Refrigeradores semiconductores Peltier
El funcionamiento de los componentes electrónicos modernos de alto rendimiento que forman la base de las computadoras va acompañado de una importante generación de calor, especialmente cuando se utilizan en modos de overclocking forzado. El funcionamiento eficiente de dichos componentes requiere medios de refrigeración adecuados para asegurar las condiciones de temperatura requeridas para su funcionamiento. Como regla general, tales medios para apoyar la óptima condiciones de temperatura Son refrigeradores basados en radiadores y ventiladores tradicionales.
La confiabilidad y el rendimiento de dichos dispositivos aumentan continuamente debido a mejoras en su diseño, uso últimas tecnologías y el uso de diversos sensores y medios de control en su composición. Esto permite integrar dichas herramientas en los sistemas informáticos, proporcionando diagnóstico y gestión de su funcionamiento para lograr la mayor eficiencia y garantizando condiciones de temperatura óptimas para el funcionamiento de los elementos informáticos, lo que aumenta la confiabilidad y extiende el período de su funcionamiento sin problemas. operación.
Sin embargo, los parámetros de los refrigeradores tradicionales mejoran constantemente. últimamente Medios específicos para enfriar elementos electrónicos, como los refrigeradores semiconductores Peltier, aparecieron en el mercado de las computadoras y pronto se hicieron populares (aunque a menudo se usa la palabra refrigerador, el término correcto en el caso de los elementos Peltier es refrigerador).
Los refrigeradores Peltier, que contienen módulos termoeléctricos semiconductores especiales, cuyo funcionamiento se basa en el efecto Peltier, descubierto en 1834, son dispositivos de refrigeración extremadamente prometedores. Estas herramientas se han utilizado con éxito durante muchos años en diversos campos de la ciencia y la tecnología.
En los años sesenta y setenta, la industria nacional hizo repetidos intentos de producir refrigeradores domésticos de pequeño tamaño, cuyo funcionamiento se basaba en el efecto Peltier. Sin embargo, la imperfección de las tecnologías existentes, los bajos valores del coeficiente acción útil y los altos precios no permitían que tales dispositivos salieran de los laboratorios de investigación y bancos de pruebas en aquellos días.
Pero el efecto Peltier y los módulos termoeléctricos no son dominio exclusivo de los científicos. En el proceso de mejora de la tecnología, se han mitigado significativamente muchos fenómenos negativos. Estos esfuerzos han dado como resultado módulos semiconductores altamente eficientes y confiables.
EN últimos años Estos módulos, cuyo funcionamiento se basa en el efecto Peltier, comenzaron a utilizarse activamente para enfriar diversos componentes electrónicos de ordenadores. En particular, comenzaron a utilizarse para enfriar procesadores potentes y modernos, cuyo funcionamiento va acompañado de un alto nivel de generación de calor.
Gracias a sus propiedades térmicas y operativas únicas, los dispositivos creados a partir de módulos termoeléctricos (módulos Peltier) permiten alcanzar el nivel requerido de refrigeración de los elementos informáticos sin dificultades técnicas especiales ni costes económicos. Como refrigeradores para componentes electrónicos, estos medios para mantener las condiciones de temperatura necesarias para su funcionamiento son muy prometedores. Son compactos, convenientes, confiables y tienen una eficiencia operativa muy alta.
Especialmente gran interés Los refrigeradores semiconductores se presentan como medios para proporcionar refrigeración intensiva en sistemas informáticos, cuyos elementos se instalan y operan en modos forzados severos. El uso de estos modos de overclocking a menudo proporciona un aumento significativo en el rendimiento de los componentes electrónicos utilizados y, en consecuencia, como regla general, de todo el sistema informático. Sin embargo, el funcionamiento de los componentes de la computadora en tales modos genera un calor significativo y, a menudo, está al límite de las capacidades de las arquitecturas de las computadoras, así como de las tecnologías microelectrónicas existentes y utilizadas. Estos componentes informáticos, cuyo funcionamiento va acompañado de una alta generación de calor, no son sólo procesadores de alto rendimiento, sino también elementos de modernos adaptadores de vídeo de alto rendimiento y, en algunos casos, chips de módulos de memoria. Elementos tan potentes requieren una refrigeración intensiva para su correcto funcionamiento, incluso en modos normales y más aún en modos overclocking.
Módulos Peltier
Los frigoríficos Peltier utilizan un frigorífico termoeléctrico convencional, cuyo funcionamiento se basa en el efecto Peltier. Este efecto lleva el nombre del relojero francés Peltier (1785-1845), quien hizo su descubrimiento hace más de siglo y medio, en 1834.
El propio Peltier no comprendió del todo la esencia del fenómeno descubierto. verdadero significado El fenómeno fue establecido unos años más tarde, en 1838, por Lenz (1804-1865).
Lenz colocó una gota de agua en el hueco en la unión de dos barras de bismuto y antimonio. Cuando pasó una corriente eléctrica en una dirección, una gota de agua se congeló. Cuando la corriente pasó en la dirección opuesta, el hielo resultante se derritió. Así, se estableció que cuando una corriente eléctrica pasa por el contacto de dos conductores, dependiendo de la dirección de estos últimos, además del calor Joule, se libera o absorbe calor adicional, lo que se denomina calor Peltier. Este fenómeno se llama fenómeno Peltier (efecto Peltier). Por tanto, es lo inverso del fenómeno de Seebeck.
Si en un circuito cerrado formado por varios metales o semiconductores las temperaturas en los puntos de contacto de los metales o semiconductores son diferentes, entonces aparece una corriente eléctrica en el circuito. Este fenómeno de la corriente termoeléctrica fue descubierto en 1821 por el físico alemán Seebeck (1770-1831).
A diferencia del calor de Joule-Lenz, que es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente (Q=R·I·I·t), el calor de Peltier es proporcional a la primera potencia de la intensidad de la corriente y cambia de signo cuando cambia la dirección de la corriente. estos últimos cambios. El calor Peltier, como han demostrado los estudios experimentales, se puede expresar mediante la fórmula:
Qп = П·q
donde q es la cantidad de electricidad transmitida (q=I·t), P es el llamado coeficiente de Peltier, cuyo valor depende de la naturaleza de los materiales en contacto y de su temperatura.
El calor Peltier Qп se considera positivo si se libera y negativo si se absorbe.
Arroz. 1. Esquema del experimento para medir el calor Peltier, Cu - cobre, Bi - bismuto.
En el diagrama presentado del experimento de medición del calor Peltier, con la misma resistencia de los cables R (Cu+Bi) introducidos en los calorímetros, se liberará el mismo calor Joule en cada calorímetro, es decir, según Q=R·I· Él. El calor Peltier, por el contrario, será positivo en un calorímetro y negativo en el otro. De acuerdo con este esquema, es posible medir el calor Peltier y calcular los valores de los coeficientes Peltier para diferentes pares de conductores.
Cabe señalar que el coeficiente Peltier depende significativamente de la temperatura. Algunos valores del coeficiente de Peltier para diferentes pares Los metales se presentan en la tabla.
| Valores del coeficiente de Peltier para varios pares de metales. | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Constantan de hierro | Cobre-níquel | plomo-constantan | |||
| T, K | P, mV | T, K | P, mV | T, K | P, mV |
| 273 | 13,0 | 292 | 8,0 | 293 | 8,7 |
| 299 | 15,0 | 328 | 9,0 | 383 | 11,8 |
| 403 | 19,0 | 478 | 10,3 | 508 | 16,0 |
| 513 | 26,0 | 563 | 8,6 | 578 | 18,7 |
| 593 | 34,0 | 613 | 8,0 | 633 | 20,6 |
| 833 | 52,0 | 718 | 10,0 | 713 | 23,4 |
Coeficiente de Peltier, que es importante. caracteristicas tecnicas Los materiales, por regla general, no se miden, sino que se calculan mediante el coeficiente de Thomson:
P = una T
donde P es el coeficiente de Peltier, a es el coeficiente de Thomson, T es la temperatura absoluta.
El descubrimiento del efecto Peltier tuvo gran influencia sobre el desarrollo posterior de la física y, posteriormente, de diversos campos de la tecnología.
Entonces, la esencia del efecto abierto es la siguiente: cuando una corriente eléctrica pasa por el contacto de dos conductores hechos de diferentes materiales, dependiendo de su dirección, además del calor Joule, se libera o absorbe calor adicional, lo que se llama Peltier. calor. El grado en que se manifiesta este efecto depende en gran medida de los materiales de los conductores seleccionados y de los modos eléctricos utilizados.
