یخچال های نیمه هادی پلتیر

عملکرد اجزای الکترونیکی مدرن با کارایی بالا که اساس رایانه ها را تشکیل می دهند با تولید گرمای قابل توجهی همراه است، به ویژه هنگام کار با آنها در حالت های اورکلاک اجباری. عملکرد کارآمد چنین قطعاتی به وسایل خنک کننده کافی برای اطمینان از شرایط دمایی مورد نیاز برای عملکرد آنها نیاز دارد. به عنوان یک قاعده، چنین ابزاری برای پشتیبانی بهینه است شرایط دماییکولرهای مبتنی بر رادیاتور و فن های سنتی هستند.

قابلیت اطمینان و عملکرد چنین دستگاه هایی به دلیل پیشرفت در طراحی و استفاده از آنها به طور مداوم در حال افزایش است آخرین فناوری هاو استفاده از سنسورها و وسایل کنترلی مختلف در ترکیب آنها. این امکان ادغام چنین ابزارهایی را در سیستم های رایانه ای فراهم می کند و تشخیص و کنترل عملکرد آنها را به منظور دستیابی به بیشترین بازده و در عین حال اطمینان از شرایط دمایی مطلوب برای عملکرد عناصر رایانه ای امکان پذیر می کند که باعث افزایش قابلیت اطمینان و طولانی شدن دوره بدون مشکل آنها می شود. عمل.

پارامترهای کولرهای سنتی به طور مداوم در حال بهبود هستند، با این حال، اخیراچنین ابزار خاصی برای خنک کردن عناصر الکترونیکی مانند یخچال های نیمه هادی پلتیر در بازار کامپیوتر ظاهر شد و به زودی رایج شد (اگرچه کلمه خنک کننده اغلب استفاده می شود، اصطلاح صحیح در مورد عناصر پلتیه یخچال است).

یخچال های پلتیر، حاوی ماژول های ترموالکتریک نیمه هادی ویژه، که عملکرد آنها بر اساس اثر پلتیر است، که در سال 1834 کشف شد، دستگاه های خنک کننده بسیار امیدوار کننده ای هستند. چنین ابزارهایی سال هاست که با موفقیت در زمینه های مختلف علم و فناوری مورد استفاده قرار گرفته اند.

در دهه شصت و هفتاد، صنعت داخلی تلاش های مکرری برای تولید یخچال های خانگی با اندازه کوچک انجام داد که عملکرد آنها بر اساس اثر پلتیه بود. با این حال، نقص فن آوری های موجود، مقادیر کم ضریب اقدام مفیدو گرانی آن روزها اجازه نمی داد اینگونه دستگاه ها از آزمایشگاه های تحقیقاتی و میزهای آزمایش خارج شوند.

اما اثر پلتیه و ماژول های ترموالکتریک تنها در اختیار دانشمندان نیستند. در روند بهبود فناوری، بسیاری از پدیده های منفی به طور قابل توجهی کاهش یافته است. این تلاش ها منجر به ماژول های نیمه هادی بسیار کارآمد و قابل اعتماد شده است.

که در سال های گذشتهاین ماژول ها که عملکرد آنها بر اساس اثر Peltier است، به طور فعال برای خنک کردن انواع اجزای الکترونیکی رایانه ها استفاده می شود. به طور خاص، آنها شروع به استفاده از آنها برای خنک کردن پردازنده های قدرتمند مدرن کردند که عملکرد آنها با سطح بالایی از تولید گرما همراه است.

به لطف خواص حرارتی و عملیاتی منحصربه‌فردشان، دستگاه‌هایی که بر اساس ماژول‌های ترموالکتریک ایجاد می‌شوند - ماژول‌های Peltier - به فرد اجازه می‌دهند تا به سطح مورد نیاز خنک‌کننده عناصر کامپیوتری بدون هیچ مشکل فنی یا هزینه‌های مالی خاصی دست پیدا کنند. به عنوان خنک کننده برای قطعات الکترونیکی، این وسایل برای حفظ شرایط دمایی مورد نیاز برای عملکرد آنها بسیار امیدوار کننده هستند. آنها جمع و جور، راحت، قابل اعتماد هستند و راندمان عملیاتی بسیار بالایی دارند.

بخصوص علاقه بزرگیخچال های نیمه هادی به عنوان وسیله ای برای تامین سرمایش شدید در داخل ارائه می شوند سیستم های کامپیوتریکه المان های آن در حالت های شدید اجباری نصب و راه اندازی می شوند. استفاده از چنین حالت های اورکلاک اغلب افزایش قابل توجهی در عملکرد قطعات الکترونیکی مورد استفاده و در نتیجه، به عنوان یک قاعده، کل سیستم کامپیوتری را فراهم می کند. با این حال، عملکرد اجزای رایانه در چنین حالت هایی با تولید گرمای قابل توجه مشخص می شود و اغلب در حد توانایی های معماری رایانه و همچنین فناوری های میکروالکترونیک موجود و استفاده شده است. چنین اجزای رایانه ای که عملکرد آنها با تولید گرمای بالا همراه است، نه تنها پردازنده های با کارایی بالا، بلکه عناصری از آداپتورهای ویدئویی مدرن با کارایی بالا و در برخی موارد، تراشه های ماژول حافظه هستند. چنین عناصر قدرتمندی برای عملکرد صحیح خود حتی در حالت های عادی و حتی بیشتر در حالت های اورکلاک نیاز به خنک کننده شدید دارند.

ماژول های پلتیر

یخچال های پلتیر از یک یخچال معمولی و به اصطلاح ترموالکتریک استفاده می کنند که عملکرد آن بر اساس اثر پلتیه است. این اثر به افتخار ساعت ساز فرانسوی پلتیه (1785-1845) نامگذاری شده است که بیش از یک قرن و نیم پیش - در سال 1834 - کشف خود را انجام داد.

خود پلتیه ماهیت پدیده ای را که کشف کرده بود کاملاً درک نمی کرد. معنای واقعیاین پدیده چند سال بعد در سال 1838 توسط لنز (1804-1865) ایجاد شد.

لنز یک قطره آب را در شکاف محل اتصال دو میله بیسموت و آنتیموان قرار داد. وقتی جریان الکتریکی از یک جهت عبور کرد، یک قطره آب یخ زد. هنگامی که جریان در جهت مخالف عبور کرد، یخ حاصل ذوب شد. بنابراین مشخص شد که وقتی جریان الکتریکی از تماس دو هادی عبور می کند، بسته به جهت دومی، علاوه بر گرمای ژول، گرمای اضافی آزاد یا جذب می شود که به آن گرمای پلتیه می گویند. این پدیده را پدیده پلتیه (اثر پلتیه) می نامند. بنابراین، معکوس پدیده Seebeck است.

اگر در یک مدار بسته متشکل از چندین فلز یا نیمه هادی، دما در نقاط تماس فلزات یا نیمه هادی ها متفاوت باشد، جریان الکتریکی در مدار ظاهر می شود. این پدیده جریان ترموالکتریک در سال 1821 توسط فیزیکدان آلمانی Seebeck (1770-1831) کشف شد.

بر خلاف گرمای ژول-لنز که با مجذور قدرت جریان (Q=R·I·I·t) متناسب است، گرمای پلتیه متناسب با اولین توان قدرت جریان است و زمانی که جهت دومی تغییر می کند. گرمای Peltier، همانطور که توسط مطالعات تجربی نشان داده شده است، می تواند با فرمول بیان شود:

Qp = П ·q

که در آن q مقدار برق عبوری است (q=I·t)، P به اصطلاح ضریب پلتیه است که مقدار آن به ماهیت مواد در تماس و دمای آنها بستگی دارد.

حرارت Peltier Qp در صورت آزاد شدن مثبت و در صورت جذب منفی در نظر گرفته می شود.

برنج. 1. طرح آزمایش برای اندازه گیری حرارت پلتیه، مس - مس، بی - بیسموت.

در نمودار ارائه شده از آزمایش اندازه‌گیری گرمای پلتیه، با مقاومت یکسان سیم‌های R (Cu+Bi) در کالری‌سنج‌ها، همان گرمای ژول در هر کالری‌سنج آزاد می‌شود، یعنی با توجه به Q=R·I· آی تی. برعکس، گرمای Peltier در یک کالریمتر مثبت و در دیگری منفی خواهد بود. مطابق با این طرح، اندازه گیری گرمای پلتیر و محاسبه مقادیر ضرایب پلتیر برای جفت هادی های مختلف امکان پذیر است.

لازم به ذکر است که ضریب پلتیه به طور قابل توجهی به دما وابسته است. برخی از مقادیر ضریب پلتیه برای جفت های مختلففلزات در جدول ارائه شده است.

مقادیر ضریب پلتیر برای جفت های مختلف فلزات
آهن ثابت		مس نیکل		سرب-ثابت
تی، ک	P، mV	تی، ک	P، mV	تی، ک	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

ضریب پلتیه که مهم است مشخصات فنیمواد، به عنوان یک قاعده، اندازه گیری نمی شوند، اما از طریق ضریب تامسون محاسبه می شوند:

P = a T

که در آن P ضریب پلتیه، a ضریب تامسون، T دمای مطلق است.

کشف اثر پلتیه بود نفوذ بزرگدر مورد توسعه بعدی فیزیک و متعاقباً زمینه های مختلف فناوری.

بنابراین، ماهیت اثر باز به این صورت است: هنگامی که یک جریان الکتریکی از تماس دو هادی ساخته شده از مواد مختلف عبور می کند، بسته به جهت آن، علاوه بر گرمای ژول، گرمای اضافی آزاد یا جذب می شود که به آن Peltier می گویند. حرارت. درجه تجلی این اثر تا حد زیادی به مواد هادی های انتخاب شده و حالت های الکتریکی مورد استفاده بستگی دارد.

