CPU-Kühlung mit Peltier-Element

hoyy · 07.06.2012, 18:02

Hier werde ich über meine Erfahrungen mit der Kühlung von Prozessoren mit Hilfe von Peltier-Elementen berichten.

Das Peltier-Element

Zuerst möchte ich kurz auf das verwendete Peltier-Element eingehen.
Es ist ein TEC1-12708S, welches ich auf eBay gekauft habe. Das Element hat folgende technische Daten:

[FONT=Arial]Elektrische Leistung: 127,5W (bei 12V=102W)[/FONT]
[FONT=Arial]Maximale Kälteleistung: 68W[/FONT]
[FONT=Arial]Maximale Temperaturdifferenz: 68K[/FONT]
[FONT=Arial]Maximale Betriebsspannung: 15V[/FONT]
[FONT=Arial]Maximaler Betriebsstrom: 8,5A[/FONT]
[FONT=Arial]Maximale Dauerbetriebstemperatur: 80°C[/FONT]
[FONT=Arial]Gewicht: 20g[/FONT]
[FONT=Arial]Maße: 40x40x3,4mm[/FONT]
[FONT=Arial]Seebeck Effekt: ca.49mV und 15,7mA pro Kelvin Temperaturunterschied[/FONT]

Weitere technische Daten zur TEC1-127 Reihe findet man bei BKB-Electronics.

Nach 3 Tagen traf das Peltier-Element im Luftpolsterumschlag dann bei mir ein und zeigte sich nach dem Auspacken wie folgt:

http://www.tweakpc.de/forum/members/...6-peltier1.jpg

Anschluss ans Netzteil

Mit der maximalen Betriebsspannung von 15V hatte ich mich schon vorher dazu entschieden das Element an die 12V Leitung des Netzteils anzuschließen. Auch aus dem Grund, dass es nicht viele Quellen gibt, die die 8A bereitstellen können.

Um das Element einfach anschließen zu können habe ich mich für einen Molex-Stecker entschieden. Diesen habe ich von einem Lüfteranschlusskabel genommen, so dass ich zusätzlich auch gleich noch einen Lüfter anschließen kann. Außerdem habe ich einen Schlater mit eingebaut, um das empfindliche Element ein- und ausschalten zu können.

Nach einer Stunde Lötarbeit war es dann geschafft:
(nicht schön, aber selten und funktionstüchtig

)

http://www.tweakpc.de/forum/members/...7-peltier2.jpg

Erster Probelauf

Und dann ging's los. Erstmal habe ich das Element angeschlossen und kurz eingeschalten um festzustellen welche Seite warm und welche kalt wird.
Anschließend habe ich die warme Seite auf einen Kühlkörper gelegt und es ein wenig laufen lassen. Es ist echt erstaunlich wie schnell das kalt wird.

Nun ging es darum das Element zwischen CPU und Kühler zu bekommen, was bei der Höhe von 3,4mm gar nicht so einfach war. Dazu habe ich die Schrauben der Lüfterhalterung auf meinem DFI Lanparty UT nF4 Ultra-D ein ganzes Stück gelöst um mehr Platz zu bekommen und mit ein bischen Gewalt ließ sich der Kühler, ein Deepcool Iceedge 400 NI, einhängen.

http://www.tweakpc.de/forum/members/...9-peltier4.jpg

Der erste Test erfolgte mit einem Athlon 64 3500+ (Newcastle) und noch ohne Wärmeleitpaste.
Das Ergebnis nach dem Einschalten war allerdings ernüchternd, denn nach ca. 5s hat das Mainboard wieder abgeschalten - wegen Überhitzung der CPU.

Also wieder den normalen Kühler drauf und ab ins Bios. Da waren bei der VCore noch 1,67V (Standard 1,5V) vom letzten Übertaktungsversuch eingestellt. Also die VCore nach unten korrigiert auf 1,45V und diesmal auch Wärmeleitpaste aufgetragen.
Das machte den 2. Versuch dann auch besser und das System bootete bis ins Bios:

http://www.tweakpc.de/forum/members/...8-peltier3.jpg

Ich muss sagen das Ergebnis fand ich nicht schlecht, bei 23°C Raumtemperatur wohlgemerkt.