La teoría clásica explica el fenómeno Peltier por el hecho de que los electrones transferidos por la corriente de un metal a otro son acelerados o desacelerados por la diferencia de potencial de contacto interno entre los metales. En el primer caso, la energía cinética de los electrones aumenta y luego se libera en forma de calor. En el segundo caso, la energía cinética de los electrones disminuye y esta pérdida de energía se repone gracias a las vibraciones térmicas de los átomos del segundo conductor. Como resultado, se produce un enfriamiento. Una teoría más completa no tiene en cuenta el cambio de energía potencial cuando un electrón se transfiere de un metal a otro, sino el cambio de energía total.
El efecto Peltier se observa con mayor intensidad cuando se utilizan semiconductores de tipo p y n. Dependiendo de la dirección de la corriente eléctrica a través del contacto de semiconductores de diferentes tipos: uniones p-n y n-p, debido a la interacción de cargas representadas por electrones (n) y huecos (p), y su recombinación, la energía se absorbe o liberado. Como resultado de estas interacciones y los procesos energéticos generados, el calor se absorbe o se libera. El uso de semiconductores de tipo p y n en refrigeradores termoeléctricos se ilustra en la figura. 2.
Arroz. 2. Uso de semiconductores tipo p y n en frigoríficos termoeléctricos.
La combinación de una gran cantidad de pares de semiconductores de tipo p y n permite crear elementos de refrigeración: módulos Peltier de potencia relativamente alta. La estructura de un módulo Peltier termoeléctrico semiconductor se muestra en la Fig. 3.
Arroz. 3. Estructura del módulo Peltier
El módulo Peltier es un refrigerador termoeléctrico que consta de semiconductores de tipo p y n conectados en serie, formando uniones p-n- y n-p. Cada una de estas uniones tiene contacto térmico con uno de los dos radiadores. Como resultado del paso de una corriente eléctrica de cierta polaridad, se forma una diferencia de temperatura entre los radiadores del módulo Peltier: un radiador funciona como un frigorífico, el otro radiador se calienta y sirve para eliminar el calor. En la figura. La Figura 4 muestra la apariencia de un módulo Peltier típico.
Arroz. 4. Apariencia Módulo Peltier
Un módulo típico proporciona una diferencia de temperatura significativa de varias decenas de grados. Con una refrigeración forzada adecuada del radiador de calefacción, el segundo radiador, el frigorífico, permite alcanzar temperaturas negativas. Para aumentar la diferencia de temperatura, es posible conectar en cascada módulos termoeléctricos Peltier garantizando al mismo tiempo una refrigeración adecuada. Esto permite, por medios relativamente sencillos, obtener una diferencia de temperatura significativa y asegurar una refrigeración eficaz de los elementos protegidos. En la figura. La Figura 5 muestra un ejemplo de conexión en cascada de módulos Peltier estándar.
Arroz. 5. Ejemplo de conexión en cascada de módulos Peltier
Los dispositivos de refrigeración basados en módulos Peltier suelen denominarse frigoríficos Peltier activos o simplemente refrigeradores Peltier.
El uso de módulos Peltier en refrigeradores activos los hace significativamente más eficientes en comparación con los tipos de refrigeradores estándar basados en radiadores y ventiladores tradicionales. Sin embargo, en el proceso de diseño y uso de refrigeradores con módulos Peltier, es necesario tener en cuenta una serie de características específicas que surgen del diseño de los módulos, su principio de funcionamiento, la arquitectura del hardware informático moderno y la funcionalidad del sistema y software de aplicación.
De gran importancia es la potencia del módulo Peltier, que, por regla general, depende de su tamaño. Un módulo de baja potencia no proporciona el nivel requerido de refrigeración, lo que puede provocar un mal funcionamiento del elemento electrónico protegido, por ejemplo, un procesador, debido a su sobrecalentamiento. Sin embargo, el uso de módulos con demasiada potencia puede hacer que la temperatura del radiador de refrigeración baje al nivel de condensación de humedad del aire, lo que es peligroso para los circuitos electrónicos. Esto se debe a que el agua producida continuamente a través de la condensación puede provocar cortocircuitos en los circuitos electrónicos de la computadora. Conviene recordar aquí que la distancia entre los conductores que transportan corriente en las placas de circuitos impresos modernas suele ser de fracciones de milímetros. Sin embargo, a pesar de todo, fueron los potentes módulos Peltier como parte de refrigeradores de alto rendimiento y los correspondientes sistemas adicionales de refrigeración y ventilación los que permitieron a KryoTech y AMD, en una investigación conjunta, overclockear los procesadores AMD creados con tecnología tradicional a frecuencias superiores a 1 GHz, es decir, aumentan su frecuencia de funcionamiento casi 2 veces respecto a su modo de funcionamiento normal. Y hay que destacar que este nivel de rendimiento se logró garantizando la estabilidad y fiabilidad necesarias del funcionamiento del procesador en modos forzados. Bueno, el resultado de un overclocking tan extremo fue un récord de rendimiento entre los procesadores con arquitectura y sistema de instrucciones 80x86. Y la empresa KryoTech ha ganado mucho dinero ofreciendo sus unidades de refrigeración en el mercado. Equipados con los componentes electrónicos adecuados, resultaron ser muy solicitados como plataformas para servidores y estaciones de trabajo de alto rendimiento. Y AMD recibió la confirmación del alto nivel de sus productos y el rico material experimental para mejora adicional arquitectura de sus procesadores. Por cierto, se llevaron a cabo estudios similares con procesadores Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, como resultado de lo cual también se obtuvo un aumento significativo en el rendimiento.
Cabe señalar que los módulos Peltier durante su funcionamiento distinguen relativamente gran número calor. Por esta razón, no sólo se debe utilizar un ventilador potente como parte del refrigerador, sino también medidas para reducir la temperatura dentro de la carcasa de la computadora para evitar el sobrecalentamiento de otros componentes de la computadora. Para ello, es recomendable utilizar ventiladores adicionales en la carcasa del ordenador para garantizar un mejor intercambio de calor con el entorno exterior de la carcasa.
En la figura. La Figura 6 muestra la apariencia de un enfriador activo, que utiliza un módulo semiconductor Peltier.
Arroz. 6. Aspecto de un refrigerador con módulo Peltier
Cabe señalar que los sistemas de refrigeración basados en módulos Peltier se utilizan no sólo en sistemas electronicos, como las computadoras. Estos módulos se utilizan para enfriar varios dispositivos de alta precisión. Los módulos Peltier son de gran importancia para la ciencia. En primer lugar, esto se refiere investigación experimental realizado en física, química, biología.
Puede encontrar información sobre los módulos y refrigeradores Peltier, así como sobre las características y resultados de su uso, en sitios web en Internet, por ejemplo en las siguientes direcciones:
Características de operación
Los módulos Peltier, utilizados como componentes para enfriar componentes electrónicos, se caracterizan por una confiabilidad relativamente alta y, a diferencia de los refrigeradores creados con tecnología tradicional, no tienen partes móviles. Y, como se señaló anteriormente, para aumentar la eficiencia de su funcionamiento, permiten el uso en cascada, lo que permite llevar la temperatura de las carcasas de los elementos electrónicos protegidos a valores negativos, incluso con su importante poder de disipación.
Sin embargo, además de las ventajas obvias, los módulos Peltier también tienen una serie de propiedades y características específicas que deben tenerse en cuenta a la hora de utilizarlos como parte de refrigerantes. Algunos de ellos ya se han señalado, pero para la correcta aplicación de los módulos Peltier requieren una consideración más detallada. Las características más importantes incluyen las siguientes características operativas:
- Los módulos Peltier, que generan una gran cantidad de calor durante su funcionamiento, requieren la presencia de radiadores y ventiladores adecuados en el refrigerador que puedan eliminar eficazmente el exceso de calor de los módulos de refrigeración. Cabe señalar que los módulos termoeléctricos se caracterizan por un coeficiente de rendimiento (eficiencia) relativamente bajo y, al realizar las funciones de una bomba de calor, ellos mismos son potentes fuentes de calor. El uso de estos módulos como parte de los medios de refrigeración de los componentes electrónicos de un ordenador provoca un aumento significativo de la temperatura en el interior. unidad del sistema, que a menudo requiere medidas adicionales y medios para reducir la temperatura dentro de la caja del ordenador. De lo contrario temperatura elevada El interior de la carcasa crea dificultades operativas no solo para los elementos protegidos y sus sistemas de refrigeración, sino también para el resto de componentes del ordenador. También cabe destacar que los módulos Peltier son una carga adicional relativamente potente para la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta el consumo actual de los módulos Peltier, la potencia de la fuente de alimentación de la computadora debe ser de al menos 250 W. Todo ello lleva a la conveniencia de elegir placas base y cajas ATX con fuentes de alimentación de potencia suficiente. El uso de este diseño facilita que los componentes de la computadora organicen condiciones térmicas y eléctricas óptimas. Cabe destacar que existen frigoríficos Peltier con alimentación propia.