نظریه کلاسیک پدیده پلتیه را با این واقعیت توضیح می دهد که الکترون های منتقل شده توسط جریان از یک فلز به فلز دیگر توسط اختلاف پتانسیل تماس داخلی بین فلزات شتاب یا کند می شوند. در حالت اول، انرژی جنبشی الکترون ها افزایش می یابد و سپس به صورت گرما آزاد می شود. در حالت دوم، انرژی جنبشی الکترون ها کاهش می یابد و این اتلاف انرژی به دلیل ارتعاشات حرارتی اتم های هادی دوم دوباره پر می شود. در نتیجه خنک شدن اتفاق می افتد. یک نظریه کامل تر، نه تغییر انرژی پتانسیل را در هنگام انتقال یک الکترون از فلزی به فلز دیگر، بلکه تغییر در انرژی کل را در نظر می گیرد.

اثر پلتیه زمانی که از نیمه هادی های نوع p و n استفاده می شود به شدت مشاهده می شود. بسته به جهت جریان الکتریکی از طریق تماس نیمه هادی ها از انواع مختلف - پیوندهای p-n- و n-p، به دلیل برهم کنش بارهای نشان داده شده توسط الکترون ها (n) و سوراخ ها (p) و بازترکیب آنها، انرژی یا جذب می شود. یا آزاد شد. در نتیجه این فعل و انفعالات و فرآیندهای انرژی تولید شده، گرما یا جذب یا آزاد می شود. استفاده از نیمه هادی های نوع p و n در یخچال های ترموالکتریک در شکل 1 نشان داده شده است. 2.

برنج. 2. استفاده از نیمه هادی های نوع p و n در یخچال های ترموالکتریک.

ترکیب تعداد زیادی از جفت نیمه هادی های نوع p و n امکان ایجاد عناصر خنک کننده - ماژول های Peltier با توان نسبتاً بالا را فراهم می کند. ساختار یک ماژول ترموالکتریک Peltier نیمه هادی در شکل 1 نشان داده شده است. 3.

برنج. 3. ساختار ماژول Peltier

ماژول Peltier یک یخچال ترموالکتریک متشکل از نیمه هادی های نوع p و n است که به صورت سری به هم متصل شده اند و اتصالات p-n- و n-p را تشکیل می دهند. هر یک از این اتصالات با یکی از دو رادیاتور تماس حرارتی دارند. در نتیجه عبور جریان الکتریکی با قطبیت خاص، اختلاف دما بین رادیاتورهای ماژول Peltier ایجاد می شود: یک رادیاتور مانند یک یخچال کار می کند، رادیاتور دیگر گرم می شود و برای حذف گرما کار می کند. در شکل شکل 4 ظاهر یک ماژول معمولی Peltier را نشان می دهد.

برنج. 4. ظاهرماژول پلتیر

یک ماژول معمولی اختلاف دمای قابل توجهی در حد چند ده درجه ایجاد می کند. با خنک کردن اجباری مناسب رادیاتور گرمایش، رادیاتور دوم - یخچال - به فرد اجازه می دهد تا به دمای منفی دست یابد. برای افزایش اختلاف دما، می‌توان ماژول‌های ترموالکتریک Peltier را به صورت آبشاری سوئیچ کرد و در عین حال از خنک‌سازی کافی اطمینان داشت. این اجازه می دهد تا با روش های نسبتاً ساده، تفاوت دما قابل توجهی به دست آید و از خنک شدن مؤثر عناصر محافظت شده اطمینان حاصل شود. در شکل شکل 5 نمونه ای از اتصال آبشاری ماژول های استاندارد Peltier را نشان می دهد.

برنج. 5. نمونه ای از اتصال آبشاری ماژول های پلتیه

دستگاه های خنک کننده مبتنی بر ماژول های Peltier اغلب یخچال های فعال پلتیر یا به سادگی خنک کننده های پلتیر نامیده می شوند.

استفاده از ماژول های پلتیر در کولرهای اکتیو باعث کارایی قابل توجهی آن ها در مقایسه با انواع استاندارد کولرهای مبتنی بر رادیاتور و فن های سنتی می شود. با این حال، در فرآیند طراحی و استفاده از کولرها با ماژول‌های پلتیه، باید تعدادی از ویژگی‌های خاص ناشی از طراحی ماژول‌ها، اصل عملکرد آن‌ها، معماری سخت‌افزار کامپیوتر مدرن و عملکرد سیستم و عملکرد آن‌ها را در نظر گرفت. نرم افزار کاربردی.

قدرت ماژول Peltier از اهمیت زیادی برخوردار است که معمولاً به اندازه آن بستگی دارد. یک ماژول کم مصرف سطح مورد نیاز خنک کننده را فراهم نمی کند، که می تواند منجر به اختلال در عملکرد عنصر الکترونیکی محافظت شده، به عنوان مثال، یک پردازنده به دلیل گرم شدن بیش از حد آن شود. با این حال، استفاده از ماژول های با قدرت بیش از حد می تواند باعث شود دمای رادیاتور خنک کننده تا سطح تراکم رطوبت هوا کاهش یابد که برای مدارهای الکترونیکی خطرناک است. زیرا آبی که به طور مداوم از طریق تراکم تولید می شود می تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه در مدارهای الکترونیکی کامپیوتر شود. در اینجا مناسب است که به یاد بیاوریم که فاصله بین هادی های حامل جریان در تخته های مدار چاپی مدرن اغلب کسری از میلی متر است. با این وجود، علیرغم همه چیز، این ماژول های قدرتمند Peltier به عنوان بخشی از خنک کننده های با کارایی بالا و سیستم های خنک کننده و تهویه اضافی مربوطه بودند که به KryoTech و AMD در تحقیقات مشترک اجازه دادند تا پردازنده های AMD ایجاد شده با استفاده از فناوری سنتی را تا فرکانس های بیش از 1 اورکلاک کنند. گیگاهرتز، یعنی فرکانس عملکرد آنها را تقریباً 2 برابر در مقایسه با حالت عادی کار آنها افزایش می دهد. و باید تاکید کرد که این سطح از عملکرد در حالی به دست آمده است که از ثبات و اطمینان لازم در عملکرد پردازنده در حالت های اجباری اطمینان حاصل می شود. خوب، نتیجه چنین اورکلاک شدید، رکورد عملکرد در میان پردازنده‌هایی با معماری و سیستم دستورالعمل 80x86 بود. و شرکت KryoTech با ارائه واحدهای خنک کننده خود در بازار درآمد خوبی به دست آورده است. با تجهیز به قطعات الکترونیکی مناسب، مشخص شد که آنها به عنوان پلتفرم هایی برای سرورها و ایستگاه های کاری با کارایی بالا مورد تقاضا هستند. و AMD تأیید سطح بالای محصولات و مواد آزمایشی غنی خود را دریافت کرد بهبود بیشترمعماری پردازنده های آنها به هر حال، مطالعات مشابهی با پردازنده های Intel Celeron، Pentium II، Pentium III انجام شد که در نتیجه افزایش قابل توجهی در عملکرد نیز به دست آمد.

لازم به ذکر است که ماژول های Peltier در طول عملیات خود به طور نسبی متمایز می شوند تعداد زیادی ازحرارت. به همین دلیل، نه تنها باید از یک فن قدرتمند به عنوان بخشی از کولر استفاده کنید، بلکه باید از اقداماتی برای کاهش دمای داخل کیس کامپیوتر برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد سایر اجزای کامپیوتر استفاده کنید. برای انجام این کار، استفاده از فن های اضافی در کیس کامپیوتر برای اطمینان از تبادل حرارت بهتر با محیط بیرون کیس توصیه می شود.

در شکل شکل 6 ظاهر یک خنک کننده فعال را نشان می دهد که از یک ماژول نیمه هادی Peltier استفاده می کند.

برنج. 6. ظاهر یک کولر با ماژول Peltier

لازم به ذکر است که سیستم های خنک کننده مبتنی بر ماژول های Peltier نه تنها در سیستم های الکترونیکیمانند کامپیوتر. چنین ماژول هایی برای خنک کردن دستگاه های مختلف با دقت بالا استفاده می شوند. ماژول های Peltier برای علم اهمیت زیادی دارند. اول از همه، این نگرانی دارد تحقیقات تجربیدر فیزیک، شیمی، زیست شناسی انجام می شود.

اطلاعات مربوط به ماژول ها و یخچال های Peltier و همچنین ویژگی ها و نتایج استفاده از آنها را می توانید در سایت های اینترنتی به عنوان مثال در آدرس های زیر مشاهده کنید:

ویژگی های عملیات

ماژول های Peltier که به عنوان اجزای خنک کننده قطعات الکترونیکی استفاده می شوند، با قابلیت اطمینان نسبتاً بالایی مشخص می شوند و بر خلاف یخچال هایی که با استفاده از فناوری سنتی ایجاد می شوند، هیچ قطعه متحرکی ندارند. و همانطور که در بالا ذکر شد، برای افزایش راندمان عملکرد آنها، استفاده از آبشار را امکان پذیر می کند، که این امکان را فراهم می کند که دمای محفظه های عناصر الکترونیکی محافظت شده را حتی با قدرت اتلاف قابل توجه آنها به مقادیر منفی برساند.

