнит (включая стоимость преобразования). Правда получится ли такое сделать - большой вопрос, учитывая то, что даже базовая цифра про 0.72 квт/сутки непонятно как и на чем получена и рассчитана, а преобразование тут явно низкотемпературное с дельта-Т градусов эдак 40, а учитывая публикации по этой теме и КПД низкотемпературных установок в 5-7% в этих публикациях оно само по себе выглядит как неплохой такой прорыв, если правда.
Поэтому идея в целом может быть и не такой дурной, как она для вас выглядит на первый взгляд, зацепившийся за "нанотехнологии". Охлаждать этим эффектом явно бессмысленно, но вот экономически эффективно забрать часть тепла в электричество - почему бы и не попробовать.
YMA
Тут в соседней теме народ переживает, что процессоры стали холоднее, и из-за этого снизилась эффективность систем охлаждения в ЦОДах. А это предложение делает еще хуже.
Вообще, повышение КПД термоэлектрических элементов - это хорошо, РИТЭГи, походные генераторы и т.д. скажут спасибо. Если оно еще и в обратную сторону работает - вообще прекрасно, даешь твердотельные холодильники без движущихся частей (я экспериментировал с элементом Пельтье во времена Pentium 4, прикольно, но не понравилось).
Но вот этот вариант его использования не нравится вообще - там, где ухудшение охлаждения будет некритично - много энергии не добыть. А там, где много энергии - нельзя ухудшать охлаждение.
onlinehead
Да, вы правы, но вот мы уже перешли от "не обращайте внимание, это ерудна" к поиску более удачного прикладного использования технологии вместо, простите, "засерания" её в стиле "опять распил".
Хотя, конечно, черт его знает, что там на самом деле по фундаментальным подвижкам, может и распил. Нужно больше цифр и фактов.
LevOrdabesov
Формально, в теории, вы всё изложили верно.
Но, собственно говоря, я и не говорил, что идея плохая или нереализуемая. Проблема этой идеи в другом — она давно на поверхности и известна даже школьникам. Тот факт, что она не была реализована до сих пор (в т.ч. с добавлением нановсякого) в достаточно серьёзных масштабах теми, кто может себе позволить заниматься такими вещами, говорит о том, что, видимо, есть проблемы: либо не такой интересный КПД, либо очень дорого (включая разнообразные попутные и накладные расходы).
Опять же, что касается фуллеренов и прочего карбо-нано: хайп вокруг них стоит уже давно, но текущая ситуация по массовому производству, AFAIK, — "как сделать это всё хоть чуть дешевле".
Я прекрасно вас понимаю и тоже с удовольствием бы утилизировал лишнее тепло (глядишь, и тепловой смерти избежим). Но этим занимаются миллионы умных людей во всём мире (и всё равно ничего не получается). А тут один Даниил с нанопредприятием.
Bedal
тем не менее, идея именно плохая. Градиент мизерный, и, чтобы снять сколько-нибудь заметное количество энергии, потребуется огромный размер.
kometakot
arheops
Ну как же она разумная.
Если у вас есть улучшение КПД — ну так куча источников низкопотенциального тепла в тысячи раз большей мощности и гораздо менее чувствительным к перегреву. И, главное, с большей температурой.
Те же трубы электростанций или обычные камины и печки.
А тут они всего намешали чтобы… что? Сказать что потенциал есть, но дорого. Ну так это было известно еще лет 30 назад.
hurtavy
вот меня как раз и заинтересовал вопрос, сколько же там дельтаТ при толщине элемента в 6 мм?
Exchan-ge
2005 год.
Отопление еще не включили, хотя уже здорово похолодало. Колотун в квартире.
Работаю (ну ладно — честно: играю :) на ноуте лежа.
И тут мне пришла в голову блестящая мысль направить поток горячего воздуха от ноута под одеяло :)
Gar02b
Хейтерс гонна, потому что на выходе вот что.
Нижняя пластина прилегает к CPU, а верхняя - к атмосфере.
Если не отводить эффективно тепло от верхней пластины, то термопары нагреются и "сделают досвидос" термоэлектрическому эффекту: энергия перестанет вырабатываться.
То есть верхняя пластина без кулера - профанация. А на вращение кулера требуется энергия.
Итого: идея уже имеет смысл, если авторам удастся получить достаточно энергии, чтобы крутить кулер на радиаторе термоэлектрической батареи так, чтобы тепловой баланс системы был неотрицательным.