Booten ins Windows

Auf zur nächsten Herausforderung: Booten des Betriebssystems.
Dazu habe ich die CPU erstmal vorsorglich heruntergetaktet und die VCore noch weiter nach unten genommen. Zu meiner Verwunderung klappte das sogar schon beim ersten mal.
Windows XP war geladen. Fast schon zu einfach.

Kühlen unter 0°C - 1. Versuch

Nun konnte ich also mein vorher gestecktes Ziel in Angriff nehmen: Kühlen auf unter 0°C.
Ich dachte mir unter Windows müsse das doch möglich sein, da keine Leistung von der CPU verlangt wird nach dem Systemstart.
Also habe ich die VCore zusammen mit dem Takt immer weiter nach unten gedrückt um so in die Nähe der 0°C zu kommen:

http://www.tweakpc.de/forum/members/...0-peltier5.jpg

Interessanter Weise ließ sich der Athlon 64 3500+ bis zum absoluten Minimum was das Board anbietet drücken und so mit 0,8V betreiben.
Somit war es mir möglich die CPU zumindest vom Mainboardsensor her auf 0°C runter zu bekommen.

http://www.tweakpc.de/forum/members/...1-peltier6.jpg

Damit war dann aber auch das Ende bei diesem Prozessor erreicht.
Ich muss sagen: Ich war doch sehr zufrieden.

Probleme beim Kühlen

Als nächstes habe ich den Kühler samt Peltier-Element vom Prozessor genommen um diesen auszutauschen.
Was mich dabei allerdings erwartete kennen sicherlich alle, die schonmal mit Trockeneis oder LN2 gekühlt haben und auch ich hatte schon damit gerechnet.

Die Rede ist von Kondenswasser. Gott sei dank war es nicht so viel, dass es hätte Schaden anrichten können, aber doch irgendwie mehr als ich erwartet hatte.

http://www.tweakpc.de/forum/members/...2-peltier7.jpg

Ich hab die CPU und das Peltier-Element mit einem Taschentuch getrocknet und werde mir das erstmal im Hinterkopf behalten.
Auf das Problem sollte man schon achten, wenn man nicht die Hardware einbüßen will!

Kühlen unter 0°C - 2. Versuch

Aber damit war das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht, denn einen Trumpf hatte ich noch:
Der in 130nm gefertigte Athlon 64 3500+ Newcastle, musste einen in 90nm gefertigten Athlon 64 3000+ mit Venice Kern weichen. Auf Grund der geringeren Strukturbreite erzeugt dieser Prozessor weniger Abwärme und so sollte das Ziel der Minusgrade ereichbar sein.
Und ich wurde nicht enttäuscht, aber seht selbst:

http://www.tweakpc.de/forum/members/...3-peltier8.jpg

So schaffte ich es, dass auch der interne Temperstursensor die 0°C erreichte und der andere wohl schon im Minusbereich war, und das bei 200 MHz mehr Takt.

Abschließende Worte und ein wenig Spaß

Zusammenfassend kann ich sagen, dass in jedem Fall schonmal ein großer Spaß ist und wie man an den Kommentaren sieht, wohl großes Interesse weckt.

Wie sich das ganze unter Last verhält, kann ich nur kurz abschätzen, da ich das noch nicht ausführlich getestet habe. Allerdings denke ich doch, dass dem Element relativ schnell die Puste ausgeht.

Sehen wir uns nochmal kurz die Fakten für das TEC1-12708 an:
Die theoretische Temperaturdifferenz dT vom Element liegt bei 68K, wobei da keine Wärme transportiert wird (Q=0).
Im Gegenzug dazu liegt der maximale Wärmetransport bei Q=71W, bei dT=0.
Man kann also schon ahnen worauf ich hinaus will:
Von irgendwelchen Werten ala 60K Temperaturdifferenz kann man sich getrost verabschieden.
Auch auf Prozessoren die mehr als 70W Wärme abgeben macht die ganze Sache nicht so viel Sinn.