با این حال، علاوه بر مزایای آشکار، ماژول های Peltier دارای تعدادی خواص و ویژگی های خاص هستند که باید هنگام استفاده از آنها به عنوان بخشی از خنک کننده ها در نظر گرفته شوند. برخی از آنها قبلا ذکر شده اند، اما برای استفاده صحیح از ماژول های Peltier آنها نیاز به بررسی دقیق تری دارند. مهمترین ویژگی ها شامل ویژگی های عملیاتی زیر است:

• ماژول های Peltier که در حین کارکرد خود مقدار زیادی گرما تولید می کنند، نیازمند وجود رادیاتورها و فن های مناسب در کولر هستند که می توانند به طور موثر گرمای اضافی را از ماژول های خنک کننده خارج کنند. لازم به ذکر است که ماژول های ترموالکتریک با ضریب عملکرد (بازده) نسبتاً پایین مشخص می شوند و با انجام وظایف یک پمپ حرارتی، خود منابع قدرتمند گرما هستند. استفاده از این ماژول ها به عنوان بخشی از وسایل خنک کننده برای قطعات الکترونیکی کامپیوتر باعث افزایش قابل توجه دمای داخل می شود واحد سیستم، که اغلب نیاز دارد اقدامات اضافیو به معنی کاهش دمای داخل کیس کامپیوتر است. در غیر این صورت درجه حرارت بالاداخل کیس مشکلات عملیاتی را نه تنها برای عناصر محافظت شده و سیستم های خنک کننده آنها، بلکه برای بقیه اجزای رایانه نیز ایجاد می کند. همچنین باید تأکید کرد که ماژول های Peltier یک بار اضافی نسبتاً قدرتمند برای منبع تغذیه هستند. با در نظر گرفتن مصرف فعلی ماژول های Peltier، قدرت منبع تغذیه کامپیوتر باید حداقل 250 وات باشد. همه اینها منجر به توصیه برای انتخاب مادربردهای ATX و کیس هایی با منبع تغذیه با توان کافی می شود. استفاده از این طرح باعث می شود تا اجزای کامپیوتر بتوانند شرایط بهینه حرارتی و الکتریکی را سازماندهی کنند. لازم به ذکر است که یخچال های پلتیر با منبع تغذیه مخصوص به خود وجود دارد.
• ماژول Peltier در صورت خرابی، عنصر خنک شده را از رادیاتور کولر جدا می کند. این منجر به اختلال بسیار سریع در رژیم حرارتی عنصر محافظت شده و شکست سریع آن از گرمای بیش از حد بعدی می شود.
• دمای پایینی که در حین کار یخچال های پلتیه با توان اضافی رخ می دهد به متراکم شدن رطوبت هوا کمک می کند. این امر خطری برای قطعات الکترونیکی به همراه دارد زیرا تراکم می تواند باعث اتصال کوتاه بین قطعات شود. برای رفع این خطر توصیه می شود از یخچال های پلتیر با قدرت بهینه استفاده شود. اینکه تراکم اتفاق بیفتد یا نه به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. مهمترین آنها عبارتند از: دما محیط(در این حالت دمای هوای داخل کیس)، دمای جسم خنک شده و رطوبت هوا. هرچه هوای داخل کیس گرمتر باشد و رطوبت بیشتر باشد، احتمال تراکم رطوبت و خرابی بعدی قطعات الکترونیکی کامپیوتر بیشتر می شود. در زیر جدولی وجود دارد که وابستگی دمای تراکم رطوبت را به یک جسم سرد شده بسته به رطوبت و دمای محیط نشان می دهد. با استفاده از این جدول می توانید به راحتی تشخیص دهید که آیا خطر تراکم وجود دارد یا خیر. به عنوان مثال، اگر دمای خارجی 25 درجه سانتیگراد و رطوبت آن 65 درصد باشد، تراکم رطوبت روی جسم سرد شده زمانی رخ می دهد که دمای سطح آن کمتر از 18 درجه سانتیگراد باشد.

دمای تراکم رطوبت

رطوبت، %
درجه حرارت محیط، درجه سانتی گراد	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

علاوه بر این ویژگی‌ها، لازم است تعدادی از شرایط خاص مرتبط با استفاده از ماژول‌های ترموالکتریک Peltier به عنوان بخشی از خنک‌کننده‌هایی که برای خنک کردن پردازنده‌های مرکزی با کارایی بالا رایانه‌های قدرتمند استفاده می‌شوند، در نظر گرفته شود.

معماری پردازنده‌های مدرن و برخی برنامه‌های سیستمی، تغییراتی را در مصرف انرژی بسته به بار روی پردازنده‌ها فراهم می‌کنند. این به شما امکان می دهد مصرف انرژی آنها را بهینه کنید. به هر حال ، این نیز توسط استانداردهای صرفه جویی در انرژی ارائه شده است که توسط عملکردهای خاصی که در سخت افزار و نرم افزار رایانه های مدرن ساخته شده است پشتیبانی می شود. در شرایط عادی، بهینه سازی عملکرد پردازنده و مصرف انرژی آن تأثیر مفیدی بر روی رژیم حرارتی خود پردازنده و تعادل حرارتی کلی دارد. با این حال، باید توجه داشت که حالت هایی با تغییرات دوره ای در مصرف انرژی ممکن است با وسایل خنک کننده برای پردازنده هایی که از ماژول های Peltier استفاده می کنند، سازگار نباشند. این به دلیل این واقعیت است که یخچال های پلتیر موجود به طور کلی برای کار مداوم طراحی شده اند. در این راستا، ساده ترین یخچال های پلتیر که ابزار کنترلی ندارند، توصیه نمی شود که همراه با برنامه های خنک کننده مانند CpuIdle و همچنین با برنامه های خنک کننده استفاده شوند. سیستم های عاملویندوز NT/2000 یا لینوکس.

اگر پردازنده به حالت کاهش مصرف انرژی و بر این اساس، اتلاف گرما تغییر کند، کاهش قابل توجهی در دمای کیس و کریستال پردازنده ممکن است. خنک شدن بیش از حد هسته پردازنده می تواند در برخی موارد باعث توقف موقت عملکرد آن و در نتیجه یخ زدن دائمی کامپیوتر شود. لازم به یادآوری است که مطابق با اسناد اینتل، حداقل دمایی که در آن عملکرد صحیح پردازنده های سریال Pentium II و Pentium III تضمین می شود، معمولا +5 درجه سانتیگراد است، اگرچه، همانطور که تمرین نشان می دهد، آنها در دماهای پایین تر به خوبی کار می کنند.

برخی از مشکلات نیز ممکن است در نتیجه عملکرد تعدادی از عملکردهای داخلی، به عنوان مثال، آنهایی که فن های خنک کننده را کنترل می کنند، ایجاد شوند. به طور خاص، حالت های مدیریت توان پردازنده در برخی از سیستم های کامپیوتری شامل تغییر سرعت فن های خنک کننده از طریق سخت افزار داخلی مادربرد است. در شرایط عادی، این به طور قابل توجهی عملکرد حرارتی پردازنده کامپیوتر را بهبود می بخشد. با این حال، در مورد استفاده از ساده‌ترین یخچال‌های پلتیر، کاهش سرعت چرخش می‌تواند منجر به بدتر شدن رژیم حرارتی و نتیجه مرگبار پردازنده به دلیل گرم شدن بیش از حد آن توسط ماژول Peltier شود که علاوه بر عملکرد عملکرد یک پمپ حرارتی، منبع قدرتمند گرمای اضافی است.

لازم به ذکر است که مانند پردازنده‌های مرکزی کامپیوتر، یخچال‌های پلتیر می‌توانند جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی خنک‌کننده چیپ‌ست‌های ویدئویی مورد استفاده در آداپتورهای ویدئویی با کارایی بالا باشند. عملکرد چنین چیپست های ویدیویی با تولید گرمای قابل توجهی همراه است و معمولاً تحت تأثیر قرار نمی گیرد تغییرات ناگهانیحالت های عملکرد آنها

برای از بین بردن مشکلات حالت های مصرف برق متغیر که باعث تراکم رطوبت هوا و هیپوترمی احتمالی و در برخی موارد حتی گرم شدن بیش از حد عناصر محافظت شده مانند پردازنده های کامپیوتر می شود، باید از استفاده از این حالت ها و تعدادی از عملکردهای داخلی خودداری کنید. با این حال، به عنوان یک جایگزین، سیستم های خنک کننده که ارائه می کنند ابزارهای هوشمندکنترل یخچال های پلتیر چنین ابزارهایی می توانند نه تنها عملکرد فن ها را کنترل کنند، بلکه حالت های عملکرد ماژول های ترموالکتریک را که به عنوان بخشی از خنک کننده های فعال استفاده می شوند را نیز تغییر دهند.

گزارش‌هایی از آزمایش‌هایی در مورد تعبیه ماژول‌های مینیاتوری Peltier به طور مستقیم در تراشه‌های پردازنده برای خنک کردن حیاتی‌ترین ساختارهای آنها وجود دارد. این راه حل با کاهش مقاومت حرارتی باعث خنک شدن بهتر می شود و می تواند فرکانس کاری و عملکرد پردازنده ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

کار در جهت بهبود سیستم ها برای اطمینان از شرایط دمایی مطلوب برای عناصر الکترونیکی توسط بسیاری از آزمایشگاه های تحقیقاتی انجام می شود. و سیستم های خنک کننده با استفاده از ماژول های ترموالکتریک Peltier بسیار امیدوار کننده در نظر گرفته می شوند.

نمونه هایی از یخچال های پلتیر

نسبتاً اخیراً ماژول های Peltier تولید داخلی در بازار رایانه ظاهر شدند. اینها دستگاه های ساده، قابل اعتماد و نسبتا ارزان (7 تا 15 دلار) هستند. به طور معمول، یک فن خنک کننده گنجانده نشده است. با این وجود، چنین ماژول هایی به شما امکان می دهد نه تنها با وسایل خنک کننده امیدوارکننده آشنا شوید، بلکه از آنها برای هدف مورد نظر خود در سیستم های حفاظتی برای اجزای رایانه نیز استفاده کنید. در اینجا پارامترهای مختصری از یکی از نمونه ها آمده است.

اندازه ماژول (شکل 7) - 40x40 میلی متر، حداکثر جریان - 6 A، حداکثر ولتاژ - 15 ولت، مصرف برق - تا 85 وات، اختلاف دما - بیش از 60 درجه سانتیگراد. این ماژول با ارائه یک فن قدرتمند قادر است از پردازنده با اتلاف توان تا 40 وات محافظت کند.

برنج. 7. ظاهر یخچال PAP2X3B

نسخه های کمتر و قدرتمندتری از ماژول های داخلی Peltier در بازار وجود دارد.

طیف دستگاه های خارجی بسیار گسترده تر است. در زیر نمونه هایی از یخچال ها را مشاهده می کنید که در طراحی آنها از ماژول های ترموالکتریک Peltier استفاده شده است.