- El módulo Peltier, en caso de fallo, aísla el elemento enfriado del radiador más frío. Esto conduce a una alteración muy rápida del régimen térmico del elemento protegido y su rápido fallo por sobrecalentamiento posterior.
- Las bajas temperaturas que se producen durante el funcionamiento de los frigoríficos Peltier con exceso de potencia contribuyen a la condensación de humedad del aire. Esto supone un riesgo para los componentes electrónicos, ya que la condensación puede provocar cortocircuitos entre los componentes. Para eliminar este peligro, es recomendable utilizar frigoríficos Peltier con potencia óptima. Que se produzca o no condensación depende de varios parámetros. Los más importantes son: temperatura ambiente(en este caso, la temperatura del aire dentro de la caja), la temperatura del objeto enfriado y la humedad del aire. Cuanto más caliente esté el aire dentro de la carcasa y mayor sea la humedad, es más probable que se produzca condensación de humedad y la posterior falla de los componentes electrónicos de la computadora. A continuación se muestra una tabla que ilustra la dependencia de la temperatura de condensación de humedad en un objeto enfriado en función de la humedad y la temperatura ambiente. Con esta tabla podrá determinar fácilmente si existe riesgo de condensación o no. Por ejemplo, si la temperatura exterior es de 25°C y la humedad es del 65%, entonces se produce condensación de humedad en el objeto enfriado cuando la temperatura de su superficie es inferior a 18°C.
Temperatura de condensación de humedad
| Humedad, % | |||||||||
| Temperatura ambiente, °C |
30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 |
| 30 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 23 | 24 |
| 29 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 19 | 20 | 22 | 23 |
| 28 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 22 |
| 27 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 17 | 19 | 20 | 21 |
| 26 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 20 |
| 25 | 6 | 9 | 11 | 12 | 14 | 15 | 17 | 18 | 19 |
| 24 | 5 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 16 | 17 | 18 |
| 23 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| 22 | 4 | 6 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 21 | 3 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 20 | 2 | 4 | 6 | 8 | 9 | 11 | 12 | 13 | 14 |
Además de estas características, es necesario tener en cuenta una serie de circunstancias específicas asociadas con el uso de módulos termoeléctricos Peltier como parte de refrigeradores utilizados para enfriar procesadores centrales de alto rendimiento de computadoras potentes.
La arquitectura de los procesadores modernos y algunos programas del sistema prevén cambios en el consumo de energía según la carga de los procesadores. Esto le permite optimizar su consumo de energía. Por cierto, esto también lo prevén los estándares de ahorro de energía, respaldados por algunas funciones integradas en el hardware y software de las computadoras modernas. En condiciones normales, optimizar el funcionamiento del procesador y su consumo de energía tiene un efecto beneficioso tanto en el régimen térmico del propio procesador como en el equilibrio térmico general. Sin embargo, cabe señalar que los modos con cambios periódicos en el consumo de energía pueden no ser compatibles con los medios de refrigeración para procesadores que utilizan módulos Peltier. Esto se debe al hecho de que los refrigeradores Peltier existentes generalmente están diseñados para un funcionamiento continuo. En este sentido, no se recomienda el uso de los refrigeradores Peltier más simples que no tienen medios de control junto con programas de enfriamiento, como, por ejemplo, CpuIdle, así como con sistemas operativos Windows NT/2000 o Linux.
Si el procesador cambia a un modo de consumo de energía reducido y, en consecuencia, disipación de calor, es posible una disminución significativa en la temperatura de la carcasa del procesador y el cristal. El enfriamiento excesivo del núcleo del procesador puede provocar, en algunos casos, un cese temporal de su funcionamiento y, como resultado, una congelación permanente de la computadora. Hay que recordar que, según la documentación de Intel, la temperatura mínima a la que se garantiza el correcto funcionamiento de los procesadores de serie Pentium II y Pentium III suele ser de +5 °C, aunque, como demuestra la práctica, funcionan perfectamente a temperaturas más bajas.
También pueden surgir algunos problemas como resultado del funcionamiento de una serie de funciones integradas, por ejemplo, las que controlan los ventiladores del refrigerador. En particular, los modos de administración de energía del procesador en algunos sistemas informáticos implican cambiar la velocidad de los ventiladores de enfriamiento a través del hardware integrado en la placa base. En condiciones normales, esto mejora significativamente el rendimiento térmico del procesador de la computadora. Sin embargo, en el caso de utilizar los frigoríficos Peltier más sencillos, una disminución de la velocidad de rotación puede provocar un deterioro del régimen térmico con resultado fatal para el procesador por su sobrecalentamiento por parte del módulo Peltier en funcionamiento, que, además de realizar las funciones de una bomba de calor, es una potente fuente de calor adicional.
Cabe señalar que, como en el caso de los procesadores centrales de las computadoras, los refrigeradores Peltier pueden ser una buena alternativa a los medios tradicionales para enfriar los conjuntos de chips de video utilizados en los modernos adaptadores de video de alto rendimiento. El funcionamiento de estos conjuntos de chips de vídeo va acompañado de una importante generación de calor y, por lo general, no se ve afectado por cambios repentinos modos de su funcionamiento.
Para eliminar los problemas con los modos de consumo de energía variables que provocan la condensación de humedad del aire y una posible hipotermia y, en algunos casos, incluso el sobrecalentamiento de los elementos protegidos, como los procesadores de las computadoras, conviene dejar de utilizar dichos modos y una serie de incorporados. funciones. Sin embargo, como alternativa, los sistemas de refrigeración que proporcionan herramientas inteligentes Control de frigoríficos Peltier. Estas herramientas pueden controlar no solo el funcionamiento de los ventiladores, sino también cambiar los modos de funcionamiento de los propios módulos termoeléctricos utilizados como parte de los refrigeradores activos.
Ha habido informes de experimentos sobre la incorporación de módulos Peltier en miniatura directamente en chips de procesador para enfriar sus estructuras más críticas. Esta solución promueve una mejor refrigeración al reducir la resistencia térmica y puede aumentar significativamente la frecuencia operativa y el rendimiento de los procesadores.
Muchos laboratorios de investigación están trabajando para mejorar los sistemas que garantizan condiciones óptimas de temperatura para los elementos electrónicos. Y los sistemas de refrigeración que utilizan módulos termoeléctricos Peltier se consideran muy prometedores.
Ejemplos de frigoríficos Peltier
Hace relativamente poco tiempo, aparecieron en el mercado de las computadoras módulos Peltier de producción nacional. Estos son dispositivos simples, confiables y relativamente baratos ($7-$15). Normalmente, no se incluye un ventilador de refrigeración. Sin embargo, dichos módulos le permiten no solo familiarizarse con medios de enfriamiento prometedores, sino también usarlos para el propósito previsto en sistemas de protección de componentes de computadora. A continuación se muestran breves parámetros de una de las muestras.
Tamaño del módulo (Fig. 7) - 40x40 mm, corriente máxima - 6 A, voltaje máximo - 15 V, consumo de energía - hasta 85 W, diferencia de temperatura - más de 60 °C. Al proporcionar un potente ventilador, el módulo es capaz de proteger el procesador con una disipación de potencia de hasta 40 W.
Arroz. 7. Aspecto del frigorífico PAP2X3B
En el mercado existen versiones más pequeñas y más potentes de módulos Peltier domésticos.
La gama de dispositivos extranjeros es mucho más amplia. A continuación se muestran ejemplos de refrigeradores en cuyo diseño se utilizan módulos termoeléctricos Peltier.