Ich werde mir deshalb wohl noch ein 2. Element bestellen, nämlich das 12710. Das hat die gleichen Abmaße, bringt aber mehr Leistung bei bis zu 10A.

So, das wär's dann erstmal mit meinem Bericht. Ich hoffe ihr hattet Spaß beim Lesen!

Und zum Abschluss zeige ich nochmal kurz, was man sonst noch so mit einem Peltier-Element anstellen kann.

http://www.tweakpc.de/forum/members/...6-peltier9.jpg

poloniumium · 07.06.2012, 18:23

mit dem molex-adapter gibts ja auch die möglichkeit auf 5 oder 7 volt zu drosseln. auch wenn das nicht viel sinn macht.^^

wann gehst du in serienfertigung?

Profi Overclocker · 07.06.2012, 19:14

Dann bitte ein paar Stück davon in Serie, auch gerne mit mehr Leistung

Gibt ja genug Hardware wo mans zischen stecken kann

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Aber die Leistung ist ja auch ein wenig gesenkt, weil da 2V fehlen

Also Netzteile die von sich aus mehr als 12V geben sind hier von Vorteil

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MIr kommt da weng schnell ne Idee...
Wenn nochmal ne Challenge kommt, wo ein hoher FSB kommt, ist es die Chance für uns damit was zu reißen ...

poloniumium · 07.06.2012, 19:17

bekommt man aber am günstigsten (300 watt für 10-20€).
wenn man da auf die rückseite standardmäßig intel-boxedkühler draufschnallt... die könnten sich ja auch gleich am molex speißen. für spezialanwendungen kann man ja immer noch mehr draufpacken.

hoyy schreibt die updates so langsam... das kommt mir vor wie ein wöchentlicher fortsetzungsroman.

auf jeden fall sollte das thema schon mal nominiert werden für ne tpc-sondernews. so einen aufwand treibt nicht jeder und darüber schreiben mit der dokumentation noch weniger. klasse, klasse, klasse!

für die cpu finde ich es aus dem bauch heraus zu schwach, fsb darf ruhig mit nem richtigen kompressor auf -50grad und darunter gehen. da ham wir besseres zur hand.

hier gehts wirklich um chipsatz, spawa, vram...

Legion of the Damned · 07.06.2012, 19:25

Coole Aktion!

Ich frag mich nur wie lang das Peltierelement unter Last das ganze mit macht.

Oder macht dann eher der Kühler oben drauf schlapp?

Profi Overclocker · 07.06.2012, 19:28

Zitat:

hier gehts wirklich um chipsatz, spawa, vram...

Zitat:

fsb darf ruhig mit nem richtigen kompressor auf -50grad und darunter gehen

Je nach Sockel geht FSB recht stark über den Chipsatz

Vorallem die nForce Boards werden... warm

@Legion: In der Beschreibung steht, dass die Dinger ne Temperatur different von ~60°C schaffen können... Also wird die eine Seite schon was wärmer, sollte denk ich mal aber nicht all zu viel denen ausmachen ^^

poloniumium · 07.06.2012, 19:32

wie sieht das eigentlich aus, wenn man die dinger in reihe schaltet?
oder ein 400watt-pad nimmt mit seinen 17-19Ampere...
da knallt bestimmt das eine oder andere netzteil beim einschalten mit dem kippschalter^^

Profi Overclocker · 07.06.2012, 19:38

Musst du dir halt ein gutes Netzteil besorgen

Ne, aber 17-19 A sollten ja bei was Namenhaftem kein Problem sein... In Reihe schalten sollte doch auch kein Problem sein, wenn das Netzteil genug Leistung hat, zumindest auf der 12V Schiene (sofern es mehrere gibt)...
Wobei der der Adapter für 6Pin PCIe hat ja auch 2 Molex Enden... und ich hab da schon gelesen, dass es nicht gut ist, welche zu nehmen die nur ein Ende haben...

hoyy · 07.06.2012, 19:48

Erstmal muss ich mich bedanken! Ich finde die Resonaz auf meinen Bericht echt überwältigend.