یخچال های پلتیر اکتیو از Computernerd

نام	تولید کننده / تامین کننده	پارامترهای فن	CPU
PAX56B	کامپیوتر	بلبرینگ	پنتیوم/MMX تا 200 مگاهرتز، 25 وات
PA6EXB	کامپیوتر	بلبرینگ دوگانه، سرعت سنج	پنتیوم MMX تا 40 وات
DT-P54A	راه حل های DesTech	بلبرینگ دوتایی	پنتیوم
AC-P2	کولر AOC	بلبرینگ	پنتیوم II
PAP2X3B	کامپیوتر	3 بلبرینگ	پنتیوم II
STEP-UP-53X2	ترمودینامیک مرحله ای	2 بلبرینگ	پنتیوم II، سلرون
PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	کامپیوتر	3 بلبرینگ، سرعت سنج	پنتیوم II، سلرون
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	کامپیوتر	3 بلبرینگ، سرعت سنج	پنتیوم II، سلرون
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier	کامپیوتر	3 بلبرینگ، سرعت سنج	پنتیوم II، سلرون

یخچال PAX56B برای خنک کردن پردازنده های Pentium و Pentium-MMX اینتل، Cyrix و AMD طراحی شده است که در فرکانس های حداکثر 200 مگاهرتز کار می کنند. یک ماژول ترموالکتریک با ابعاد 30x30 میلی متر به یخچال اجازه می دهد تا دمای پردازنده را زیر 63 درجه سانتی گراد با اتلاف توان 25 وات و دمای خارجی 25 درجه سانتی گراد حفظ کند. با توجه به اینکه اکثر پردازنده ها انرژی کمتری را تلف می کنند، این خنک کننده به شما این امکان را می دهد که دمای پردازنده را بسیار کمتر از بسیاری از خنک کننده های جایگزین مبتنی بر رادیاتور و فن نگه دارید. ماژول پلتیر یخچال PAX56B از یک منبع 5 ولتی تغذیه می کند که قادر به ارائه حداکثر 1.5 آمپر است. فن این یخچال به ولتاژ 12 ولت و جریان 0.1 آمپر (حداکثر) نیاز دارد. پارامترهای فن یخچال PAX56B: بلبرینگ، 47.5 میلی متر، 65000 ساعت، 26 دسی بل. اندازه کلی این یخچال 25x25x28.7 میلی متر است. قیمت تخمینی یخچال PAX56B 35 دلار است. قیمت ذکر شده مطابق با لیست قیمت شرکت برای اواسط سال 2000 ارائه شده است.

یخچال PA6EXB برای خنک کردن پردازنده های قدرتمندتر Pentium-MMX طراحی شده است که تا 40 وات انرژی را از بین می برند. این یخچال برای تمامی پردازنده های Intel، Cyrix و AMD مناسب است که از طریق سوکت 5 یا سوکت 7 متصل می شوند. ماژول ترموالکتریک Peltier موجود در یخچال PA6EXB دارای اندازه 40x40 میلی متر است و حداکثر جریان 8 A (معمولا 3 A) مصرف می کند. در ولتاژ 5 B با اتصال از طریق یک اتصال برق استاندارد کامپیوتر. اندازه کلی یخچال PA6EXB 60x60x52.5 میلی متر است. هنگام نصب این یخچال، برای تبادل حرارت خوب بین رادیاتور و محیط، لازم است فضای باز در اطراف یخچال حداقل 10 میلی متر در بالا و 2.5 میلی متر در طرفین در نظر گرفته شود. یخچال PA6EXB دمای پردازنده 62.7 درجه سانتی گراد با اتلاف توان 40 وات و دمای خارجی 45 درجه سانتی گراد را فراهم می کند. با توجه به اصل عملکرد ماژول ترموالکتریک موجود در این یخچال، برای جلوگیری از تراکم رطوبت و اتصال کوتاه، لازم است از برنامه هایی که پردازنده را در حالت خواب قرار می دهند خودداری کنید. مدت زمان طولانی. قیمت تقریبی چنین یخچالی 65 دلار است. قیمت ذکر شده مطابق با لیست قیمت شرکت برای اواسط سال 2000 ارائه شده است.

یخچال DT-P54A (همچنین به عنوان PA5B Computernerd شناخته می شود) برای پردازنده های پنتیوم طراحی شده است. با این حال، برخی از شرکت های عرضه کننده این یخچال ها در بازار، آن را به کاربران Cyrix/IBM 6x86 و AMD K6 نیز توصیه می کنند. رادیاتور موجود در یخچال بسیار کوچک است. ابعاد آن 29x29 میلی متر است. یخچال دارای سنسور دمای داخلی است که در صورت لزوم شما را از گرم شدن بیش از حد مطلع می کند. همچنین عنصر Peltier را کنترل می کند. کیت شامل یک دستگاه نظارت خارجی است. عملکردهای نظارت بر ولتاژ و عملکرد خود عنصر Peltier، عملکرد فن و همچنین دمای پردازنده را انجام می دهد. اگر عنصر یا فن Peltier از کار بیفتد، اگر فن با کمتر از 70 درصد سرعت مورد نیاز (4500 دور در دقیقه) بچرخد، یا اگر دمای پردازنده از 145 درجه فارنهایت (63 درجه سانتیگراد) بالاتر رود، دستگاه زنگ هشدار ایجاد می کند. اگر دمای پردازنده از 100 درجه فارنهایت (38 درجه سانتیگراد) بالاتر رود، عنصر Peltier به طور خودکار روشن می شود، در غیر این صورت در حالت خاموش شدن است. آخرین عملکردمشکلات مربوط به تراکم رطوبت را از بین می برد. متأسفانه خود عنصر به قدری محکم به رادیاتور چسبانده شده است که جدا کردن آن بدون تخریب ساختار آن غیرممکن است. این باعث می شود که نصب آن بر روی رادیاتور قوی تر دیگر غیرممکن شود. در مورد فن، طراحی آن با سطح بالایی از قابلیت اطمینان مشخص می شود و پارامترهای بالایی دارد: ولتاژ تغذیه - 12 ولت، سرعت چرخش - 4500 RPM، سرعت تامین هوا - 6.0 CFM، مصرف برق - 1 وات، ویژگی های نویز - 30 دسی بل این یخچال برای اورکلاک بسیار کارآمد و مفید است. با این حال، در برخی موارد اورکلاک یک پردازنده، باید به سادگی از یک رادیاتور بزرگ و یک خنک کننده خوب استفاده کنید. قیمت این یخچال بین 39 تا 49 دلار است. قیمت ذکر شده مطابق با لیست قیمت چندین شرکت از اواسط سال 2000 ارائه شده است.

یخچال AC-P2 برای پردازنده های Pentium II طراحی شده است. این کیت شامل یک کولر 60 میلی متری، یک رادیاتور و یک المنت پلتیر 40 میلی متری است. این برای پردازنده های Pentium II 400 مگاهرتز و بالاتر مناسب نیست، زیرا تراشه های حافظه SRAM عملا خنک نمی شوند. قیمت تخمینی برای اواسط سال 2000 59 دلار است.

یخچال PAP2X3B (شکل 8) مشابه AOC AC-P2 است. دو کولر 60 میلی متری به آن اضافه می شود. مشکلات خنک کننده حافظه SRAM حل نشده باقی می ماند. شایان ذکر است که استفاده از یخچال همراه با برنامه های خنک کننده مانند CpuIdle و همچنین در سیستم عامل های Windows NT یا Linux توصیه نمی شود، زیرا احتمال تراکم رطوبت روی پردازنده وجود دارد. قیمت تخمینی برای اواسط سال 2000 79 دلار است.

برنج. 8. ظاهر یخچال PAP2X3B

یخچال STEP-UP-53X2 مجهز به دو فن است که مقدار زیادی هوا را از طریق رادیاتور پمپ می کند. قیمت تخمینی برای اواسط سال 2000: 79 دلار (Pentium II)، 69 دلار (Celeron).

یخچال های سری Bcool از Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) برای پردازنده های Pentium II و Celeron طراحی شده اند که دارای ویژگی های مشابهی هستند. در جدول زیر

یخچال های سری BCool

مورد		PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier							PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier
پردازنده های پیشنهادی		پنتیوم II و سلرون
تعداد هواداران		3
نوع پنکه مرکزی		بلبرینگ، سرعت سنج (12 ولت، 120 میلی آمپر)
اندازه فن مرکزی		60x60x10 میلی متر
نوع فن خارجی		بلبرینگ	بلبرینگ، سرعت سنج							بلبرینگ، ترمیستر
اندازه فن خارجی		60x60x10 میلی متر	60x60x25 میلی متر
ولتاژ، جریان		12 ولت، 90 میلی آمپر	12 ولت، 130 میلی آمپر							12 ولت، 80-225 میلی آمپر
کل منطقه پوشش فن		84.9 سانتی متر 2
جریان کل برای طرفداران (قدرت)		300 میلی آمپر (3.6 وات)	380 میلی آمپر (4.56 وات)							280-570 میلی آمپر (3.36-6.84 W)
تعداد پین های روی هیت سینک (مرکز)		63 بلند و 72 کوتاه
تعداد پین های روی هیت سینک (هر لبه)		45 بلند و 18 کوتاه
تعداد کل پین های روی هیت سینک		153 بلند و 108 کوتاه
ابعاد رادیاتور (مرکز)		57x59x27 میلی متر (شامل ماژول ترموالکتریک)
ابعاد رادیاتور (هر لبه)		41x59x32 میلی متر
ابعاد کلی رادیاتور		145x59x38 میلی متر (شامل ماژول ترموالکتریک)
ابعاد کلی یخچال		145x60x50 میلی متر	145x60x65 میلی متر
وزن یخچال		357 گرم	416 گرم							422 گرم
ضمانت		5 سال
قیمت تخمینی (2000)		$74.95	$79.95							$84.95

لازم به ذکر است که گروه یخچال های BCool نیز شامل دستگاه هایی خواهد بود که ویژگی های مشابهی دارند، اما فاقد عناصر پلتیر هستند. چنین یخچال‌هایی طبیعتاً ارزان‌تر هستند، اما به‌عنوان وسیله‌ای برای خنک‌کردن اجزای رایانه نیز مؤثر نیستند.

هنگام تهیه این مقاله از مطالب کتاب "PC: Settings, Optimization and Overclocking" استفاده شده است. ویرایش دوم، تجدید نظر شده. و اضافی، - سنت پترزبورگ: BHV - پترزبورگ. 2000. - 336 ص.

