Projekt: ICOD - hibridni peltier sustav

[perestrojka]

Disclaimer - procitao sam pravila o pisanju na Srpskom, no ne poznajem dobro gramatiku ekavice pa da ne izmisljam toplu vodu cu pisat na 'nasem', ako tekst krsi pravila foruma nek admini/modovi napisu pa cu promjeniti formu.



Nakon par mjeseci 'kuhanja' ideje, prebacio sam se u realizaciju iste.

Dakle radi se o hibridnom TEC ( Peltier ) sistemu. Kakav je to 'hibridni'? Pa, ajmo reci da takav pali/gasi i prilagodjava postojecu petlju vodenog hladjenja sa dodatnon peltier petljom, nesto kao kombinacija chillera i aktivne petlje u jednom.

Obicno ekipa ili hladi petiler vodom odnosno montitra ga direktno na CPU/GPU ( njega hladi blokom ) te pritom drzi isti u punom mahu 0/24, ili pak slazu 2 odvojena sistema vodenog hladjenja, jedan koji hladi peltier(e) koji pak hlade vodu u drugoj petlji zaduzenu za CPU/GPU.

Povecani kapacitet hladjenja uvidjamo kao prednost kod 2. tipa, posto imamo neogranicene mogucnosti za skaliranje ( stacking ) peltierima, naravno to najcesce za sobom vodi dodatno kuciste, dodatne komponente i zauzima vise prostora nego direct-die ( 1. tip ). Oba tipa ( i direct-die i chiller ) od nas traze da imamo peltiere u punom pogonu za vrijeme rada racunala. ( Ovo su samo neki od nedostataka, postoji ih puno vise, od kondenzacije pa do sile potrebne za montazu peltiera )


Hibridni sistem koji imam u planu napraviti ne trazi stalni pogon peltiera te nam omogucava paljenje/gasenje istih te premoscivanje glavnog loop-a po potrebi. Otuda i naziv ICOD ( Ice on Demand ).
Ovaj koncept definitivno nije za 'mase' posto trosak kod izrade i za vrijeme rada istog prelazi potencijalne dobitke kod hladjenja, te pada negdje izmedju kompresora i obicnog vodenog hladjenja po performansama, dok financijski debelo prelazi trosak kompresora. Benefit je, mozda, tisi rad od kompresora, no definitivno nece bit tisi od obicnog vodenog sistema.

Posto su peltieri nauka za sebe, a i 'vodoinstalaterstvo' u ovom slucaju ide van granica standardnih loopova, projekt ce se djeliti na 3 grane:

1. Dizajn i izrada izmjenjivaca topline
2. Vodoinstalaterski dio, odnosno spajanje 2 loop-a kao jedan
3. Dizajn i izrada kontrolera za peltier(e) + elektromagnetne ventile koji su dio 2. grane


Pojasnjenja ( ugrubo ) svake grane:
----------------

1. Dizajn i izrada izmjenjivaca topline -

Radi se o custom made bloku cija ce svrha biti komprimiranje povrsine potrebne za izmjenjivanje topline na najmanju mogucu ( cilj: kompaktan sustav ) te omogucavanje skaliranja sa minimalno potrebnog materijala ( cilj: redukcija troskova )

----------------

2. Vodoinstalaterski dio, odnosno spajanje 2 loop-a kao jedan -

Idejno je zamisljeno da je prilikom 'normalnog' rada aktivan jedan ( glavni ) loop koji ima vecina racunala sa sustavom vodenog hladjenja ( blokovi, pumpa, radijator, rezervoar, itd... ), dok se prilikom 'hibridnog' moda glavni loop premoscuje te koristimo taj isti radijator iz glavnog loop-a kako bi izbacili visak toplinske energije sa peltiera u okolni zrak dok istovremeno blokovi, pumpa i rezervoar glavnog loopa koriste izmjenjivac topline kao 'radijator'.
To ce se postici sa kombinacijom razdelnika i elektroventila.

----------------

3. Dizajn i izrada kontrolera za peltier(e) + elektromagnetne ventile koji su dio 2. grane -

Posto peltieri nece biti u punom pogonu tokom rada racunala, vec ce se paliti po potrebi, potrebno je dizajnirati kontroler za iste. Kontroler ce takodjer upravljati i sa elektromagnetnim ventilima.
Kontroler je zamisljen kao standalone jedinica koja ce takodjer imati hibridan mod upravljanja ( ili automatika ili eksterna kontrola ). Kod automatskog rezima, kontroler ce biti moguce upaliti manualno preko kontrolnog dugmeta ili pak eksterno preko 4 pin headera dizanjem RPM-a preko odredjene vrijednosti. U oba slucaja rezim rada je automatski, hladjenje kontrolira mikrokontroler.
U trenutnoj reviziji ( rev. 2.0 ) kontroler pali/gasi peltier prema PWM ciklusu, sto je 'losiji' nacin regulacije snage peltiera, tako da je u planu kod nekih buducih revizija prebacit se na varijabilni buck konverter no on iziskuje vise matematike te je kompleksniji za izradu.