Zitat:

Zitat von poloniumium

mit dem molex-adapter gibts ja auch die möglichkeit auf 5 oder 7 volt zu drosseln. auch wenn das nicht viel sinn macht.^^

Auf 5V quasi "umzuschalten" sollte kein Problem darstellen, wenn die Leitung das mitmacht.

Zitat:

Zitat von poloniumium

wann gehst du in serienfertigung?

Darüber müssen wir nochmal reden, aber ich könnte mir da durchaus was vorstellen.

Zitat:

Zitat von Profi Overclocker

Dann bitte ein paar Stück davon in Serie, auch gerne mit mehr Leistung

Gibt ja genug Hardware wo mans zischen stecken kann

Zum Thema mehr Leistung komme ich dann nochmal in meinem Bericht. Aber prinzipiell hast du bei der CPU definitiv recht.

Zitat:

Zitat von poloniumium

hoyy schreibt die updates so langsam... das kommt mir vor wie ein wöchentlicher fortsetzungsroman.

auf jeden fall sollte das thema schon mal nominiert werden für ne tpc-sondernews. so einen aufwand treibt nicht jeder und darüber schreiben mit der dokumentation noch weniger. klasse, klasse, klasse!

Tut mir leid, alter Mann ist kein D-Zug.

Gegen eine News dazu habe ich nichts einzuwenden.

Zitat:

Zitat von Legion of the Damned

Ich frag mich nur wie lang das Peltierelement unter Last das ganze mit macht.

Oder macht dann eher der Kühler oben drauf schlapp?

Der Kühler wird das schon überleben.
Wie's da mit dem Peltier-Element aussieht, da hab ich noch nichts zu gefunden. Würde aber tippen, dass es zumindest abbaut.

Zitat:

Zitat von Profi Overclocker

@Legion: In der Beschreibung steht, dass die Dinger ne Temperatur different von ~60°C schaffen können... Also wird die eine Seite schon was wärmer, sollte denk ich mal aber nicht all zu viel denen ausmachen ^^

Gut wär's aber zumindest, wenn die warme Seite nicht mehr als 80°C ertragen muss, denn ansonsten wird irgendwann das Lot wieder flüssig.

Zitat:

Zitat von poloniumium

wie sieht das eigentlich aus, wenn man die dinger in reihe schaltet?
oder ein 400watt-pad nimmt mit seinen 17-19Ampere...
da knallt bestimmt das eine oder andere netzteil beim einschalten mit dem kippschalter^^

In Reihe schalten soll möglich sein soweit ich das gelesen hab, aber dann sollte man schon ein potentes Netzteil haben.

MfG hoyy

Legion of the Damned · 07.06.2012, 20:02

Ich wär dann mit den Molex Steckern vorsichtig knappe 230 Watt über die zwei Adern zu prügeln (19 A bei 12 V) finde ich schon sehr mutig.

Das Netzteil wird das sicherlich mit machen, wenns halbwegs was gescheites ist. Schon nen 30 € günstiges Cougar A350 liefert 14 A auf einer Schiene und davon hat es zwei.

Hibble · 07.06.2012, 20:07

Aber die Dinger in Reihe zu schalten macht doch kein Sinn, weil sich die Spannung ja halbiert.

Wie kann das eigentlich sein, dass auf diese Kühlung noch niemand anderes gekommen ist? Wozu sind die Peltierelemente eigentlich sonst gedacht?

Über einen Molex sollten eigentlich nicht mehr als 75 W nach Spezifikationen. So viel dazu

100 W sind aber noch tolerabel, denke ich mal.

Legion of the Damned · 07.06.2012, 20:13

Joa 100 würd ich auch noch nicht als "leichtsinnig" einstufen. Aber bei über 200 Watt hörts langsam auf. Die zwei Drähte sind ja jetzt nicht gerade sonderlich dick und Plastik schmilzt erst gut und dann quamlts ordentlich...