عناصر پلتیر مبدل های ترموالکتریک ویژه ای هستند که بر اساس اصل پلتیر کار می کنند. (تشکیل اختلاف دما هنگام اتصال جریان الکتریکی، به عبارت دیگر، یک کولر ترموالکتریک).

بر کسی پوشیده نیست که دستگاه های الکترونیکی در حین کار داغ می شوند. گرمایش بر روند کار تأثیر منفی می گذارد، بنابراین، برای خنک کردن دستگاه ها، عناصر خاصی در بدنه دستگاه تعبیه می شود که به نام مخترع فرانسه - Peltier نامیده می شود. این یک عنصر با اندازه کوچک است که می تواند اجزای رادیویی را روی بردهای دستگاه خنک کند. هنگام نصب آن به تنهاییهیچ مشکلی وجود نخواهد داشت، نصب در مدار با یک آهن لحیم کاری معمولی انجام می شود.

1 - عایق سرامیکی
2 - هادی نوع n
3 - هادی نوع p
4 - هادی مسی

در زمان های اولیه، هیچ کس به مسائل خنک کننده علاقه نداشت، بنابراین این اختراع بلا استفاده باقی ماند. دو قرن بعد، هنگام استفاده از دستگاه های الکترونیکی در زندگی روزمره و صنعت، عناصر مینیاتوری Peltier شروع به استفاده کردند که تأثیر مخترع فرانسوی را به یاد می آورد.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

برای درک چگونگی عملکرد یک عنصر مبتنی بر اختراع پلتیه، درک فرآیندهای فیزیکی ضروری است. اثر ترکیب دو ماده با خواص رسانایی است که انرژی های الکترونی متفاوتی در ناحیه رسانایی دارند. هنگامی که یک جریان الکتریکی به منطقه جفت وصل می شود، الکترون ها انرژی بالایی دریافت می کنند تا به ناحیه رسانایی بالاتر نیمه هادی دوم حرکت کنند. با جذب انرژی، هادی ها سرد می شوند. هنگامی که جریان در جهت مخالف جریان می یابد، اثر معمول گرم کردن تماس رخ می دهد.

تمام کارها در سطح شبکه اتمی مواد انجام می شود. برای درک بهتر کار، بیایید گازی متشکل از ذرات - فونون ها را تصور کنیم. دمای گاز به پارامترهای زیر بستگی دارد:

• خواص فلز.
• دمای محیط

فرض می کنیم که فلز از مخلوطی از گاز الکترون و فونون تشکیل شده است که در تعادل ترمودینامیکی است. هنگامی که دو فلز با دماهای مختلف با یکدیگر برخورد می کنند، گاز الکترون سرد به سمت فلز گرم حرکت می کند. اختلاف پتانسیل ایجاد می شود.

در محل اتصال تماس، الکترون ها انرژی فونون را جذب کرده و آن را به فلز دیگر به فونون ها منتقل می کنند. هنگام تغییر قطب های منبع فعلی، کل فرآیند برعکس خواهد شد. اختلاف دما تا زمانی که الکترون های آزاد با پتانسیل بالا در دسترس باشند افزایش می یابد. در غیاب آنها، دما در فلزات یکسان می شود.

اگر یک هیت سینک باکیفیت به شکل رادیاتور در یک طرف صفحه پلتیر نصب کنید، در سمت دوم صفحه دمای پایین تری ایجاد می شود. چند ده درجه پایین تر از هوای اطراف خواهد بود. هرچه مقدار جریان بالاتر باشد، خنک کننده قوی تر خواهد بود. هنگامی که قطبیت جریان معکوس شود، دو طرف سرد و گرم با یکدیگر تبادل می کنند.

هنگام اتصال یک عنصر Peltier به فلز، اثر ناچیز می شود، بنابراین دو عنصر عملا نصب می شوند. تعداد آنها می تواند هر باشد، این بستگی به نیاز به قدرت خنک کننده دارد.

اثربخشی اثر پلتیه به میزان دقت انتخاب خواص فلزات، قدرت جریان عبوری از دستگاه و سرعت حذف حرارت بستگی دارد.

دامنه استفاده

برای اعمال عملی عنصر Peltier، دانشمندان چندین آزمایش انجام دادند که نشان داد با افزایش تعداد اتصالات دو ماده، افزایش حذف گرما حاصل می شود. هرچه تعداد اتصالات مواد بیشتر باشد، تأثیر آن بیشتر است. اغلب در زندگی ما، چنین عنصری برای خنک کردن دستگاه های الکترونیکی و کاهش دما در ریز مدارها استفاده می شود.

در اینجا برخی از کاربردهای آنها آورده شده است:

• دستگاه های دید در شب.
• دوربین‌های دیجیتال، دستگاه‌های ارتباطی، میکرو مدارهایی که برای جلوه بهتر تصویر به خنک‌کننده باکیفیت نیاز دارند.
• تلسکوپ های خنک شده
• دستگاه های تهویه مطبوع.
• سیستم های خنک کننده ساعت دقیق برای نوسان سازهای الکتریکی کوارتز.
• یخچال و فریزر.
• کولرهای آبی.
• یخچال ماشین.
• کارت های ویدئویی

عناصر پلتیر اغلب در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. دستیابی به دمای نسبتاً پایین امکان پذیر است، که امکان استفاده برای تجهیزات خنک کننده با افزایش گرمایش را باز می کند.

در حال حاضر، کارشناسان از عناصر Peltier در سیستم های بلندگو، به عنوان یک خنک کننده عمل می کند. عناصر Peltier هیچ صدایی ایجاد نمی کنند، بنابراین بی صدا بودن یکی از مزایای آنها است. این فناوری به دلیل انتقال حرارت قدرتمند آن محبوب شده است. عناصر تولید شده توسط فن آوری پیشرفته، دارای ابعاد جمع و جور هستند، رادیاتورهای خنک کننده دمای خاصی را برای مدت طولانی حفظ می کنند.

مزیت عناصر عمر طولانی آنها است، زیرا آنها به شکل یک بدنه یکپارچه ساخته شده اند، خرابی بعید است. طراحی ساده از نوع معمولی که به طور گسترده استفاده می شود ساده است، متشکل از دو سیم مسی با پایانه ها و سیم ها، عایق سرامیکی.

این یک لیست کوچک از مکان های کاربردی است. در حال گسترش است و شامل وسایل خانگی، رایانه ها و اتومبیل ها می شود. می توان به استفاده از عناصر پلتیه در ریزپردازنده های خنک کننده با کارایی بالا اشاره کرد. قبلا فقط فن در آنها نصب می شد. اکنون هنگام نصب ماژول با المان های Peltier، نویز در عملکرد دستگاه ها به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.

آیا مدارهای خنک کننده در یخچال های معمولی به مدارهایی با استفاده از اثر پلتیه تبدیل می شوند؟ امروزه این امر به سختی امکان پذیر است، زیرا عناصر دارای راندمان پایینی هستند. هزینه آنها همچنین اجازه استفاده از آنها را در یخچال نمی دهد، زیرا بسیار بالا است. آینده نشان خواهد داد که چگونه این جهت توسعه خواهد یافت. امروزه آزمایش هایی با محلول های جامد انجام می شود که از نظر ساختار و خواص مشابه هستند. هنگام استفاده از آنها، ممکن است قیمت ماژول خنک کننده کاهش یابد.

اثر معکوس عناصر پلتیه

این نوع فناوری دارای ویژگی های خاص است حقایق جالب. این اثر تولید جریان الکتریکی با خنک کردن و گرم کردن صفحه ماژول Peltier است. به عبارت دیگر، به عنوان یک تولید کننده انرژی الکتریکی عمل می کند، با اثر معکوس.

چنین ژنراتورهای برق هنوز از نظر تئوری صرف وجود دارند، اما می توان به توسعه آینده این جهت امیدوار بود. زمانی، مخترع فرانسوی هیچ کاربردی برای کشف خود پیدا نکرد.

امروزه این اثر ترموالکتریک به طور گسترده ای در الکترونیک استفاده می شود. دامنه کاربرد به طور مداوم در حال گسترش است که گزارش ها و تجربیات محققان و دانشمندان آن را تأیید می کند. در آینده، لوازم خانگی و الکترونیکی قابلیت های نوآورانه پیشرفته ای خواهند داشت. یخچال‌ها مانند رایانه‌ها بی‌صدا می‌شوند. در این بین، ماژول های Peltier در مدارهای مختلف برای خنک کردن اجزای رادیویی نصب می شوند.

مزایا و معایب

مزایای عناصر Peltier شامل حقایق زیر است:

• محفظه جمع و جور المان ها به آن اجازه می دهد تا روی تخته ای با قطعات رادیویی نصب شود.
• عدم وجود قطعات متحرک یا مالشی که باعث افزایش عمر مفید آن می شود.
• بر اساس طرحی که به شما امکان می دهد دمای قسمت های بسیار داغ را کاهش دهید، به اتصال بسیاری از عناصر به یک آبشار اجازه می دهد.
• هنگامی که قطبیت ولتاژ تغذیه تغییر می کند، المنت به ترتیب معکوس کار می کند، یعنی طرف خنک کننده و گرمایش مکان خود را تغییر می دهد.

معایب شامل موارد زیر است:

• ضریب عمل ناکافی که بر افزایش جریان عرضه شده برای دستیابی به اختلاف دمای مورد نیاز تأثیر می گذارد.
• یک سیستم نسبتاً پیچیده برای حذف گرما از سطح خنک کننده.

نحوه ساخت عناصر پلتیر برای یخچال

شما می توانید چنین عناصر Peltier را خودتان به سرعت و به راحتی بسازید. ابتدا باید در مورد مواد صفحات تصمیم بگیرید. برای اطمینان از بیشترین اختلاف دما، لازم است صفحاتی از عناصر ساخته شده از سرامیک بادوام را بردارید، هادی ها را در مقادیر بیش از 20 قطعه آماده کنید. با تعداد کافی عناصر بازده، افزایش قابل توجهی در عملکرد یخچال ایجاد می شود.

