di  -  lunedì 9 marzo 2009

Durante la mia carriera mi sono spesso imbattuto in soluzioni di raffreddamento “estreme” per CPU, per schede video, per HDD, e, perché no, anche per moduli di RAM. Uno dei metodi più utilizzati e facilmente realizzabili (ma non altrettanto facilmente gestibili) è senza ombra di dubbio il raffreddamento tramite celle di peltier, che è considerato dall’overclocker in erba il primo passo verso il raffreddamento estremo.

Lo scopo del mio post odierno, ennesimo capitolo della mia rubrica “The Hot Spot“, non è tanto quello di fornire un trattato sull’utilizzo di queste particolari pompe di calore, ma di fornire spunti di discussione sul reale beneficio che si ha usandole. 

Chi infatti ha un minimo di esperienza in fatto di overclock di processori e schede video avrà sicuramente prima o poi preso in considerazione la possibilità di far arrivare il proprio processore o chip grafico a temperature sotto lo zero tramite l’utilizzo di queste pompe di calore che a prima vista promettono prestazioni in termini di raffreddamento a dir poco spettacolari, a patto però di saperle gestire con molta cautela, pena la formazione di condensa sui nostri amati chip e quindi un corto circuito decisamente assicurato.

tec_jc.jpg

 Schema semplicistico del funzionamento di una cella di peltier

Per chi volesse approfondire cosa sia in effetti una cella di Peltier, rimando a wikipedia, fonte inesauribile di informazioni “veritiere”.

Al CeBIT 2009 di Hannover, appena conclusosi, non sono stati presentati molti modelli di dissipatori che adottassero questa tecnologia di raffreddamento, ma uno fra tutti, argomento per una news anche di HWUpgrade.it, ha suscitato in me la domanda: perché alcuni produttori di componenti HW si ostinano a presentare soluzioni di raffreddamento con le celle di Peltier, pur sapendo che sono totalmente inefficienti, se analizzate dal punto di vista della mera relazione costo di utilizzo/beneficio?

Vediamo di  chiarire la questione in via del tutto bonaria, senza addentrarci nei calcoli astrusi e complicati che tanto piacciono ai tecnici o presunti tali, ma che in realtà potrebbero non portarci da nessuna parte. Prima di tutto, la cella di Peltier ha un “costo d’esercizio” (chiamamolo così per semplicità) non indifferente: per poter funzionare, necessita di parecchia energia elettrica.

Mi verrà fatto notare che anche le normali ventole usano energia elettrica. Ma c’è una bella differenza tra gli 0,05A assorbiti da una normalissima ventola da 40mm che si può installare sui banchi di ram, senza troppo pretendere dal proprio alimentatore, ed i 4~5A assorbiti da una cella di Peltier usata per compiere lo stesso lavoro.

A parte i consumi, poi, c’è da considerare il fatto che una cella di peltier necessita di essere ottimamente gestita e quindi calibrata nell’utilizzo, per non scendere, dalla parte fredda, al di sotto del punto di brina e quindi creando condensa sul componente da raffreddare. Questo comporta un circuito stampato di regolazione del voltaggio di funzionamento il cui costo poi va ad aggiungersi al costo intrinseco della cella di peltier.

Altro componente necessario è il “cold plate”, in pratica una placca in materiale metallico (rame preferibilmente) che si frappone tra elemento da raffreddare e peltier stessa. Per quanto poco possa costare, è sempre una aggiunta al costo finale. Ed infine, ma non meno importante, il sistema di raffreddamento della parte calda della cella di Peltier. E qui i costi schizzano verso l’alto, considerando che un normale dissipatore ad aria passivo in alluminio già costa qualche €uro in produzione, finito e montato. Non parliamo poi di un eventuale sistema di raffreddamento a liquido dedicato…

Insomma, al posto di una piccola ventolina, che fa egregiamente il suo lavoro (se consideriamo l’applicazione puramente specifica dei banchi di ram di un computer), ci ritroviamo con un sistema di raffreddamento più complesso comprendente una cella di peltier ancorata ad un cold plate in rame, da una parte, ed un dissipatore (a liquido o ad aria) dall’altra, che oltre a costare evidentemente di più della ventolina da pochi centesimi di €uro, ha un peso decisamente maggiore, ed un consumo che non ne giustifica, vista la nuova moda “green computing” in corso, l’utilizzo.

Ora mi ripeto, a scanso di equivoci, la mia stessa domanda: vale la pena di fare tutto ciò?

Sinceramente mi sento di dare una risposta negativa. Sono un amante del raffreddamento estremo, come ben avrete potuto capire leggendo altri articoli della mia rubrica settimanale, ma a tutto c’è un limite. Il limite solitamente si raggiunge quando una soluzione di raffreddamento non solo è efficiente, ma è anche scalabile (e quindi migliorabile con poche modifiche) a costo più o meno irrisorio e soprattutto, limitandomi ad analizzare i costi di acquisto, non ha un prezzo esorbitante.