Profi Overclocker · 07.06.2012, 20:19

Zitat:

Wie kann das eigentlich sein, dass auf diese Kühlung noch niemand anderes gekommen ist? Wozu sind die Peltierelemente eigentlich sonst gedacht?

Cooler-Master hat mal einen Kühler damit gehabt... ich mein der V10 ...

poloniumium · 07.06.2012, 20:27

naja, peltiers sind eine randerscheinung. heatpipes konnten sich als passives bauteil besser durchsetzen von preis je leistung in nem normalen kühler.
die peltiers sind eben schwächer (grakas kommen bis zu 300watt und da nimmt man auch schon vacco-chambers statt pipes) und die peltierelemente können als aktive teile dafür unter umgebungstemperatur kühlen.

hat alles vor- und nachteile.

**Robert** · 07.06.2012, 20:32

Zitat:

Zitat von Profi Overclocker

Cooler-Master hat mal einen Kühler damit gehabt... ich mein der V10 ...

Gabs des öfteren wurde aber immer wegen der hohen Preise und des hohen Verbrauchs runter gemacht

Ausserdem waren die immer recht schwach ausgelegt so das sie am ende nicht besser waren als normale kühler

poloniumium · 07.06.2012, 22:42

kondenswasser-> so lange keine wärme wieder wasser draus macht ist es ja kein problem. ansonsten knettgummi und go. bisschen was über den sockel und alles ist schön. mit den billigen amd-plastikhalterungen kann man ihn ja schön dicht anpressen, da hat man bei den intel-lga-halterungen von lotes und co aus metall mehr probleme wo man den ganzenhebelmechanismus mit einbinden muss usw... meine 3 stück gummi waren da nicht zu viel wenn man nen größeren spawa-bereich integriert.

Luebke · 08.06.2012, 11:07

wäres vllt sinnvoll das teil auf der oc-party einzusetzen um die gpus besser zu kühlen?

Profi Overclocker · 08.06.2012, 13:37

Wenn nur kleine GPUs <100W also mit weniger Leistungsaufnahme als das Paltier-Element liefert... ich denke mal sonst wird es suboptimal.

Luebke · 08.06.2012, 14:16

ja, die ganzen agps liegen unter 100 watt...

Profi Overclocker · 08.06.2012, 21:25

Sag ich doch, kleine GPUs

POINT · 09.06.2012, 10:08

Achja, Peltierelemente...

Hast das Element direkt auf der CPU liegen oder noch "blech" dazwischen?
Ich benutzte immer ein 2,5mm dickes Alu Stück um die Wärme zu verteilen.
(Bedenke das die DIE unter dem sehr dünnem "Heatspreader" deutlich kleiner ist als das Element womit effektiv nur ein bruchteil seiner Leistung benutzt wird, und dieser eventuell partiell überlastet wird)

Desweitern musst du mal drauf achten ob dein Kühler mit der Abwärme fertig wird.
CPU und PE zusammen macht schon ca. 160 Watt.
Da schwitzen schon die meisten Kühler.
Die dT von 60°C ist auch ein sehr idealer Wert (zwischen den beiden Keramik-Parts des PEs).
Trotzdem müsstest du selbst unter Last an die 0°C rannkommen wenn die Wärme gut abgetragen wird^^

hoyy · 09.06.2012, 11:31

Ich hab's mal wieder geschafft einen Abschnitt zu schreiben.

Zitat:

Zitat von POINT

Hast das Element direkt auf der CPU liegen oder noch "blech" dazwischen?
Ich benutzte immer ein 2,5mm dickes Alu Stück um die Wärme zu verteilen.
(Bedenke das die DIE unter dem sehr dünnem "Heatspreader" deutlich kleiner ist als das Element womit effektiv nur ein bruchteil seiner Leistung benutzt wird, und dieser eventuell partiell überlastet wird)

Also ich verwende keine Bleche zur besseren Wärmeverteilung, da das Element eine Größe von 40x40mm hat und der Heatspreader des Athlon 64 38x38mm. Ich denke das ist ausreichend.
Und dass der Heatspreader zu dünn ist, da musste ich irgendwie schmunzeln.