قدرت یخچال مورد استفاده نقش زیادی دارد. اگر بر روی فریون مایع کار کند، هیچ مشکلی در عملکرد وجود نخواهد داشت. صفحات المنت در نزدیکی اواپراتور، همراه با موتور نصب شده اند. برای چنین نصبی به مجموعه خاصی از واشر و ابزار نیاز دارید. این کار باعث می شود ته یخچال به سرعت سرد شود.

عایق بندی دقیق هادی ها ضروری است، فقط پس از آن به کمپرسور متصل می شوند. پس از اتمام نصب، باید ولتاژ را با یک مولتی متر بررسی کنید. اگر عناصر خراب کار کنند (مثلاً اتصال کوتاه)، ترموستات کار می کند.

سایر کاربردهای ماژول های ترموالکتریک

اثر مدول پلتیه امروزه به لطف قوانین فیزیک استفاده می شود. انرژی اضافی عناصر همیشه در مواردی که تبادل حرارتی بی صدا و سریع مورد نیاز است مفید است.

مکان های اصلی استفاده از ماژول ها:

• خنک سازی ریزپردازنده ها
• موتورهای احتراق داخلی گازهای خروجی تولید می کنند که دانشمندان شروع به استفاده از آن برای تولید انرژی کمکی با استفاده از ماژول های ترموالکتریک کرده اند. انرژی به دست آمده از این طریق مجدداً به صورت برق در اختیار موتور قرار می گیرد. این باعث صرفه جویی در مصرف سوخت می شود.
• در وسایل خانگی که روی گرمایش یا سرمایش عمل می کنند.

یک کولر خنک کننده می تواند به بخاری تبدیل شود و اگر قطبیت DC معکوس شود، یخچال می تواند به عنوان کابینت گرمایش عمل کند. این اثر برگشت پذیر نامیده می شود.

این اصل در ریکاوراتورها استفاده می شود. از یک جعبه دو اتاق تشکیل شده است. آنها توسط یک فن به یکدیگر متصل می شوند. عناصر Peltier با استفاده از انرژی که از هوای گرم داخل اتاق استخراج می شود، هوای سردی را که از بیرون وارد می شود گرم می کنند. این دستگاه باعث صرفه جویی در هزینه های گرمایش فضا می شود.

اوایل قرن 19. عصر طلایی فیزیک و مهندسی برق. در سال 1834، ساعت ساز و طبیعت شناس فرانسوی ژان چارلز پلتیه قطره ای آب را بین الکترودهای بیسموت و آنتیموان قرار داد و سپس جریان الکتریکی را از مدار عبور داد. در کمال تعجب دید که قطره ناگهان یخ زد.

اثر حرارتی جریان الکتریکی بر رساناها شناخته شده بود، اما اثر معکوس آن شبیه جادو بود. می توان احساسات پلتیه را درک کرد: این پدیده در محل اتصال دو حوزه مختلف فیزیک - ترمودینامیک و الکتریسیته - هنوز هم امروز احساس معجزه را بر می انگیزد.

مشکل سرمایش در آن زمان به حاد امروز نبود. بنابراین، تقریباً دو قرن بعد، هنگامی که دستگاه‌های الکترونیکی ظاهر شدند، اثر پلتیه به کار افتاد که عملکرد آنها به سیستم‌های خنک‌کننده مینیاتوری نیاز داشت. کرامت عناصر خنک کننده پلتیرابعاد کوچک، عدم وجود قطعات متحرک، امکان اتصال آبشاری برای به دست آوردن اختلاف دما زیاد است.

علاوه بر این، اثر پلتیر برگشت پذیر است: هنگامی که قطبیت جریان عبوری از ماژول تغییر می کند، خنک کننده با گرمایش جایگزین می شود، بنابراین سیستم هایی برای نگهداری دقیق دما - ترموستات ها - به راحتی می توانند روی آن پیاده سازی شوند. نقطه ضعف عناصر Peltier (ماژول) راندمان پایین آنها است که برای به دست آوردن اختلاف دمای قابل توجه نیاز به تامین مقادیر جریان زیادی دارد. همچنین حذف گرما از صفحه مقابل صفحه سرد شده دشوار است.

اما اول از همه. ابتدا بیایید سعی کنیم فرآیندهای فیزیکی مسئول پدیده مشاهده شده را در نظر بگیریم. بدون فرو رفتن در ورطه محاسبات ریاضی، به سادگی سعی خواهیم کرد ماهیت این پدیده فیزیکی جالب را درک کنیم.

از آنجا که ما در مورددر مورد پدیده های دما، فیزیکدانان، برای راحتی توصیف ریاضی، ارتعاشات شبکه اتمی یک ماده را با گاز خاصی متشکل از ذرات - فونون ها جایگزین می کنند.

دمای گاز فونون به دمای محیط و خواص فلز بستگی دارد. سپس هر فلزی مخلوطی از گازهای الکترون و فونون است که در تعادل ترمودینامیکی هستند، وقتی دو فلز مختلف در غیاب میدان خارجی با هم تماس پیدا می کنند، گاز الکترونی "گرمتر" به منطقه "سردتر" نفوذ می کند و ایجاد می کند. تفاوت پتانسیل تماس شناخته شده

هنگام اعمال اختلاف پتانسیل برای انتقال، به عنوان مثال. هنگامی که جریان از مرز دو فلز عبور می کند، الکترون ها از فونون های یک فلز انرژی می گیرند و آن را به گاز فونون دیگری منتقل می کنند. هنگامی که قطبیت تغییر می کند، انتقال انرژی که به معنای گرمایش و سرمایش است، تغییر می کند.

در نیمه هادی ها، الکترون ها و "حفره ها" مسئول انتقال انرژی هستند، اما مکانیسم انتقال حرارت و ظاهر اختلاف دما ثابت می ماند. اختلاف دما تا زمانی که الکترون های پرانرژی تمام شوند افزایش می یابد. تعادل دما رخ می دهد. این تصویر مدرن توصیف است اثر پلتیه.

از آن مشخص است که کارایی عنصر پلتیهبه انتخاب یک جفت مواد، قدرت فعلی و سرعت حذف گرما از منطقه داغ بستگی دارد. برای مواد مدرن(به عنوان یک قاعده، اینها نیمه هادی ها هستند) راندمان 5-8٪ است.

و اکنون در مورد کاربرد عملی اثر پلتیه.برای افزایش آن، ترموکوپل های منفرد (اتصال دو ماده مختلف) به گروه هایی متشکل از ده ها و صدها عنصر مونتاژ می شوند. هدف اصلی چنین ماژول هایی خنک کردن اجسام کوچک یا ریز مدارها است.

ماژول خنک کننده ترموالکتریک

ماژول های اثر Peltier به طور گسترده در دستگاه های دید در شب با مجموعه ای از گیرنده های مادون قرمز استفاده می شود. مدارهای شارژ شده (CCD) که اکنون در آنها استفاده می شود دوربین های دیجیتال، برای ضبط تصاویر در ناحیه مادون قرمز به خنک کننده عمیق نیاز دارد. ماژول های Peltier آشکارسازهای مادون قرمز را در تلسکوپ ها، عناصر فعال لیزرها برای تثبیت فرکانس تابش و در سیستم های زمان دقیق خنک می کنند. اما اینها همه کاربردهای نظامی و ویژه هستند.

اخیراً ماژول های Peltier در محصولات خانگی کاربرد پیدا کرده اند. عمدتاً در فناوری خودرو: تهویه مطبوع، یخچال های قابل حمل، کولرهای آبی.

نمونه ای از استفاده عملی از اثر پلتیه

جالب ترین و امیدوارکننده ترین کاربرد ماژول ها، فناوری کامپیوتر است. ریزپردازنده ها، پردازنده ها و تراشه های کارت گرافیک با کارایی بالا مقادیر زیادی گرما تولید می کنند. برای خنک کردن آنها از فن های پرسرعت استفاده می شود که نویز صوتی قابل توجهی ایجاد می کند. استفاده از ماژول های Peltier به عنوان بخشی از سیستم های خنک کننده ترکیبی، نویز را با استخراج گرمای قابل توجه حذف می کند.

USB فشرده یخچال با استفاده از ماژول های Peltier

و در نهایت، یک سوال منطقی: آیا ماژول های Peltier جایگزین سیستم های خنک کننده معمول در یخچال های خانگی فشرده می شوند؟ امروزه این از نظر کارایی (بازده پایین) و قیمت بی‌سود است. هزینه ماژول های قدرتمند هنوز بسیار بالا است.

اما فناوری و علم مواد ثابت نمی ماند. غیرممکن است که احتمال ظهور مواد جدید و ارزان‌تر با راندمان بالاتر و ضریب پلتیر بالا را رد کنیم. در حال حاضر گزارش هایی از آزمایشگاه های تحقیقاتی در مورد خواص شگفت انگیز مواد نانو کربنی وجود دارد که می تواند وضعیت را به طور اساسی تغییر دهد. سیستم های کارآمدخنک کننده

گزارش هایی از راندمان حرارتی بالای کلاسرات ها - محلول های جامد مشابه ساختار هیدرات ها وجود دارد. وقتی این مواد از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی خارج می‌شوند، یخچال‌های کاملاً بی‌صدا با عمر مفید نامحدود جایگزین مدل‌های خانگی معمولی ما خواهند شد.

P.S.یکی از جالب ترین ویژگی ها تکنولوژی ترموالکتریکاین است که نه تنها می تواند استفاده کند انرژی الکتریکی برای به دست آوردن گرما و سرما، اما همچنین به لطف آن می توانیم اما فرآیند معکوس را شروع کنید و مثلاً انرژی الکتریکی را از گرما بدست آورید.

نمونه ای از اینکه چگونه می توانیدبه دست آوردن الکتریسیته از گرما با استفاده از یک ماژول ترموالکتریک () به این نگاه کنویدئو:

چه فکری در این باره دارید؟ به امید دریافت دیدگاههای شما!