Frigoríficos Peltier activos de Computernerd
| Nombre | Fabricante / proveedor | Parámetros del ventilador | UPC |
| PAX56B | nerd informático | rodamiento de bolas | Pentium/MMX hasta 200 MHz, 25 W |
| PA6EXB | nerd informático | doble rodamiento de bolas, tacómetro | Pentium MMX hasta 40W |
| DT-P54A | Soluciones DesTech | rodamiento de bolas doble | Pentium |
| AC-P2 | Enfriador AOC | rodamiento de bolas | Pentium II |
| PAP2X3B | nerd informático | 3 rodamientos de bolas | Pentium II |
| PASO ARRIBA-53X2 | Termodinámica escalonada | 2 rodamientos de bolas | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
nerd informático | 3 rodamientos de bolas, tacómetro | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
nerd informático | 3 rodamientos de bolas, tacómetro | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier | nerd informático | 3 rodamientos de bolas, tacómetro | Pentium II, Celeron |
El refrigerador PAX56B está diseñado para enfriar procesadores Pentium y Pentium-MMX de Intel, Cyrix y AMD que funcionan a frecuencias de hasta 200 MHz. Un módulo termoeléctrico de 30x30 mm permite al frigorífico mantener una temperatura del procesador inferior a 63 °C con una potencia disipada de 25 W y una temperatura exterior de 25 °C. Debido a que la mayoría de los procesadores disipan menos energía, este disipador le permite mantener la temperatura del procesador mucho más baja que muchos disipadores alternativos basados en radiadores y ventiladores. El módulo Peltier del refrigerador PAX56B se alimenta de una fuente de 5 V capaz de entregar 1,5 A como máximo. El ventilador de este frigorífico requiere un voltaje de 12 V y una corriente de 0,1 A (máximo). Parámetros del ventilador del frigorífico PAX56B: rodamiento de bolas, 47,5 mm, 65000 horas, 26 dB. El tamaño total de este frigorífico es de 25x25x28,7 mm. El precio estimado del refrigerador PAX56B es de $35. El precio indicado se da de acuerdo con la lista de precios de la empresa de mediados de 2000.
El frigorífico PA6EXB está diseñado para enfriar procesadores Pentium-MMX más potentes, disipando hasta 40 W de potencia. Este frigorífico es adecuado para todos los procesadores de Intel, Cyrix y AMD, conectados mediante Socket 5 o Socket 7. El módulo termoeléctrico Peltier incluido en el frigorífico PA6EXB tiene un tamaño de 40x40 mm y consume una corriente máxima de 8 A (normalmente 3 A). a un voltaje de 5 B con conexión a través de un conector de alimentación de computadora estándar. El tamaño total del frigorífico PA6EXB es 60x60x52,5 mm. Al instalar este frigorífico, para un buen intercambio de calor entre el radiador y el ambiente, es necesario dejar un espacio abierto alrededor del frigorífico de al menos 10 mm en la parte superior y 2,5 mm en los laterales. El frigorífico PA6EXB proporciona una temperatura de procesador de 62,7 °C con una disipación de potencia de 40 W y una temperatura exterior de 45 °C. Teniendo en cuenta el principio de funcionamiento del módulo termoeléctrico incluido en este frigorífico, para evitar condensaciones de humedad y cortocircuitos, es necesario evitar el uso de programas que pongan el procesador en modo de suspensión. mucho tiempo. El precio aproximado de un frigorífico de este tipo es de 65 dólares. El precio indicado se da de acuerdo con la lista de precios de la empresa de mediados de 2000.
El refrigerador DT-P54A (también conocido como PA5B de Computernerd) está diseñado para procesadores Pentium. Sin embargo, algunas empresas que ofrecen estos refrigeradores en el mercado también los recomiendan a los usuarios de Cyrix/IBM 6x86 y AMD K6. El radiador incluido en el frigorífico es bastante pequeño. Sus dimensiones son 29x29 mm. El frigorífico tiene un sensor de temperatura incorporado que te avisará del sobrecalentamiento si es necesario. También controla el elemento Peltier. El kit incluye un dispositivo de monitoreo externo. Realiza las funciones de monitorear el voltaje y el funcionamiento del propio elemento Peltier, el funcionamiento del ventilador, así como la temperatura del procesador. El dispositivo generará una alarma si falla el elemento Peltier o el ventilador, si el ventilador gira a menos del 70 % de la velocidad requerida (4500 RPM) o si la temperatura del procesador supera los 145 °F (63 °C). Si la temperatura del procesador supera los 100 °F (38 °C), el elemento Peltier se enciende automáticamente; de lo contrario, está en modo de apagado. Última función Elimina los problemas asociados con la condensación de humedad. Desafortunadamente, el elemento en sí está pegado al radiador con tanta fuerza que es imposible separarlo sin destruir su estructura. Esto imposibilita su instalación en otro radiador más potente. En cuanto al ventilador, su diseño se caracteriza por un alto nivel de confiabilidad y tiene altos parámetros: voltaje de alimentación - 12 V, velocidad de rotación - 4500 RPM, velocidad de suministro de aire - 6,0 CFM, consumo de energía - 1 W, características de ruido - 30 dB. Este frigorífico es bastante eficiente y útil para hacer overclocking. Sin embargo, en algunos casos de overclocking de un procesador, simplemente conviene utilizar un radiador grande y un buen refrigerador. Este frigorífico tiene un precio de entre 39 y 49 dólares. El precio indicado se da de acuerdo con la lista de precios de varias empresas a mediados de 2000.
El frigorífico AC-P2 está diseñado para procesadores Pentium II. El kit incluye un refrigerador de 60 mm, un radiador y un elemento Peltier de 40 mm. No apto para procesadores Pentium II de 400 MHz y superiores, ya que los chips de memoria SRAM prácticamente no están refrigerados. El precio estimado para mediados de 2000 es de 59 dólares.
El refrigerador PAP2X3B (Fig. 8) es similar al AOC AC-P2. Se le añaden dos refrigeradores de 60 mm. Los problemas con la refrigeración de la memoria SRAM siguen sin resolverse. Vale la pena señalar que no se recomienda utilizar el refrigerador junto con programas de enfriamiento como, por ejemplo, CpuIdle, ni tampoco en sistemas operativos Windows NT o Linux, ya que es probable que se forme condensación de humedad en el procesador. El precio estimado para mediados de 2000 es de 79 dólares.
Arroz. 8. Aspecto del frigorífico PAP2X3B
El frigorífico STEP-UP-53X2 está equipado con dos ventiladores que bombean una gran cantidad de aire a través del radiador. Precio estimado para mediados de 2000: 79 dólares (Pentium II), 69 dólares (Celeron).
Los refrigeradores de la serie Bcool de Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) están diseñados para procesadores Pentium II y Celeron y tienen características similares a las presentadas. en la siguiente tabla.
Frigoríficos serie Bcool
| Artículo | PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier |
|||||||
| Procesadores recomendados | Pentium II y Celeron | |||||||||
| numero de fans | 3 | |||||||||
| Tipo de ventilador central | Rodamiento de bolas, tacómetro (12 V, 120 mA) | |||||||||
| Tamaño del ventilador central | 60x60x10mm | |||||||||
| Tipo de ventilador externo | Rodamiento de bolas | Rodamiento de bolas, tacómetro | Rodamiento de bolas, termistor | |||||||
| Tamaño del ventilador externo | 60x60x10mm | 60x60x25mm | ||||||||
| voltaje, corriente | 12 V, 90 mA | 12 V, 130 mA | 12 V, 80-225 mA | |||||||
| Área de cobertura total del ventilador | 84,9cm2 | |||||||||
| Corriente total para ventiladores (potencia) | 300 mA (3,6 vatios) |
380 mA (4,56W) |
280-570 mA (3,36-6,84 W) |
|||||||
| Número de pines en el disipador de calor (centro) | 63 largos y 72 cortos | |||||||||
| Número de pines en el disipador de calor (cada borde) | 45 largos y 18 cortos | |||||||||
| Número total de pines en el disipador de calor. | 153 largos y 108 cortos | |||||||||
| Dimensiones del radiador (centro) | 57x59x27 mm (incluido módulo termoeléctrico) | |||||||||
| Dimensiones del radiador (cada borde) | 41x59x32mm | |||||||||
| Dimensiones generales del radiador. | 145x59x38 mm (incluido módulo termoeléctrico) | |||||||||
| Dimensiones generales del frigorífico. | 145x60x50mm | 145x60x65mm | ||||||||
| Peso del refrigerador | 357 gramos | 416 gramos | 422 gramos | |||||||
| Garantizar | 5 años | |||||||||
| Precio estimado (2000) | $74.95 | $79.95 | $84.95 | |||||||
Cabe destacar que el grupo de frigoríficos BCool también incluirá dispositivos que tienen características similares, pero que no cuentan con elementos Peltier. Estos refrigeradores son naturalmente más baratos, pero también menos eficaces como medio para enfriar los componentes de la computadora.