A questo aggiungiamo che deve essere anche efficiente in termini di consumi energetici. Se una di queste variabili viene disattesa o non rispettata, il sistema di raffreddamento preso in esame perde valore e diventa difficilmente giustificabile nell’ottica di un rapporto costo/benefici.

18 Commenti »

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  • # 1
    __miky__
     scrive: 

    Interessante articolo e giustamente hai specificato una cosa. In rapporto costo/prestazioni ne vale la pena? Non ne ho idea.
    Ma una cella permette di raggiungere temperature piu’ basse di qualsiasi altro metodo? Se si e se il costo non e’ un problema allora non ci vedo nulla di male. Si vuole raggiungere un obiettivo a qualsiasi costo. Tutto qua.
    Ho avuto la fortuna di entrare in un laboratorio di test delle celle e devo dire che mi ha impressionato non poco. Ma non per raffreddare i processori bensì per produrre energia :-)
    Secondo te, non sarebbe possibile sfruttare il calore da disperdere da una CPU per riciclare l’energia “sprecata”?

  • # 2
    George Clarkson (Autore del post)
     scrive: 

    @ __miky__:

    Per rispondere alla tua domanda: no, la cella di peltier non ti permette di raggiungere temperature più basse rispetto a qualsiasi altro metodo. Per essere più precisi, il range di temperature è fortemente dipendente dalla potenza della cella: più potente è la cella, più bassa sarà, ci si può aspettare, la temperatura ottenuta sul chip per esempio. Ma a giocare un ruolo fondamentale è il lato caldo della cella: meglio viene raffreddato, più freddo diventa l lato freddo della cella di Peltier. Ma ci sono sistemi decisamente più efficienti.

    Neanche io ci vedo nulla di male in utilizzare una cella di Peltier per raffreddare la CPU. Altro discorso vale per raffreddare la RAM, come ha fatto il produttore citato nella news di HWUpgrade.it che ho citato. Ma anche nel caso si voglia raffreddare una CPU da 100W e passa, avremo bisogno di una cella di Peltier di altrettanta potenza, ed un sistema di dissipazione di calore che sia capace di dissipare non solo il calore (i Watt) prodotti dalla CPU, ma anche quelli prodotti dalla cella di Peltier (se prendiamo l’esempio di prima, 100W per CPU, 100W per Peltier, ed ecco che un sistema di raffreddamento dovrebbe combattere contro 200W sani sani, non tenendo in considerzione eventuali perdite di energia, ovviamente).

    Per rispondere alla tua ultima domanda, la vedo decisamente difficile, se non impossibile. Per il semplice fatto che la struttura sarebbe decisamente troppo costosa da realizzare per reincanalare il calore prodotto dalla cpu per scopi secondari.

  • # 3
    federico
     scrive: 

    Le celle di Peltier vanno bene per raffreddare i circuiti sotto la temperatura ambiente. Per esempio una volta l’ho vista usare su un CCD collegato a un telescopio amatoriale per abbassare il rumore termico.

  • # 4
    Notty
     scrive: 

    uso la cella di peltier da anni in ambiti differenti da quelli del pc..

    la ritengo un’ottima cosa ma solo per certe cose..

    io le uso perchè sono silenziose.. possono fare regolazione di temperatura a differenza di altri sistemi.. e sono facili da gestire..

    ma.. consumano un mondo.. il rapporto è 1:1 .. se vuoi togliere 100W serve una cella da 100W .. e questo non è per niente efficiente..

    costano.. vanno isolate sennò rischiano di fare condensa..

    ma per spostare calore in tempi rapidissimi sono eccezionali.. il guaio è che se si sottodimensionano sono inutili..

    vanno raffreddate sennò non servono..

    ma scendono ben oltre la temp ambiente se fanno il loro lavoro..

    in un pc le vedo solo se i costi non sono un problema e se si vuole fare un pc silenzioso a prescindere dall’efficienza..

    per il resto.. nell’uso normale.. direi che sono inutili..

  • # 5
    Fede
     scrive: 

    Premesso che attualmente, non ci dovrebbe essere la necessità di ricorrere all’overclokking perché le attuali applicazioni di uso corrente dispongono di potenza di calcolo da vendere …. chi usa invece applicazioni professionali che richiedono ingenti potenze di calcolo, lo fa per professione, per lavoro e dunque preferisce spendere sulla potenza di calcolo piuttosoto che spingere i processori, le GPU all’estremo mediante overclokking.
    Le celle di peltier a mio avviso costituiscono il sistema più efficiente per raggiungere lo scopo di raffreddare del resto si basano sulle stesse entità fisiche che producono calore (detto terra terra gli elettoni sono la causa del calore allora se li sposti mediante l’applicazione di un campo elettrostatico togli calore)… ergo raffreddano meglio e quindi richiedono più energia per raffreddare … sono leggi stabilite dalla termodinamica non possiamo farci nulla.
    Del resto per l’ovverclokker maniaco del freddo poco interessa quanto costa in termini energetici il raffreddare agli estremi … io non condivido questo ma ogniuno fa cio che vuole e che reputa necessario per la propria macchina di calcolo.