آندری پوونی

پیشنهاد می کنم دو ویدیوی کوتاه را تماشا کنید.
ممکن است برخی از شما قبلاً به صورت آنلاین با آنها برخورد کرده باشید. دستگاه های مشابه در فناوری کامپیوتر استفاده می شود.
با این حال، اجازه دهید در زیر با جزئیات بیشتری در مورد ماهیت فیزیکی این پدیده صحبت کنیم. چنین دستگاه های خنک کننده کوچک جالب هستند زیرا اصل عملکرد آنها بر اساس یک اثر فیزیکی خاص است.

ویدئو 1

ویدئو 2

این دستگاه ها بر اساس اثر پلتیه

این پدیده فیزیکی در سال کشف شد 1834 سال ژان چارلز پلتیهساعت ساز اهل فرانسه. اثر حاصل از کاشف آن - اثر پلتیه - نامگذاری شد.پلتیر کشف کرد که وقتی جریان الکتریکی از مداری متشکل از دو هادی مختلف عبور می‌کند، یکی از اتصالات سرد و دیگری گرم می‌شود.
انتشار گرما هنگام قرار گرفتن در معرض الکتریسیته قبلاً شناخته شده و درک شده بود، اما انتشار سرما نامشخص و مطالعه نشده بود.

سپس تلاش برای استفاده از اثر برای به دست آوردن دماهای پایین ناموفق بود، زیرا امکان بدست آوردن مقدار EMF بالا وجود نداشت. بنابراین، اثر پلتیه برای بیش از صد سال فراموش شد.
مشکل با جایگزینی هادی ها با نیمه هادی ها حل شد که در آنها بیشتر به چشم می خورد. در دهه 30 قرن بیستم، دانشگاهیان هموطن ما A.F.Ioffeتوانایی نیمه هادی ها برای ارائه کارایی فرآیند کافی را پیشنهاد و نشان داد.

اثر پلتیر معکوس شده است اثر Seebeck، که بیشتر به عنوان اثر ترموالکتریک شناخته می شود.

اثر پلتیه برگشت پذیر است. ما این را در فیلم 2 می بینیم. اگر قطبیت را تغییر دهید، تماسی که قبلاً داغ بود سرد می شود و بالعکس.

همانطور که در بالا نوشتم، اگر به عنوان هادی استفاده شود فلزات گرانبهابنابراین، حداکثر اختلاف دمایی که می‌توان بین دو نقطه فشار داد، بیشتر از 3 K نخواهد بود. بنابراین، برای به دست آوردن اختلاف دمای بیشتر، آنها شروع به استفاده از ترکیبی از مواد - نیمه‌هادی‌ها کردند که رسانایی الکتریکی آن‌ها بین رسانایی یک فلز خالص مانند مس. هنگامی که جریان مستقیم عبور می کند، گرما در یک نیمه هادی تولید می شود و گرما از نیمه هادی دیگر جذب می شود. چنین نصب های تک مرحله ای امکان به دست آوردن حداکثر کاهش دما 70 ... 75 K را فراهم می کند.
کاهش بیشتر دما فقط امکان پذیر است اتصال آبشاریعناصر حرارتی
با تشکر از این، می توان به این موارد دست یافت: خنک سازی عمیق تر، افزایش راندمان فرآیند خنک کننده و کاهش ابعاد واحدهای با دمای پایین.
برای به دست آوردن ظرفیت خنک کننده کافی بدون افزایش بیش از حد جریان الکتریکی، عناصر Peltier را به صورت سری به باتری ها متصل کنید.

باتری پلتیر

مزایای ماشین های تبرید مبتنی بر باتری پلتیر:
- عدم وجود قطعات متحرک و در نتیجه سر و صدا و ارتعاش.
- کمبود مواد کار (مبردها و خنک کننده ها)؛
- اندازه های کوچک؛
- قابلیت تنظیم مداوم عملکرد در هر محدودیتی.

اما کاستی ها استفاده از چنین دستگاه هایی را به محصولات خاص محدود کرده است:
- راندمان پایین (COP)، کمتر از واحدهای فریون فشرده سازی بخار؛
- ظرفیت خنک کننده کم؛
- قیمت بالا

مشکل اصلی در ساخت عناصر پلتیه با راندمان بالا این است که الکترون های آزاد در یک ماده به طور همزمان حامل جریان الکتریکی و گرما هستند. ماده برای عنصر Peltier باید به طور همزمان دارای دو ویژگی منحصر به فرد باشد - جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می کند، اما در عمل به سختی می توان گرما را هدایت کرد.

امروزه چنین کولرهایی در تجهیزات عکاسی، دستگاه های دید در شب و تلسکوپ ها کاربرد پیدا کرده اند. همچنین در سیستم های خنک کننده استفاده می شود تجهیزات کامپیوتر، یخچال ماشین.
این امکان وجود دارد که استفاده از مواد جدید، امکانات جدیدی را برای استفاده از چنین سیستم ها و تاسیساتی باز کند. امیدوار کننده ترین برای این لحظهکاربرد در سیستم های کامپیوتری خنک کننده

اگر ویدیو را با دقت تماشا کنید، می توانید نام آن را ببینید TEC- این مخفف انگلیسی Thermoelectric Cooler است که به معنای خنک کننده ترموالکتریک است که به آن عناصر Peltier نیز می گویند.

به هر حال، این اتحاد جماهیر شوروی بود که در فناوری خنک کننده ترموالکتریک رهبر بود تحقیقات پایه، و در کاربرد عملی. اولین یخچال ترموالکتریک خانگی در دهه 60 در اینجا ایجاد شد.

آزاد شدن یا جذب (بسته به جهت جریان) گرما در تماس دو نیمه هادی غیرمشابه یا یک فلز و یک نیمه هادی.

انیمیشن

شرح

اثر پلتیه یک پدیده ترموالکتریک است، برعکس اثر Seebeck: هنگامی که جریان الکتریکی I از تماس (اتصال) دو ماده مختلف (رسانا یا نیمه هادی) در تماس عبور می کند، علاوه بر گرمای ژول، گرمای پلتیه اضافی نیز وجود دارد. Q P در یک جهت جریان آزاد می شود و در جهت مخالف جذب می شود.

مقدار گرمای تولید شده QP و علامت آن به نوع مواد در تماس، قدرت جریان و زمان عبور آن بستگی دارد:

dQ P = p 12 H I H dt.

در اینجا p 12 = p 1 - p 2 ضریب پلتیه برای یک تماس معین است که با ضرایب مطلق پلتیه p 1 و p 2 مواد تماسی مرتبط است. در این حالت، فرض بر این است که جریان از نمونه اول به نمونه دوم می گذرد. هنگامی که گرمای Peltier آزاد می شود، داریم: Q P > 0، p 12 > 0، p 1 > p 2 . هنگامی که گرمای Peltier جذب می شود، منفی در نظر گرفته می شود و بر این اساس: Q P<0,p 12 <0, p 1

به جای گرمای Peltier، اغلب از یک کمیت فیزیکی استفاده می شود که به عنوان انرژی حرارتی آزاد شده در هر ثانیه در تماس یک واحد سطح تعریف می شود. این مقدار که توان انتشار گرما نامیده می شود با فرمول تعیین می شود:

q P = p 12 H j،

جایی که j=I/S - چگالی جریان.

S - منطقه تماس؛

بعد این کمیت SI = W/m2 است.

از قوانین ترمودینامیک چنین استنباط می شود که ضریب پلتیه و ضریب توان حرارتی a با این رابطه مرتبط هستند:

p = aЧ T،

که در آن T دمای تماس مطلق است.

ضریب پلتیه که یک مشخصه فنی مهم مواد است، معمولاً اندازه گیری نمی شود، اما با استفاده از ضریب توان حرارتی محاسبه می شود که اندازه گیری آن ساده تر است.

در شکل 1 و شکل شکل 2 مدار بسته ای را نشان می دهد که از دو نیمه هادی مختلف PP1 و PP2 با کنتاکت های A و B تشکیل شده است.

انتشار حرارت پلتیر (پین A)

برنج. 1

جذب حرارت پلتیر (پین A)

برنج. 2

به چنین مداری معمولاً ترموالنت و شاخه های آن ترموالکترود می گویند. جریانی که من توسط منبع خارجی e ایجاد می کنم از مدار عبور می کند. برنج. 1 وضعیتی را نشان می دهد که در تماس A (جریان از PP1 به PP2 می گذرد) گرمای Peltier Q P (A)> 0 آزاد می شود و در تماس B (جریان از PP2 به PP1 هدایت می شود) جذب آن Q P (B) است.<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >تلویزیون .

در شکل 2، تغییر علامت منبع، جهت جریان را به عکس تغییر می دهد: از PP2 به PP1 در تماس A و از PP1 به PP2 در تماس B. بر این اساس، علامت گرمای پلتیه و رابطه بین دمای تماس تغییر می کند: Q P (A)<0, Q P (В)>0، T A<Т В .

علت وقوع اثر پلتیه در تماس نیمه هادی ها با حامل های جریان مشابه (دو نیمه هادی نوع n یا دو نیمه هادی نوع p) مانند تماس دو هادی فلزی است. حامل‌های جریان (الکترون‌ها یا سوراخ‌ها) در طرف‌های مختلف اتصال دارای انرژی‌های متوسط ​​متفاوتی هستند که به دلایل زیادی بستگی دارد: طیف انرژی، غلظت، مکانیسم پراکندگی حامل بار. اگر حامل ها با عبور از محل اتصال وارد منطقه ای با انرژی کمتر شوند، انرژی اضافی را به شبکه کریستالی منتقل می کنند، در نتیجه گرمای پلتیه در نزدیکی تماس آزاد می شود (Q P> 0) و دمای تماس افزایش می یابد. در این حالت، در محل اتصال دیگر، حامل ها که به منطقه ای با انرژی بالاتر حرکت می کنند، انرژی از دست رفته را از شبکه قرض می گیرند و گرمای پلتیه جذب می شود (Q P<0 ) и понижение температуры.