----------------

 

[perestrojka]

1. Dizajn i izrada izmjenjivaca topline -

Kao sto je i navedeno, ugrubo "Radi se o custom made bloku cija ce svrha biti komprimiranje povrsine potrebne za izmjenjivanje topline na najmanju mogucu ( cilj: kompaktan sustav ) te omogucavanje skaliranja sa minimalno potrebnog materijala ( cilj: redukcija troskova )"

Klasican pristup izmjenjivacu topline koji vidjamo je taj gdje ekipa koristi 2 bloka za vodeno hladjenje te peltier stisnut u sendvicu izmedju oba. Peltier kao termalna pumpa hladi jedan blok te grije drugi. 'Hladan' blok potom snizava temperaturu vode ( najcesce je to ili antifriz u vecoj koncentraciji ili alkohol ) koja pak hladi ostatak komponenti ( CPU/GPU ); dok 'topli' blok sluzi kao hladnjak peltiera te predaje toplinsku energiju komponenti tekucini koja prolazi kroz radijator da bi tako prenijeli energiju u ambijent.

Taj sistem nije pogresan, dapace radi i koristen je veoma cesto. No je li efikasan, o tom bi se dalo pricati ( efikasno i peltier ne idu zajedno, znam.. no u ovom slucaju pokusavamo postici sto efikasniji prenos energije sa peltier elementa u oba smera ).

Prvi problem koji se javlja kod tog sistema je nacin montaze blokova i sila potrebna kod montaze peltiera na rashladna tijela.

Kao sto vidimo na slici iznad, pravilno montiranje je ono na skroz lijevoj strani, dok srednje i skroz desno nije pozeljno ( vecina blokova koristi princip prikazan u srednjoj ilustraciji )

Drugi problem je velicina te kontrapcije, da bi uspjesno skalirali peltiere u sto manje prostora treba pristupiti izradi neceg specijalnog za tu svrhu.

Ideja je eliminirati 2 'hladna' bloka te napraviti jedan sa 2 povrsine od bakra.

U ovom slucaju imat cemo sendvic koji se sastoji od centralne jezgre, na cije strane ce se montirati peltieri na koje pak ce se montirati standardni blokovi za vodeno hladjenje ( sa specijano prilagodjenim bracketima )


Dio jezgre koji ce se izradjivati od derlina




Dizajn bakrenog dijela izmjenjivaca preko kojeg ce se vrsiti izmjenjivanje energije izmedju peltiera i rashladne tekucine.



Idejno je razvoj izmjenjivaca stao na reviziji 1.1 te stoji par mjeseci tako, nadam se da ce kolega ( ing. mehanike fluida ) uskoro moci uskociti te ce se dizajn finalizirati.

 

[perestrojka]

3. Dizajn i izrada kontrolera za peltier(e) + elektromagnetne ventile koji su dio 2. grane -

Preskacem 2. grupu zasad posto je idejno sve na papiru kao jedna velika srkabotina i cekam Alphacool da se udostoje poslati paket s robom ( financijski je ovo najskuplji dio samog projekta zbog High Flow elektromagnetnih ventila ).

Dakle kontroler je kompletan DIY te podrzava:
1 ili 2 LCD display-a ili pak modula za prosirenje
2 temperaturna senzora na ulazu i izlazu iz jezgre izmjenjivaca
2 temperaturna senzora na svakom peltieru
mjerenje potrosnje po peltieru
PWM regulaciju pojedinacnog peltiera
2 4-pin headera za ili fan in ili fan out


Nije idealan kontroler, posto peltiere nikako ikako ne bi trebalo paliti/gasiti svako malo ( mehanicki stres, elektricni stres ) pa je pozeljno regulaciju istih odraditi sa buck konverterom, buck konverter je dakako kompleksnija varijacija istog koju cu raditi kad se kompletan projekat zgotovi, pa ce to biti vise kao upgrade kontrolnog modula, no otom potom.

Srce kontrolera je dobar stari Atmel ( u ovom slucaju ATmega64, po potrebi ce se ubaciti ATmega128, no zasad je i 64 dovoljan ).

Kontroler kao takav ce podrzavati vise modusa rada, full-auto, full-manual, ext-auto ( kontroliran preko PWM-a sa maticne ploce ), ext-manual, max-power. Svi modovi su slicni u 80% stvari, ostatak po kojima se razlikuju je nacin regulacije peltiera.

Automatski modovi ce vecinom pokusati odrzavati temperaturu iznad tocke kondenzacije ( kontroler mjeri vlaznost i temperaturu ambijentalnog zraka ), odnosno eng. 'dew-point'.
Kontrola preko maticne ploce ce biti izvedena na slj. nacin - kontroler ce paliti peltiere i prebaciti petlju u hibridni nacin nakon sto dignemo RPM na ploci za odredjeni 4-pin konektor, npr. iznad 2500RPM. Zasad je to najjednostavniji nacin koji ce posluziti dok se ne odradi nativni app za kontrolu modula preko USB-a, sto nam otvara vise mogucnosti kao monitoring i kontrolu preko programa u OS-u.