  • # 6
    __miky__
     scrive: 

    @George Clarkson
    Grazie della risposta ma forse mi sono espresso male. Una cella di Peltier oltre a fungere da “valvola” per il trasporto del calore da una parte all’altra della cella puo’ funzionare anche al contrario. Ovvero se un lato viene riscaldato e l’altro lato viene raffreddato, la cella produce energia elettrica! Se la montiamo su un processore con un dissipatore normalissimo (ma anche uno ad acqua), la cella potrebbe essere sfruttata per produrre energia e quindi recuperare lo spreco del calore da disspare.
    Non so quali siano i rendimenti (sia della cella sia quelli globali del sistema) in questo caso ma a mio avviso sarebbe piu’ interessante ottimizzarla da questo punto di vista pittusto che il contrario.

  • # 7
    arkanoid
     scrive: 

    Una cella di peltier al contrario si chiama termocoppia e ce l’abbiamo tutti nel formello, nella caldaia e in qualsiasi altro apparecchio che debba avere una sicurezza basata su una rilevazione di temperatura. Nelle applicazioni raffinate, le sonde spaziali che devono uscire dal sistema solare interno e non possono quindi essere alimentate da pannelli fotovoltaici, fanno uso di generatori a decadimento radioattivo che convertono il calore in energia elettrica mediante batterie di termocoppie. L’effetto su cui sono basate è l’effetto Seebeck, il reciproco dell’effetto Peltier. La differenza è che la cella di Peltier moderna è realizzata in modo da ottimizzare il rendimento nel suo “verso di funzionamento”.
    Aggiungo anche che le celle di peltier non hanno un consumo 1:1, ma un consumo variabile dato in prima istanza dalla differenza di temperatura tra i due lati, e cresce in modo non lineare. La cella che lavora con rendimento migliore è quella che asporta elevato calore mantenendo la differenza temperatura tra le sue facce ad un valore piccolo

  • # 8
    Gas
     scrive: 

    Come al solito.. complimenti per l’articolo !
    A suo tempo ho giocato anche con le celle di Peltier (la sola idea di avere un componente elettrico che raffredda mi e’ sempre piaciuta), ma sinceramente non ritengo che (in ambito pc) il gioco valga la candela: consumano troppo.

  • # 9
    George Clarkson (Autore del post)
     scrive: 

    @ Gas

    Grazie dei complimenti. Bene o male siamo arrivati tutti alla tua conclusione: belle da giocarci, interezzanti nel principio fisico e termodinamico, ma decisamente inefficienti se applicati alla vita reale, ovviamente specificatamente parlando del raffreddamento di componenti all’interno di un PC.

    Le celle di Peltier hanno una loro ragione di essere quando devono raffreddare piccoli componenti o piccole quantità di liquido che sono già stabilmente a temperatura ambiente o poco più. O se devono raffreddare in pochissimo tempo componenti (come piccoli laser) che raggiungono temperature elevate in pochi secondi, ma che poi smettono di emettere calore.

    Non è certamente il caso di un processore, purtroppo…

  • # 10
    Riccardo C. [Gibbo]
     scrive: 

    Le celle di peltier, per quanto riguarda il raffreddamento di cpu et similia sono sorpassate: troppo costose per l’utilizzo in daily (e rimpiazzate da phase o ottimi sistemi a liquido) e sorpassate per l’utilizzo estremo da dry ice / azoto liquido, molto più semplici da utilizzare.

    Agli albori del watercooling venivano utilizzate spesso, sia in sistemi stabili (TRex 1-2-3, in più ricordo anche un dissipatore ad aria Thermaltake utilizzante una tec, per di più fortemente sottodimensionata) sia in sistemi da bench (E.S.T.A.S.I.)

  • # 11
    battagliacom
     scrive: 

    @ George Clarkson:
    Perchè nell’articolo all’inizio hai detto che sono utili per gli overclocker in erba? Sono forse più facili da far funzionare/installare di un raffreddamento a liquido?