اثر پلتیه، مانند همه پدیده های ترموالکتریک، به ویژه در مدارهایی که از نیمه هادی های الکترونیکی (نوع n) و سوراخ (نوع p) تشکیل شده اند، مشخص است. در این مورد، اثر پلتیه توضیح متفاوتی دارد. اجازه دهید وضعیتی را در نظر بگیریم که جریان در تماس از یک نیمه هادی سوراخ به یک الکترونیکی (р ® n) می رود. در این حالت، الکترون ها و حفره ها به سمت یکدیگر حرکت می کنند و پس از ملاقات، دوباره ترکیب می شوند. در نتیجه نوترکیب انرژی آزاد می شود که به صورت گرما آزاد می شود. این وضعیت در شکل نشان داده شده است. 3، که نوارهای انرژی (e c - نوار هدایت، e v - نوار ظرفیت) را برای نیمه هادی های ناخالصی با سوراخ و رسانایی الکترونیکی نشان می دهد.

انتشار گرمای پلتیه در تماس نیمه هادی های نوع p و n

برنج. 3

در شکل 4 (e c - نوار رسانایی، e v - باند ظرفیت) جذب حرارت پلتیه را برای حالتی که جریان از n به p می رود - نیمه هادی (n®p) را نشان می دهد.

جذب حرارت پلتیه در تماس نیمه هادی های نوع p و n

برنج. 4

در اینجا، الکترون‌ها در یک نیمه‌رسانای الکترونیکی و حفره‌های یک نیمه‌رسانای حفره‌ای در جهت مخالف حرکت می‌کنند و از سطح مشترک دور می‌شوند. از دست دادن حامل های جریان در ناحیه مرزی با تولید جفتی الکترون ها و حفره ها جبران می شود. تشکیل چنین جفت هایی نیاز به انرژی دارد که از ارتعاشات حرارتی اتم های شبکه تامین می شود. الکترون ها و حفره های حاصل توسط میدان الکتریکی در جهت مخالف کشیده می شوند. بنابراین، تا زمانی که جریان از طریق تماس جریان می یابد، جفت های جدید به طور مداوم متولد می شوند. در نتیجه، گرما در تماس جذب می شود.

برای اینکه اثر پلتیه در پس زمینه گرمایش عمومی مرتبط با انتشار گرمای ژول-لنز قابل توجه باشد، شرط زیر باید رعایت شود: S Q P Si Q J. . در نتیجه، روابط زیر به دست می آید که باید هنگام انجام آزمایش ها در نظر گرفته شوند:

.

که در آن R مقاومت بخش ترموالکترود به طول l است که در آن گرما آزاد می شود.

r - مقاومت الکتریکی.

ضریب پلتیه، که مقدار گرمای پلتیه آزاد شده در تماس را تعیین می کند، به ماهیت مواد در تماس و دمای تماس بستگی دارد: p 12 = a 12 · T = (a 1 - a 2 ) · T ، جایی که a 1 و a 2 ضرایب قدرت حرارتی مطلق مواد تماس هستند. اگر برای اکثر جفت فلزات ضریب توان حرارتی از مرتبه 10-5 x 10-4 V/K باشد، برای نیمه هادی ها می تواند بسیار بیشتر باشد (تا 1.5 x 10-3 V/K). برای نیمه هادی ها با انواع مختلف رسانایی، a دارای علائم متفاوتی است، در نتیجه Sa 12 S = Sa 1 S + Sa 2 S.

لازم به ذکر است که ضریب توان حرارتی به شکل پیچیده ای به ترکیب و دمای نیمه هادی بستگی دارد، در حالی که در مقایسه با فلزات، وابستگی دمایی a برای نیمه هادی ها بسیار بارزتر است. علامت a با علامت حامل های بار مشخص می شود. هیچ فرمول تجربی عمومی و حتی کمتر نظری وجود ندارد که خواص ترموالکتریکی نیمه هادی ها را در محدوده دمایی وسیع پوشش دهد. به طور معمول، نیروی حرارتی a یک نیمه هادی، که از مقدار a = 0 در T = 0 شروع می شود، ابتدا به نسبت T افزایش می یابد، سپس به کندی بیشتر می شود، اغلب در یک محدوده دمایی خاص ثابت می ماند، و در منطقه دماهای بالا ( بیش از 500 Kyo 700 K) طبق قانون a~ 1/T شروع به کاهش می کند.

یکی دیگر از ویژگی های متمایز نیمه هادی ها نقش تعیین کننده ناخالصی ها است که معرفی آن باعث می شود نه تنها مقدار را چندین برابر تغییر دهید، بلکه علامت a را نیز تغییر دهید.

در نیمه رساناهایی با رسانایی مختلط، سهم انرژی حرارتی حفره ها و الکترون ها مخالف است که منجر به مقادیر کوچک a و p می شود.

در مورد خاصی که غلظت (n) و تحرک (u) الکترون ها و حفره ها برابر باشد (ne = np و ue = up)، مقادیر a و p صفر می شوند:

a~ (ne ue - np up) / (ne ue + np up).

اثر پلتیه، مانند سایر پدیده های ترموالکتریک، ماهیت پدیدارشناختی دارد.

اثر پلتیر در نیمه هادی ها برای سرمایش و گرمایش ترموالکتریک استفاده می شود که کاربرد عملی در دستگاه های کنترل دما و تبرید دارد.

پدیده پلتیر توسط جی پلتیه در سال 1834 کشف شد.

ویژگی های زمان بندی

زمان شروع (ورود به -3 تا 2)؛

طول عمر (log tc از 15 تا 15)؛

زمان تخریب (log td از -3 تا 2)؛

زمان توسعه بهینه (log tk از -2 تا 3).

نمودار:

پیاده سازی های فنی اثر

اجرای فنی اثر پلتیه در نیمه هادی ها

واحد تکنولوژیکی اصلی تمام دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک یک باتری ترموالکتریک است که از ترموالمان های متصل به سری تشکیل شده است. از آنجایی که هادی های فلزی دارای خواص ترموالکتریک ضعیفی هستند، ترموالمان ها از نیمه هادی ها ساخته می شوند و یکی از شاخه های عنصر حرارتی باید از یک سوراخ کاملاً (نوع p) و دیگری از یک نیمه هادی کاملاً الکترونیکی (نوع n) تشکیل شده باشد. اگر جهت جریان را انتخاب کنید (شکل 5) که در آن گرمای پلتیه در کنتاکت های داخل یخچال جذب شده و در کنتاکت های خارجی به فضای اطراف آزاد می شود، دمای داخل یخچال کاهش می یابد و فضا بیرون یخچال گرم می شود (که در هر طراحی یخچالی اتفاق می افتد).

نمودار شماتیک یخچال ترموالکتریک

برنج. 5

ویژگی اصلی یک دستگاه خنک کننده ترموالکتریک راندمان خنک کننده آن است:

Z= a 2 /(rl)،

جایی که a ضریب توان حرارتی است.

r - مقاومت؛

l هدایت حرارتی نیمه هادی است.

پارامتر Z تابعی از دما و غلظت حامل بار است و برای هر دمای معین یک مقدار غلظت بهینه وجود دارد که در آن مقدار Z حداکثر است. حداکثر کاهش دما به مقدار بازده با عبارت زیر مربوط می شود:

D T max = (1/2) Х Z Х T 2،

که در آن T دمای محل اتصال سرد عنصر حرارتی است.

هر چه مقدار Z برای شاخه های جداگانه بیشتر باشد، مقدار Z = (a 1 + a 2) 2 /(Tsr 1 l 1 + Tsr 2 l 2) 2 بیشتر است که کارایی را تعیین می کند. کل عنصر حرارتی توصیه می شود نیمه هادی هایی را با بالاترین مقادیر تحرک و حداقل هدایت حرارتی انتخاب کنید. وارد کردن ناخالصی های خاص به یک نیمه هادی اصلی ترین ابزار موجود برای تغییر پارامترهای آن (a، r، l) در جهت مورد نظر است.

دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک مدرن کاهش دما را از +20 درجه سانتیگراد به 200 درجه سانتیگراد ارائه می دهند. ظرفیت خنک کنندگی آنها معمولاً بیش از 100 وات نیست.

از نظر فن آوری، میله های ساخته شده از مواد نیمه هادی با رسانایی p و n (1) بر روی تخته های رسانای گرما ساخته شده از مواد عایق (2) با استفاده از اتصالات فلزی (3) همانطور که در شکل نشان داده شده است، نصب می شوند. 6.

نمودار ماژول ترموالکتریک

برنج. 6

اعمال یک اثر

زمینه های اصلی استفاده عملی از اثر پلتیه در نیمه هادی ها: به دست آوردن سرما برای ایجاد دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک، گرمایش برای اهداف گرمایش، ترموستات، کنترل فرآیند تبلور در شرایط دمای ثابت.

روش خنک کننده ترموالکتریک مزایای متعددی نسبت به سایر روش های خنک کننده دارد. دستگاه های ترموالکتریک با سهولت کنترل، توانایی تنظیم دقیق دما، بی صدا بودن و قابلیت اطمینان عملیاتی بالا متمایز می شوند. عیب اصلی دستگاه های ترموالکتریک راندمان پایین آنها است که اجازه نمی دهد از آنها برای تولید صنعتی "سرد" استفاده شود.

دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک در یخچال های خانگی و حمل و نقل، ترموستات ها، برای خنک سازی و ترموستات عناصر حساس به حرارت تجهیزات رادیویی الکترونیکی و نوری، برای کنترل فرآیند تبلور، در دستگاه های پزشکی و بیولوژیکی و غیره استفاده می شود.

در فناوری رایانه ، دستگاه های خنک کننده ترموالکتریک نام عامیانه "کولر" (از انگلیسی کولر - کولر) دارند.

ادبیات

1. دایره المعارف فیزیکی.- م.: دایره المعارف بزرگ روسیه، 1998.- T.5.- P.98-99، 125.

2. Sivukhin S.D. دوره عمومی فیزیک - M.: Nauka، 1977. - T.3. برق.- ص490-494.

3. Stilbans L.S. فیزیک نیمه هادی ها - M., 1967. - P.75-83, 292-311.

4. آیوف A.F. عناصر حرارتی نیمه هادی - M.، 1960.

کلید واژه ها