Al preparar este artículo, se utilizaron materiales del libro "PC: configuración, optimización y overclocking". 2ª ed., revisada. y adicional, - San Petersburgo: BHV - Petersburgo. 2000. - 336 p.
Los elementos Peltier son convertidores termoeléctricos especiales que funcionan según el principio Peltier. (formación de una diferencia de temperatura cuando se conecta corriente eléctrica, en otras palabras, un refrigerador termoeléctrico).
No es ningún secreto que los dispositivos electrónicos se calientan durante el funcionamiento. El calentamiento afecta negativamente el proceso de trabajo, por lo que para enfriar de alguna manera los dispositivos, se incorporan elementos especiales en el cuerpo del dispositivo, llamados así en honor al inventor francés Peltier. Este es un elemento de tamaño pequeño que puede enfriar los componentes de radio en los tableros de dispositivos. Al instalarlo por nuestra cuenta No habrá ningún problema, la instalación en el circuito se realiza con un soldador normal.
1 — Aislador cerámico
2 - conductor tipo n
3 - conductor tipo p
4 - Conductor de cobre
Al principio nadie estaba interesado en los problemas de refrigeración, por lo que este invento quedó en desuso. Dos siglos más tarde, en el uso de dispositivos electrónicos en la vida cotidiana y en la industria, se empezaron a utilizar elementos Peltier en miniatura, recordando el efecto del inventor francés.
Principio de funcionamiento
Para entender cómo funciona un elemento basado en el invento de Peltier, es necesario entender los procesos físicos. El efecto es combinar dos materiales con propiedades conductoras que tienen diferentes energías electrónicas en la región de conducción. Cuando se conecta una corriente eléctrica a la zona de comunicación, los electrones reciben alta energía para moverse a la zona de mayor conductividad del segundo semiconductor. A medida que se absorbe energía, los conductores se enfrían. Cuando la corriente fluye en dirección opuesta, se produce el efecto habitual de calentar el contacto.
Todo el trabajo se realiza al nivel de la red atómica del material. Para comprender mejor el trabajo, imaginemos un gas formado por partículas: fonones. La temperatura del gas depende de los parámetros:
- Propiedades del metal.
- Temperaturas ambiente.
Suponemos que el metal está formado por una mezcla de gases de electrones y fonones que se encuentra en equilibrio termodinámico. Cuando dos metales de diferentes temperaturas se tocan, el gas de electrones frío pasa al metal caliente. Se crea una diferencia de potencial.
En la unión del contacto, los electrones absorben la energía de los fonones y la transfieren al otro metal en forma de fonones. Al cambiar los polos de la fuente de corriente, todo el proceso se revertirá. La diferencia de temperatura aumentará hasta que estén disponibles electrones libres con un alto potencial. En su ausencia, las temperaturas en los metales se igualarán.
Si instala un disipador de calor de alta calidad en forma de radiador en un lado de la placa Peltier, el segundo lado de la placa creará una temperatura más baja. Será varias decenas de grados más bajo que el aire circundante. Cuanto mayor sea el valor actual, más fuerte será el enfriamiento. Cuando se invierte la polaridad de la corriente, los lados frío y cálido se intercambiarán entre sí.
Al conectar un elemento Peltier a metal, el efecto se vuelve insignificante, por lo que prácticamente se instalan dos elementos. Su número puede ser cualquiera, depende de la necesidad de potencia de refrigeración.
La efectividad del efecto Peltier depende de la precisión con la que se seleccionen las propiedades de los metales, la intensidad de la corriente que fluye a través del dispositivo y la velocidad de eliminación de calor.
Ámbito de uso
Para aplicar prácticamente el elemento Peltier, los científicos llevaron a cabo varios experimentos que demostraron que se logra un aumento en la disipación de calor aumentando el número de compuestos de dos materiales. Cuanto mayor sea el número de uniones de materiales, mayor será el efecto. Más a menudo en nuestra vida, un elemento de este tipo se utiliza para enfriar dispositivos electrónicos y reducir la temperatura en los microcircuitos.
Éstos son algunos de sus usos:
- Dispositivos de visión nocturna.
- Cámaras digitales, dispositivos de comunicación, microcircuitos que requieren refrigeración de alta calidad para obtener mejores efectos de imagen.
- Telescopios refrigerados.
- Aires acondicionados.
- Sistemas de refrigeración de relojes precisos para osciladores eléctricos de cuarzo.
- Frigoríficos.
- Enfriadores de agua.
- Frigoríficos para coches.
- Tarjetas de video.
Los elementos Peltier se utilizan a menudo en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Es posible alcanzar temperaturas bastante bajas, lo que abre la posibilidad de su uso para equipos de refrigeración con mayor calentamiento.
Actualmente, los expertos utilizan elementos Peltier en sistemas de altavoces, actuando como un refrigerador. Los elementos Peltier no generan ningún sonido, por lo que el silencio es una de sus ventajas. Esta tecnología se ha vuelto popular debido a su poderosa transferencia de calor. Elementos fabricados por tecnología moderna, tienen dimensiones compactas, los radiadores de refrigeración mantienen una determinada temperatura durante mucho tiempo.
La ventaja de los elementos es su larga vida útil, ya que están fabricados en forma de un cuerpo monolítico, es poco probable que se produzcan fallos de funcionamiento. El diseño simple del tipo habitual y ampliamente utilizado es simple y consta de dos cables de cobre con terminales y cables, aislamiento cerámico.
Esta es una pequeña lista de lugares de aplicación. Se está ampliando para incluir dispositivos domésticos, computadoras y automóviles. Se puede destacar el uso de elementos Peltier en la refrigeración de microprocesadores de alto rendimiento. Anteriormente, solo se instalaban ventiladores en ellos. Ahora, al instalar un módulo con elementos Peltier, el ruido durante el funcionamiento de los dispositivos ha disminuido significativamente.
¿Los circuitos de refrigeración de los frigoríficos convencionales cambiarán a circuitos que utilicen el efecto Peltier? Hoy en día esto es casi imposible, ya que los elementos tienen una baja eficiencia. Su coste tampoco permite su uso en frigoríficos, ya que es bastante elevado. El futuro mostrará cómo se desarrollará esta dirección. Hoy en día, se están realizando experimentos con soluciones sólidas que son similares en estructura y propiedades. Al usarlos, el precio del módulo de refrigeración puede disminuir.
Efecto inverso de los elementos Peltier.
Este tipo de tecnología tiene la particularidad de hechos interesantes. Este es el efecto de generar corriente eléctrica enfriando y calentando la placa del módulo Peltier. Es decir, sirve como generador de energía eléctrica, con el efecto contrario.
Estos generadores de electricidad todavía existen en teoría, pero podemos esperar un desarrollo futuro en esta dirección. Hubo un tiempo en que el inventor francés no encontró ninguna aplicación para su descubrimiento.
Hoy en día este efecto termoeléctrico se utiliza mucho en electrónica. El ámbito de aplicación está en constante expansión, como lo confirman los informes y experiencias de investigadores y científicos. En el futuro, los electrodomésticos y los electrodomésticos tendrán capacidades innovadoras avanzadas. Los frigoríficos se volverán silenciosos, al igual que los ordenadores. Mientras tanto, los módulos Peltier se montan en diferentes circuitos para enfriar los componentes de la radio.
Ventajas y desventajas
Las ventajas de los elementos Peltier incluyen los siguientes hechos:
- La carcasa compacta de los elementos permite montarlo en un tablero con componentes de radio.
- No hay piezas móviles o que rocen, lo que aumenta su vida útil.
- Permite conectar muchos elementos en una cascada, según un esquema que permite reducir la temperatura de piezas muy calientes.
- Cuando se cambia la polaridad del voltaje de suministro, el elemento funcionará en orden inverso, es decir, los lados de enfriamiento y calentamiento cambiarán de lugar.
Las desventajas incluyen las siguientes:
- Coeficiente de acción insuficiente que influye en el aumento de la corriente suministrada para lograr la diferencia de temperatura requerida.
- Un sistema bastante complejo para eliminar el calor de la superficie de enfriamiento.
Cómo hacer elementos Peltier para un frigorífico.