  • # 12
    George Clarkson (Autore del post)
     scrive: 

    @ battagliacom

    Non ho scritto che sono semplici, ma che sono il primo step che ogni overclocker all’inizio percorre nella ricerca delle migliori prestazioni di raffreddamento, dato che comparate a sistemi ben più prestanti (dry ice, LN2, phase) sono relativamente più a buon mercato, più semplici da reperire, di relativamente facile installazione e funzionamento. Ma che siano adatte per l’inesperto overclocker, questo no. Anzi: proprio a causa della loro relativa semplicità vengono considerate come la soluzione ideale per ottenere basse temperature con overclock estremi, ma senza considerare le problematiche che ne comporta l’utilizzo, che come ho scritto sono la condensa, se il sistema non è perfettamente coibentato, ed il consumo eccessivo, che le rende totalmente inefficienti per lo scopo.

  • # 13
    AAA
     scrive: 

    Qui cè un tipo che ha raggiunto temperature sottozero, precisamente -12°C
    http://www.webalice.it/tittopower/page22.html

    Comunque ci tengo a precisare che queste celle non sono adatte a produrre energia, cè molta perdita!

  • # 14
    save
     scrive: 

    Mi sembra cretino paragonare una ventola la cui unica funziona è quella di spostare dell’aria e le celle di peltier che riescono a raggiungere anche temperature sotto zero. Chiaramente non si useranno celle da 50 watt ne basterebbero anche grosse come un francobollo collegate a un buon sistema di dissipazione rigido.

  • # 15
    Max2011
     scrive: 

    Avendo una fonte di calore “GRATUITA” intorno ai 110°/120° (anche più elevata fino a 200°) e una di raffreddamento, intorno ai 25/30° acqua e/o aria (in inverno anche più bassa) è proprio improponibile pensare di sfruttare le celle di Peltier in “BATTERIA” per produrre energia elettrica (anche solo 500/600 Wat)? Ci sono Celle di Peltier “ottimizzate” per produrre energia elettrica piuttosto che freddo? Sapreste indicarmi dove acquistarle?

  • # 16
    Fabrizio
     scrive: 

    Le celle di peltier sono degli specchietti per le allodole (per non scomodare la proverbiale citazione di fantozzi riguardo il film della corazzata…) quando utilizzate nei frigoriferi.

    Vi sembrera’ incredibile ma nella mia vita ho assistito (per non dire subito) il funzionamento di un cosiddetto “frigorifero” a cella di Peltier. Una cosa veramente ridicola: una cella di 70 watt affiancata ad una ventola che stava ovviamente accesa a girare 24h/24 non riuscendo mai a raggiungere il minimo di termostato.

    Invece per uso elettronico a distanza ravvicinata ritengo possa essere utile a condizione di poter disporre dell’energia necessaria per farle lavorare.

    Ritengo anche che esse possano essere molto utili se applicate a dei ventilatori d’ambiente per gli appartamenti in sostituzione dei condizionatori… sia in termini di consumo che di efficienza (efficienza nel senso che si potrebbero benissimo disporre tanti ventilatori per ogni rispettiva stanza)

  • # 17
    max
     scrive: 

    Le celle di peltier sono assolutamente inutili per raffreddare CPU, la distanza dal lato caldo e quello freddo è troppo piccola e richiedono troppa energia e non esiste nessuna scusa in quanto anche se silenziose necessiterebbero di grossi raffreddatori per il lato caldo, senza poi contare l’effetto di condensa.
    Sono utili solo in campo medicale per raffreddare piccole telecamere o in ambito industriale dove servono a raffreddare in maniera costante alcuni sensori termoscopici o appunto telecamere che necessitano di un contenitore stagno e contenuto.
    L’unica interessante applicazione è nell’Energy harvesting dove vengono usate per generare energia anche se non sono per nulla efficenti ma considerando che i pannelli solari sono ridicolarmente poco efficenti e non funzionano in mancanza di luce e sono considerati una panacea per risolvere i problemi energetici, le Peltier potrebbero avere un senso…

  • # 18
    Roberto
     scrive: 

    Risposta a Max2011
    Le celle di Peltier per produrre energia si chiamano termocopie e sfruttano l’effetto Seebeck, come già detto da Arkanoid.
    Però mi sembra che il tuo ragionamento abbia un pecca logica.
    Se per temperatura gratuita superiore a 100° ti riferisci alla CPU di un computer e lo vuoi sfruttare con una termocopia che abbia l’altro lato a temperatura ambiente o sia in contatto con un liquido che scorre, non hai considerato che rischi la fusione della CPU, la quale per funzionare ha bisogno di essere raffreddata, ma se la raffreddi non hai più i 100°, quindi c’è un errore logico nel tuo ragionamento.
    Devo invece complimentarmi con te per la tua voglia di conoscere, di ragionare e di assorbire input (come si direbbe in un vecchio film di fantascienza): in queste risposte puoi trovare tutti gli stimoli giusti per approfondire. Per gli acquisti puoi rivolgerti ad un negozio di componentistica elettronica che si rifornisca alla Distrelec o alla RS e che se capiti col commesso giusto ti può anche fornire altri input.

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