Vecina kontrole i podesavanja zasad ce ici preko rotacijskog enkodera dok ce monitoring kao takav bit izveden na grafickom display-u 128x64px.

revizija kontrolera v1.1


Testiranje temperaturnog senzora sa skrvnavim displayem ( gg kina ! )


Danas mi stize novi pcb, revizija v2.0 pa ce bit sastavljen tokom dana.

No zasad evo PCB dizajna istog:


Ekspanzijski modul za kontrolu ventila ( koji su nista drugo nego solenoidi ) ce pricekati dok mi isti ne stignu, posto Alphacool nije u stanju napisati/dat informaciju koliki je otpor zavojnice te koliko struje trose ventili u radu... unatoc tome da jedan ventil kosta 45eur i trebam ih nekoliko... GG customer service! Takodjer ekspanzijski modul ce bit dizajniran na nacin da iskljucuje hibridni mod u slucaju da mikrokontroler 'krepa' u radu, tojest cijeli sustav se vraca u 'normalan' mod ukoliko nesto ode po zlu.


Uz napomenu da je ovo sve 'raw' i dosta zbrzano, prate se standardi naravno i ne stedi se na failsafe metodama no uz redovan posao ovo ide 'mic po mic' i iziskuje dosta razmisljanja unaprijed, taman kad sam pustio v2.0 u izradu sjetih se jos neceg sto sam mogao dodati i je*i ga... pricekat ce do rev2.1.



Peltieri u ovom slucaju su 2 x TEC1-12730HTS

 

[perestrojka]

Po dostavi novog PCB-a za v2.0 ( zelena maska ), usporedno se vidi optimizacija naspram v1.1 ( crna maska ) na slikama ispod.

Smanjena je ukupna velicina, dodano par novih filtera i pull-up otpornika te povecana debljina bakra sa 1oz na 2oz.


Jos mi saljivi kinezi ubacili mali lenjir kao 'gift', ocito je to njihov nacin iskazivanja zabrinutosti za moj vid, posto sam malcice fulao raspored 6 pin konektora... jbg, revizija 2.1 ce uskoro izgleda

Kontroler rev2.0 sastavljen napola ( dovoljno za test i razvoj koda )


U pogonu sa test potrosacem ( brzi test senzora za struju ) i ovaj put ispravnim LCD-em ( nakon onog prvog sto radi napola sam uzeo 5 komada, zlu ne trebalo, pa nek dodje 1 ispravan ja srecan.... )


Te jedna brzinska fotka s 'mesta zlocina', odn. pakleni magacin u kom se sve to pravi

 

[perestrojka]

Informativni apdejt:

* Alphacool i dalje nije poslao paket s opremom, uskoro se blizi 3. nedjelja kako 'zadrzavaju' posiljku.. toliko o nemackoj brzini i pouzdanosti...
* Kontroler je testiran 'na brzinu' s peltierom te je uoceno abnormalno zagrejavanje ( pregrejavanje ) mosfeta zbog velike brzine preklapanja ( 64kHz ) i 'tromosti' samog mosfeta, mosfeti se najbolje ponasaju kada su ili potpuno upaljeni ili potpuno ugaseni, sve izmedju se naziva linearni rad, te se tu najvise zagrejavaju - to se pokusava izbeci u svim situacijama.
Verovatno jedan od razloga bezanja ovih mosfeta van specifikacija je sto su sa ebay-a kupljeni od nekog tamo kineza, tako da je odluka pala napraviti redizajn kontrolera u potpunosti:

• Odelit ce se logicki i naponski deo kontrolera na 2 zasebne jedinice
• Kontoler ce postati digitalno kontroliran buck konverter sa finim podesavanjem ( 10bit rezolucija )
• Za pocetak idem sa jednofaznim buck konverterom posto je ovo veoma delikatno podrucje i ne oprasta greske sto se dize frekvencija rada istog ( ciljano je minimalno 200kHz )
• Kasnije, u cilju povecanja efikasnosti i smanjenja volumena istog, ce se odraditi visefazni buck konverter ( 2 il 3 faze po peltieru )

Zasad je to to, lagano dizajniram buck konverter i preradujem postojeci kontroler, pa ce mala pauza za godisnji odmor i nadam se da krajem jula mogu nastaviti ozbiljnjije i dovrsiti projekat.

Sad mnogi ce se pitat sto lupetam o nekakvim kontrolerima i elektronici, posto je ovo modding podforum - pa najblaze receno postoji problem koji prvo treba otkloniti da bi mogli pristupiti otklanjanju sl. problema; sto znaci 1. resiti regulaciju peltiera da bi mogli nastaviti s jezgrom izmenjivaca ( treba poizmeriti sve parametre jednom kad su peltieri na izmenjivacu, videti kako se ponasa transfer energije, a to jedino mozemo videti sa kontrolerom )

 

[perestrojka]

Manji update:

Konacno stigao paket od Alphacool-a sa vodoinstalaterskim stvarcicama



Projekat ce malo na standby, posto me po povratku s godisnjeg docekao ozbiljniji u firmi pa sam trenutno 100% na tome, al uskoro bi moglo olaksat sta znaci da ce biti extra vremena za ovaj