Estos elementos Peltier los puede fabricar usted mismo de forma rápida y sencilla. Primero debes decidir el material de las placas. Es necesario tomar placas de elementos hechos de cerámica duradera, preparar conductores en cantidades de más de 20 piezas para garantizar la mayor diferencia de temperatura. Con una cantidad suficiente de elementos de eficiencia, se producirá un aumento significativo en el rendimiento del frigorífico.
La potencia del frigorífico utilizado juega un papel importante. Si funciona con freón líquido, no habrá problemas de rendimiento. Las placas de elementos están montadas cerca del evaporador, montadas junto con el motor. Para dicha instalación necesitará un determinado conjunto de juntas y herramientas. Esto asegurará que el fondo del refrigerador se enfríe rápidamente.
Es necesario un aislamiento cuidadoso de los conductores, solo después de conectarlos al compresor. Después de completar la instalación, debe verificar el voltaje con un multímetro. Si los elementos funcionan mal (por ejemplo, un cortocircuito), el termostato funcionará.
Otras aplicaciones de los módulos termoeléctricos
El efecto del módulo Peltier se utiliza hoy en día gracias a las leyes de la física. El exceso de energía de los elementos siempre es útil cuando se requiere un intercambio de calor rápido y silencioso.
Los principales lugares donde se utilizan los módulos:
- Enfriamiento de microprocesadores.
- Los motores de combustión interna producen gases de escape, que los científicos han comenzado a utilizar para generar energía auxiliar mediante módulos termoeléctricos. La energía así obtenida se devuelve al motor en forma de electricidad. Esto genera ahorros de combustible.
- En aparatos domésticos que actúan sobre la calefacción o la refrigeración.
Un refrigerador puede convertirse en un calentador y un refrigerador puede actuar como un gabinete calefactor si se invierte la polaridad de CC. A esto se le llama efecto reversible.
Este principio se utiliza en recuperadores. Consta de una caja de dos cámaras. Están conectados entre sí por un ventilador. Los elementos Peltier calientan el aire frío que entra desde el exterior utilizando la energía que se extrae del aire caliente del interior de la habitación. Este dispositivo ahorra costos de calefacción de espacios.
Principios del siglo XIX. La edad de oro de la física y la ingeniería eléctrica. En 1834, el relojero y naturalista francés Jean-Charles Peltier colocó una gota de agua entre electrodos de bismuto y antimonio y luego hizo pasar una corriente eléctrica a través del circuito. Para su asombro, vio que la gota se congeló de repente.
Se conocía el efecto térmico de la corriente eléctrica sobre los conductores, pero el efecto contrario era parecido a la magia. Se pueden entender los sentimientos de Peltier: este fenómeno en la unión de dos áreas diferentes de la física, la termodinámica y la electricidad, aún hoy evoca una sensación de milagro.
El problema del enfriamiento entonces no era tan grave como lo es hoy. Por lo tanto, el efecto Peltier se recurrió sólo casi dos siglos después, cuando aparecieron los dispositivos electrónicos, cuyo funcionamiento requería sistemas de refrigeración en miniatura. Dignidad Elementos de refrigeración Peltier Son dimensiones reducidas, ausencia de piezas móviles, posibilidad de conexión en cascada para obtener grandes diferencias de temperatura.
Además, el efecto Peltier es reversible: cuando se cambia la polaridad de la corriente que pasa por el módulo, la refrigeración se sustituye por calefacción, por lo que se pueden implementar fácilmente sistemas para el mantenimiento preciso de la temperatura (termostatos). La desventaja de los elementos (módulos) Peltier es su baja eficiencia, que requiere el suministro de grandes valores de corriente para obtener una diferencia de temperatura notable. También es difícil eliminar el calor de la placa opuesta al avión que se está enfriando.
Pero primero lo primero. Primero, intentemos considerar los procesos físicos responsables del fenómeno observado. Sin caer en el abismo de los cálculos matemáticos, simplemente intentaremos comprender la naturaleza de este interesante fenómeno físico.
Porque estamos hablando de En cuanto a los fenómenos de temperatura, los físicos, para facilitar la descripción matemática, reemplazan las vibraciones de la red atómica de un material con un determinado gas que consta de partículas: los fonones.
La temperatura del gas fonón depende de la temperatura ambiente y de las propiedades del metal. Entonces, cualquier metal es una mezcla de gases de electrones y fonones que están en equilibrio termodinámico. Cuando dos metales diferentes entran en contacto en ausencia de un campo externo, el gas de electrones "más caliente" penetra en la zona del "más frío", creando. la conocida diferencia de potencial de contacto.
Al aplicar una diferencia de potencial a la transición, es decir Cuando la corriente fluye a través de la frontera de dos metales, los electrones toman energía de los fonones de un metal y la transfieren al gas de fonones del otro. Cuando cambia la polaridad, la transferencia de energía, que significa calentamiento y enfriamiento, cambia de signo.
En los semiconductores, los electrones y los “huecos” son responsables de la transferencia de energía, pero el mecanismo de transferencia de calor y la aparición de una diferencia de temperatura siguen siendo los mismos. La diferencia de temperatura aumenta hasta que se agotan los electrones de alta energía. Se produce el equilibrio de temperatura. Esta es la imagen moderna de la descripción. efecto peltier.
De ello queda claro que eficiencia del elemento Peltier Depende de la selección de un par de materiales, la intensidad de la corriente y la velocidad de eliminación de calor de la zona caliente. Para materiales modernos(por regla general, estos son semiconductores) La eficiencia es del 5-8%.
Y ahora sobre la aplicación práctica del efecto Peltier. Para aumentarlo, se ensamblan termopares individuales (uniones de dos materiales diferentes) en grupos que constan de decenas y cientos de elementos. El objetivo principal de estos módulos es enfriar objetos pequeños o microcircuitos.
Módulo de refrigeración termoeléctrico
Los módulos de efecto Peltier se utilizan ampliamente en dispositivos de visión nocturna con una variedad de receptores de infrarrojos. Los circuitos de carga acoplada (CCD), que ahora se utilizan en cámaras digitales, requieren un enfriamiento profundo para grabar imágenes en la región infrarroja. Los módulos Peltier enfrían detectores de infrarrojos en telescopios, elementos activos de láseres para estabilizar la frecuencia de radiación y en sistemas de tiempo de precisión. Pero todas estas son aplicaciones militares y para fines especiales.
Recientemente, los módulos Peltier han encontrado aplicación en productos para el hogar. Principalmente en tecnología automotriz: aires acondicionados, refrigeradores portátiles, enfriadores de agua.
Un ejemplo del uso práctico del efecto Peltier.
La aplicación más interesante y prometedora de los módulos es la tecnología informática. Los microprocesadores, procesadores y chips de tarjetas de video de alto rendimiento generan grandes cantidades de calor. Para enfriarlos se utilizan ventiladores de alta velocidad, que generan un importante ruido acústico. El uso de módulos Peltier como parte de sistemas de refrigeración combinados elimina el ruido con una importante extracción de calor.
USB compacto -refrigerador que utiliza módulos Peltier
Y, por último, una pregunta lógica: ¿sustituirán los módulos Peltier a los sistemas de refrigeración habituales en los frigoríficos domésticos de compresión? Hoy en día esto no es rentable en términos de eficiencia (baja eficiencia) y precio. El coste de los módulos potentes sigue siendo bastante elevado.
Pero la tecnología y la ciencia de los materiales no se quedan quietas. Es imposible excluir la posibilidad de que aparezcan materiales nuevos, más baratos, con mayor eficiencia y un alto coeficiente de Peltier. Ya hoy existen informes de laboratorios de investigación sobre las sorprendentes propiedades de los materiales de nanocarbono que pueden cambiar radicalmente la situación con sistemas eficientes enfriamiento.
Ha habido informes sobre la alta eficiencia termoeléctrica de los clastratos, soluciones sólidas de estructura similar a los hidratos. Cuando estos materiales abandonen los laboratorios de investigación, nuestros modelos domésticos habituales sustituirán a frigoríficos completamente silenciosos y con una vida útil ilimitada.
PD Una de las características más interesantes. tecnología termoeléctrica es que no sólo puede utilizar energía eléctrica obtener calor y frío, pero también gracias a él podemos pero iniciar el proceso inverso, y, por ejemplo, obtener energía eléctrica a partir del calor..
Un ejemplo de cómo puedes obtener electricidad a partir del calor mediante un módulo termoeléctrico () mira esto video:
¿Qué opinas sobre esto? ¡Espero tus comentarios!