Ich habe schon einen Athlon 64 geköpft und kann deshalb sagen, dass der enorme 2,5mm Dick ist. Definitiv mehr als ausreichend.
Mein Problem ist zur Zeit eher, dass der Kühler nicht komplett auf der CPU und damit auch nicht auf dem Peltier Element aufliegt.

Zitat:

Zitat von POINT

Desweitern musst du mal drauf achten ob dein Kühler mit der Abwärme fertig wird.
CPU und PE zusammen macht schon ca. 160 Watt.
Da schwitzen schon die meisten Kühler.
Die dT von 60°C ist auch ein sehr idealer Wert (zwischen den beiden Keramik-Parts des PEs).
Trotzdem müsstest du selbst unter Last an die 0°C rannkommen wenn die Wärme gut abgetragen wird^^

Ich denke, der Kühler schafft das schon. Habe ihn ja extra dafür gekauft. Aber die ca. 160 Watt machen sich schon bemerkbar.

Das theoretische dT vom Element liegt bei 68K, wobei da keine Wärme transportiert wird (Q=0).
Im Gegenzug dazu liegt der maximale Wärmetransport bei Q=71W (bei dT=0).
Du hast ja schon angesprochen worauf ich hinaus will: Von irgendwelchen Werten ala 60K Temperaturdifferenz kann man sich getrost verabschieden.

Ich denke, wenn ich unter Last 0°C schaffen will brauche ich wohl ein stärkeres Element.

Du scheinst aber auch schon Erfahrung mit Peltier gesammelt zu haben.
Wie ist es dir dabei ergangen?

POINT · 09.06.2012, 12:39

Hätte nicht gedacht das der Spreader so massiv ist, naja nur vorm Vorteil hier^^

Ist schon ne Weile her, dass ich ein PE in Verbindung mit PC-Hardware benutzt hab.
Damals durfte noch ne ti4200 (ca. 30W) als Testobjekt hinhalten.
Hab da ein billig-65W-PE raufgepackt und mit nem simplem WaKü Cu-Kühler gekühlt.

Das klappte soweit ganz gut, konnte mit meinem Multimeter auf Rückseite der Karte Temperaturen kleiner 10°C messen, mit und ohne Last (Im Sommer ca. 30°C Raumtemperatur).

Naja, nach ne weile hab ich neue Treiber installiert.
Diese haben scheinbar irgendwelche Stromspar-Funktionen mitgebracht,
welche dafür sorgten das die halbe Karte regelrecht eingefrohren ist.
Dabei entstand entsprechend sehr viel Tauwasser^^
Dies machte sich nach ne Weile bemerkbar mit starken Bild-Artefakten bereits in POST und booten ging dann auch net mehr.
Naja, nach ca. 4 !! Wochen Trocknungszeit lief die Karte wieder aber dann doch ohne PE.

Vor nem Monat hab mir wieder paar Stück günstig bei eBay ergattert.
Wollte eigentlich versuchen mein 2500K bissel zu stressen.
Aber iwie fehlt mir atm der Elan^^

poloniumium · 09.06.2012, 12:57

wenn du wirklich die komponenten so weit runter bekommst, dass an unkritischen stellen frost und später auch wieder tauwasser entstehen kann... dann holt man sich paar tipps von anderen gebieten.
möglicher ansatz->wird es regulär nicht zu warm kann man die oberfläche versiegeln. zum beispiel mit nem halben mm lack. irgendwelchen hartlack über die kontaktfläche und wasser kann keine verbindungen dort mehr herstellen. natürlich sollte man nicht den ganzen vram in 5cm epoxid versenken wenn die kühlung nicht gesichert ist, aber an den unkritischen stellen geht es ja wirklich nur um isolation.

**Robert** · 09.06.2012, 16:00

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