Andrey Povny
Sugiero ver dos videos cortos.
Es posible que algunos de ustedes ya los hayan encontrado en línea. Se utilizan dispositivos similares en tecnología informática.
Sin embargo, hablemos con más detalle a continuación sobre la naturaleza física de este fenómeno. Estos pequeños dispositivos de refrigeración son interesantes porque su principio de funcionamiento se basa en un efecto físico específico.
Vídeo 1
Vídeo 2
Estos dispositivos se basan en Efecto Peltier.
Este fenómeno físico fue descubierto en 1834
año Jean-Charles Peltier, un relojero de Francia. El efecto resultante recibió el nombre de su descubridor: el efecto Peltier. Peltier descubrió que cuando una corriente eléctrica pasa a través de un circuito formado por dos conductores diferentes, una de las uniones se enfría y la otra se calienta.
La liberación de calor cuando se expone a la electricidad ya era conocida y comprendida en ese momento, pero la liberación de frío no estaba clara ni estudiada.
Luego, los intentos de utilizar el efecto para obtener bajas temperaturas no tuvieron éxito, ya que no fue posible obtener un valor EMF alto. Por tanto, el efecto Peltier estuvo olvidado durante más de cien años.
El problema se solucionó sustituyendo los conductores por semiconductores, en los que se nota más. En los años 30 del siglo XX, nuestro académico compatriota A.F.Ioffe propuso y demostró la capacidad de los semiconductores para proporcionar suficiente eficiencia de proceso.
El efecto Peltier se invierte efecto Seebeck, más conocido como efecto termoeléctrico.
El efecto Peltier es reversible. Esto lo vemos en el vídeo 2. Si cambias la polaridad, el contacto que antes estaba caliente pasará a estar frío y viceversa.
Como escribí anteriormente, si se usan como conductores metales preciosos, entonces la diferencia de temperatura máxima que se puede exprimir entre dos puntos no será superior a 3 K. Por lo tanto, para obtener una mayor diferencia de temperatura, comenzaron a utilizar combinaciones de materiales: semiconductores, cuya conductividad eléctrica está contenida entre los conductividad de un metal puro, por ejemplo, el cobre. Cuando pasa corriente continua, se generará calor en un semiconductor y el calor se absorberá en el otro. Estas instalaciones de una sola etapa permiten obtener una reducción de temperatura máxima de 70...75 K.
Sólo es posible una mayor disminución de la temperatura conexión en cascada termoelementos.
Gracias a esto, fue posible lograr: un enfriamiento más profundo, aumentar la eficiencia del proceso de enfriamiento y reducir las dimensiones de las unidades de baja temperatura.
Para obtener suficiente capacidad de refrigeración sin aumentar demasiado la corriente eléctrica, conectar elementos Peltier en serie en baterías.
bateria peltier
Ventajas de las máquinas frigoríficas basadas en baterías Peltier:
- ausencia de piezas móviles y, por tanto, de ruidos y vibraciones;
- falta de sustancias de trabajo (refrigerantes y refrigerantes);
- tallas pequeñas;
- la capacidad de ajustar continuamente el rendimiento dentro de cualquier límite.
Pero las deficiencias han limitado extremadamente el uso de tales dispositivos a productos de nicho:
- baja eficiencia (COP), inferior a la de las unidades de freón por compresión de vapor;
- baja capacidad de refrigeración;
- alto costo.
El principal problema a la hora de construir elementos Peltier con alta eficiencia es que los electrones libres de una sustancia son simultáneamente portadores de corriente eléctrica y calor. El material para el elemento Peltier debe tener simultáneamente dos propiedades mutuamente excluyentes: conducir bien la corriente eléctrica, pero conducir mal el calor. Esto es difícil de lograr en la práctica.
Hoy en día, estos refrigeradores se han utilizado en equipos fotográficos, dispositivos de visión nocturna y telescopios. También se utiliza en sistemas de refrigeración. equipo de computacion, refrigeradores para automóviles.
Es posible que el uso de nuevos materiales abra nuevas posibilidades para el uso de dichos sistemas e instalaciones. Más prometedor para en este momento Aplicación en refrigeración de sistemas informáticos.
Si miras el vídeo con atención podrás ver la designación. TEC- Esta es una abreviatura del inglés Thermoelectric Cooler, que significa enfriador termoeléctrico, que también se llama elementos Peltier.
Por cierto, fue la URSS la que fue líder en tecnología de refrigeración termoeléctrica, como en investigacion basica y en su aplicación práctica. Aquí se construyeron los primeros frigoríficos termoeléctricos domésticos en los años 60.
La liberación o absorción (dependiendo de la dirección de la corriente) de calor en el contacto de dos semiconductores diferentes o un metal y un semiconductor.
Animación
Descripción
El efecto Peltier es un fenómeno termoeléctrico, lo opuesto al efecto Seebeck: cuando una corriente eléctrica I pasa a través de un contacto (unión) de dos sustancias diferentes (conductores o semiconductores) en el contacto, además del calor Joule, se genera calor Peltier adicional. Q P se libera en una dirección de la corriente y se absorbe en la dirección opuesta.
La cantidad de calor generado Q P y su signo dependen del tipo de sustancias en contacto, la fuerza de la corriente y el tiempo de su paso:
dQ P = p 12 H I H dt.
Aquí p 12 = p 1 -p 2 es el coeficiente Peltier para un contacto dado, asociado con los coeficientes Peltier absolutos p 1 y p 2 de los materiales en contacto. En este caso, se supone que la corriente fluye de la primera muestra a la segunda. Cuando se libera calor Peltier, tenemos: Q P >0, p 12 >0, p 1 > p 2 . Cuando se absorbe calor Peltier, se considera negativo y, en consecuencia: Q P<0,p 12 <0, p 1
En lugar del calor Peltier, a menudo se utiliza una cantidad física, definida como energía térmica liberada cada segundo en un contacto de una unidad de área. Esta cantidad, llamada poder de liberación de calor, está determinada por la fórmula:
q P = p 12 H j,
donde j=I/S - densidad de corriente;
S - área de contacto;
la dimensión de esta cantidad es SI = W/m2.
De las leyes de la termodinámica se deduce que el coeficiente de Peltier y el coeficiente de termopotencia a están relacionados por la relación:
p = aЧ T,
donde T es la temperatura absoluta de contacto.
El coeficiente de Peltier, que es una característica técnica importante de los materiales, generalmente no se mide, sino que se calcula utilizando el coeficiente de termopotencia, cuya medición es más sencilla.
En la figura. 1 y fig. La figura 2 muestra un circuito cerrado formado por dos semiconductores diferentes PP1 y PP2 con contactos A y B.
Liberación de calor Peltier (pin A)
Arroz. 1
Absorción de calor Peltier (pin A)
Arroz. 2
Un circuito de este tipo suele denominarse termoelemento y sus ramas, termoelectrodos. Una corriente I creada por una fuente externa e fluye a través del circuito. Arroz. 1 ilustra la situación cuando en el contacto A (la corriente fluye de PP1 a PP2) se libera calor Peltier Q P (A)>0, y en el contacto B (la corriente se dirige de PP2 a PP1) su absorción es Q P (B)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >TELEVISOR .
En la figura. 2, al cambiar el signo de la fuente se cambia el sentido de la corriente al contrario: de PP2 a PP1 en el contacto A y de PP1 a PP2 en el contacto B. En consecuencia, el signo del calor Peltier y la relación entre las temperaturas de contacto cambian: Q P (A)<0, Q P (В)>0, TA<Т В .
El motivo de la aparición del efecto Peltier en el contacto de semiconductores con el mismo tipo de portadores de corriente (dos semiconductores de tipo n o dos semiconductores de tipo p) es el mismo que en el caso del contacto de dos conductores metálicos. Los portadores de corriente (electrones o huecos) en diferentes lados de la unión tienen diferentes energías promedio, que dependen de muchas razones: espectro de energía, concentración, mecanismo de dispersión de los portadores de carga. Si los portadores, después de atravesar la unión, ingresan a un área con menor energía, transfieren el exceso de energía a la red cristalina, como resultado de lo cual se libera calor Peltier cerca del contacto (Q P >0) y la temperatura del contacto aumenta. En este caso, en la otra unión, los portadores, al moverse a una región con mayor energía, toman prestada la energía faltante de la red y se absorbe el calor Peltier (Q P<0 ) и понижение температуры.
El efecto Peltier, como todos los fenómenos termoeléctricos, es especialmente pronunciado en circuitos compuestos de semiconductores electrónicos (tipo n) y huecos (tipo p). En este caso, el efecto Peltier tiene una explicación diferente. Consideremos la situación en la que la corriente en el contacto pasa de un semiconductor hueco a uno electrónico (р ® n). En este caso, los electrones y los huecos se acercan entre sí y, al encontrarse, se recombinan. Como resultado de la recombinación, se libera energía, que se libera en forma de calor. Esta situación se muestra en la Fig. 3, que muestra las bandas de energía (e c - banda de conducción, e v - banda de valencia) para semiconductores de impurezas con conductividad hueca y electrónica.
Liberación de calor Peltier en el contacto de semiconductores de tipo p y n.
Arroz. 3
En la figura. 4 (e c - banda de conducción, e v - banda de valencia) ilustra la absorción de calor Peltier para el caso en que la corriente pasa de n a p - semiconductor (n ® p).
Absorción de calor Peltier en el contacto de semiconductores de tipo p y n.
Arroz. 4
Aquí, los electrones en un semiconductor electrónico y los huecos en un semiconductor hueco se mueven en direcciones opuestas, alejándose de la interfaz. La pérdida de portadores de corriente en la región límite se compensa mediante la producción por pares de electrones y huecos. La formación de tales pares requiere energía, que es suministrada por las vibraciones térmicas de los átomos de la red. Los electrones y huecos resultantes son atraídos en direcciones opuestas por el campo eléctrico. Por lo tanto, mientras la corriente fluya a través del contacto, continuamente nacen nuevos pares. Como resultado, el calor se absorberá al contacto.
Para que el efecto Peltier se note en el contexto del calentamiento general asociado con la liberación de calor Joule-Lenz, se debe cumplir la siguiente condición: S Q P Si Q J . . Como resultado, se obtienen las siguientes relaciones que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar experimentos:
.
donde R es la resistencia de la sección del termoelectrodo de longitud l a la que se libera calor;
r - resistividad eléctrica.
El coeficiente Peltier, que determina la cantidad de calor Peltier liberado en el contacto, depende de la naturaleza de las sustancias en contacto y de la temperatura de contacto: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T , donde a 1 y a 2 son los coeficientes absolutos de termopotencia de las sustancias en contacto. Si para la mayoría de los pares de metales el coeficiente de termopotencia es del orden de 10-5 x 10-4 V/K, entonces para los semiconductores puede ser mucho mayor (hasta 1,5 x 10-3 V/K). Para semiconductores con diferentes tipos de conductividad, a tiene signos diferentes, como resultado de lo cual Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.
Cabe señalar que el coeficiente de termopotencia depende de forma compleja de la composición y la temperatura del semiconductor, mientras que, en comparación con los metales, la dependencia de la temperatura de a para los semiconductores es mucho más pronunciada. El signo de a está determinado por el signo de los portadores de carga. No existen fórmulas empíricas generales, y mucho menos teóricas, que cubran las propiedades termoeléctricas de los semiconductores en un amplio rango de temperaturas. Normalmente, la fuerza termoelectromotriz a de un semiconductor, a partir del valor a = 0 en T = 0, aumenta primero en proporción a T, luego más lentamente, a menudo permanece constante en un cierto rango de temperatura y en la región de altas temperaturas ( más de 500 Kyo 700 K) comienza a disminuir según la ley a~ 1/T.
Otra característica distintiva de los semiconductores es el papel decisivo de las impurezas, cuya introducción permite no sólo cambiar el valor muchas veces, sino también cambiar el signo de a.
En semiconductores con conductividad mixta, las contribuciones a la termopotencia de los huecos y los electrones son opuestas, lo que conduce a valores pequeños de a y p.
En el caso particular en que las concentraciones (n) y la movilidad (u) de los electrones y los huecos son iguales (ne = np y ue = up), los valores de a y p se vuelven cero:
a~ (ne ue - np arriba) / (ne ue + np arriba).
El efecto Peltier, como otros fenómenos termoeléctricos, es de naturaleza fenomenológica.
El efecto Peltier en semiconductores se utiliza para refrigeración y calefacción termoeléctrica, que tiene aplicaciones prácticas en dispositivos de refrigeración y control de temperatura.
El fenómeno Peltier fue descubierto por J. Peltier en 1834.
Características de tiempo
Tiempo de iniciación (registro de -3 a 2);
Vida útil (registro tc de 15 a 15);
Tiempo de degradación (log td de -3 a 2);
Momento de desarrollo óptimo (log tk de -2 a 3).
Diagrama:
Implementaciones técnicas del efecto.
Implementación técnica del efecto Peltier en semiconductores.
La principal unidad tecnológica de todos los dispositivos de refrigeración termoeléctricos es una batería termoeléctrica formada por termoelementos conectados en serie. Dado que los conductores metálicos tienen propiedades termoeléctricas débiles, los termoelementos están hechos de semiconductores y una de las ramas del termoelemento debe consistir en un semiconductor puramente hueco (tipo p) y la otra en un semiconductor puramente electrónico (tipo n). Si elige una dirección de corriente (Fig. 5), en la que el calor Peltier será absorbido en los contactos ubicados dentro del refrigerador y liberado al espacio circundante en los contactos externos, entonces la temperatura dentro del refrigerador disminuirá y el espacio el exterior del frigorífico se calentará (lo que ocurre en cualquier diseño de frigorífico).
Diagrama esquemático de un frigorífico termoeléctrico.
Arroz. 5
La principal característica de un dispositivo de refrigeración termoeléctrico es su eficiencia de refrigeración:
Z= a 2 /(rl) ,
donde a es el coeficiente de termopotencia;
r - resistividad;
l es la conductividad térmica del semiconductor.
El parámetro Z es función de la temperatura y la concentración del portador de carga, y para cada temperatura dada existe un valor de concentración óptimo en el que el valor Z es máximo. La reducción máxima de temperatura está relacionada con el valor de eficiencia mediante la expresión:
D T max = (1/2) Х Z Х T 2,
donde T es la temperatura de la unión fría del termoelemento.
Cuanto mayor sea el valor de Z para ramas individuales, mayor será el valor de Z = (a 1 + a 2 ) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2 ) 2, lo que determina la eficiencia. todo el termoelemento. Es recomendable elegir semiconductores con los valores de movilidad más altos y una conductividad térmica mínima. La introducción de determinadas impurezas en un semiconductor es el principal medio disponible para cambiar sus parámetros (a, r, l) en la dirección deseada.
Los modernos dispositivos termoeléctricos de refrigeración permiten reducir la temperatura de +20°C a 200°C; su capacidad de refrigeración no suele superar los 100 W.
Tecnológicamente, las varillas hechas de materiales semiconductores con conductividad p y n (1) se montan en placas conductoras de calor hechas de material aislante (2) utilizando conectores metálicos (3), como se muestra en la Fig. 6.
Diagrama del módulo termoeléctrico.
Arroz. 6
Aplicando un efecto
Las principales áreas de uso práctico del efecto Peltier en semiconductores: obtener frío para crear dispositivos de enfriamiento termoeléctricos, calentar con fines de calefacción, termostatizar y controlar el proceso de cristalización en condiciones de temperatura constante.
El método de enfriamiento termoeléctrico tiene varias ventajas sobre otros métodos de enfriamiento. Los dispositivos termoeléctricos se distinguen por la facilidad de control, la capacidad de regular con precisión la temperatura, el silencio y la alta confiabilidad operativa. La principal desventaja de los dispositivos termoeléctricos es su baja eficiencia, lo que no permite su uso para la producción industrial de "frío".
Los dispositivos de refrigeración termoeléctricos se utilizan en frigoríficos domésticos y de transporte, termostatos, para enfriar y termostatizar elementos termosensibles de equipos radioelectrónicos y ópticos, para controlar el proceso de cristalización, en dispositivos médicos y biológicos, etc.
En tecnología informática, los dispositivos de enfriamiento termoeléctricos tienen el nombre de jerga "coolers" (del inglés Cooler - Cooler).
Literatura
1. Enciclopedia física.- M.: Gran Enciclopedia Rusa, 1998.- T.5.- P.98-99, 125.
2. Sivukhin S.D. Curso general de física - M.: Nauka, 1977. - T.3. Electricidad.- P.490-494.
3. Stilbans L.S. Física de semiconductores - M., 1967. - P.75-83, 292-311.
4. Ioffe A.F. Termoelementos semiconductores. - M., 1960.
Palabras clave