Полупроводниковые холодильники Пельтье
Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютеров, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах разгона (overclocking). Эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы их работы. Как правило, такими средствами поддержки оптимальных температурных режимов являются кулеры, основой которых являются традиционные радиаторы и вентиляторы.
Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новейших технологий и применения в их составе разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой с целью достижения наибольшей эффективности при обеспечении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, что повышает надежность и удлиняет сроки их безаварийной работы.
Параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, тем не менее, в последнее время на компьютерном рынке появились и вскоре стали популярными такие специфические средства охлаждения электронных элементов как полупроводниковые холодильники Пельтье (хотя часто применяется слово кулер, но правильным термином в случае элементов Пельтье является именно холодильник).
Холодильники Пельтье, содержащие специальные полупроводниковые термоэлектрические модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 г., являются чрезвычайно перспективными устройствами охлаждения. Подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники.
В шестидесятых и семидесятых годах отечественной промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых была основана на эффекте Пельтье. Однако несовершенство существовавших технологий, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие цены не позволили в те времена подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды.
Но эффект Пельтье и термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить. В результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.
В последние годы данные модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. Их, в частности, стали применять для охлаждения современных мощных процессоров, работа которых сопровождается высоким уровнем тепловыделения.
Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. Как кулеры электронных компонентов, данные средства поддержки необходимых температурных режимов их эксплуатации являются чрезвычайно перспективными. Они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью работы.
Особенно большой интерес полупроводниковые холодильники представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых, установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов — разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности применяемых электронных компонентов, а, следовательно, как правило, и всей системы компьютера. Однако работа компьютерных компонентов в подобных режимах отличается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий. Такими компьютерными компонентами, работа которых сопровождается высоким тепловыделением, являются не только высокопроизводительные процессоры, но и элементы современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и микросхемы модулей памяти. Подобные мощные элементы требуют для своей корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.
Модули Пельтье
В холодильниках Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845 г.), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад — в 1834 г.
Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Ленцем (1804-1865 г.).
В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление получило название явления Пельтье (эффекта Пельтье). Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Если в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников, температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770-1831 г.).
В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q=R·I·I·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:
Qп = П ·q
где q — количество прошедшего электричества (q=I·t), П — так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.
Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.
Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu — медь, Bi — висмут.
В представленной схеме опыта измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.
Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.
| Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Железо-константан | Медь-никель | Свинец-константан | |||
| T, К | П, мВ | T, К | П, мВ | T, К | П, мВ |
| 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 |
Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:
П = a · T
где П — коэффициент Пельтье, a — коэффициент Томсона, T — абсолютная температура.
Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.
Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.
Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа — p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 2.
Рис. 2. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.
Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура модуля Пельтье
Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 4 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.
Рис. 4. Внешний вид модуля Пельтье
Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор — холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 5 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.
Рис. 5. Пример каскадного включения модулей Пельтье
Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье.
Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.
Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводящими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. Тем не менее, несмотря ни на что, именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD в совместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, то есть увеличить их частоту работы почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. И необходимо подчеркнуть, что данный уровень производительности достигнут в условиях обеспечения необходимой стабильности и надежности работы процессоров в форсированных режимах. Ну, а следствием такого экстремального разгона явился рекорд производительности среди процессоров архитектуры и системы команд 80х86. А фирма KryoTech неплохо заработала, предлагая на рынке свои установки охлаждения. Снабженные соответствующей электронной начинкой, они оказались востребованными в качестве платформ высокопроизводительных серверов и рабочих станций. А фирма AMD получила подтверждение высокого уровня своих изделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствования архитектуры своих процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования были проведены и с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, в результате которых был получен тоже значительный прирост производительности.
Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.
На рис. 6 представлен внешний вид активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье.
Рис. 6. Внешний вид кулера с модулем Пельтье
Следует отметить, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение модули Пельтье имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии.
Информацию о модулях и холодильниках Пельтье, а также особенностях и результатах их применения можно найти на сайтах в Internet, например, по следующим адресам:
Особенности эксплуатации
Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.
Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:
- Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера. Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов. Следует отметить, что существуют холодильники Пельтье с собственным блоком питания.
- Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
- Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Ниже представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуру конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25°C, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18°C.
Температура конденсации влаги
| Влажность, % | |||||||||
| Температура окружающей среды, °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 |
Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.
Архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В связи с этим, простейшие холодильники Пельтье, не обладающие средствами контроля, не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также с операционными системами Windows NT/2000 или Linux.
В случае перехода процессора в режим пониженного энергопотребления и соответственно тепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса и кристалла процессора. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаях временное прекращение его работоспособности, и как результат, стойкое зависание компьютера. Необходимо напомнить, что в соответствии с документацией фирмы Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа серийных процессоров Pentium II и Pentium III, обычно составляет +5 °C, хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах.
Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.
Необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.
Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.
Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.
Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.
Примеры холодильников Пельтье
Сравнительно недавно на компьютерном рынке появились модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надежные и сравнительно дешевые ($7-$15) устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав. Тем не менее, подобные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению в системах защиты компьютерных компонентов. Вот краткие параметры одного из образцов.
Размер модуля (Рис.7) — 40×40 мм, максимальный ток — 6 А, максимальное напряжение — 15 В, потребляемая мощность — до 85 Вт, перепад температур — более 60 °C. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.
Рис. 7. Внешний вид холодильника PAP2X3B
На рынке представлены как менее, так и более мощные варианты отечественных модулей Пельтье.
Спектр зарубежных устройств значительно шире. Ниже приведены примеры холодильников, в конструкции которых использованы термоэлектрические модули Пельтье.
Активные холодильники Пельтье фирмы Computernerd
| Название | Производитель / поставщик | Параметры вентилятора | Процессор |
| PAX56B | Computernerd | ball-bearing | Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт |
| PA6EXB | Computernerd | dual ball-bearing, тахометр | Pentium MMX до 40 Вт |
| DT-P54A | DesTech Solutions | dual ball bearing | Pentium |
| AC-P2 | AOC Cooler | ball bearing | Pentium II |
| PAP2X3B | Computernerd | 3 ball bearing | Pentium II |
| STEP-UP-53X2 | Step Thermodynamics | 2 ball bearing | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier | Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
Холодильник PAX56B разработан для охлаждения процессоров Pentium и Pentium-MMX фирм Intel, Cyrix и AMD, работающих на частотах до 200 МГц. Термоэлектрический модуль размером 30×30 мм позволяет холодильнику поддерживать температуру процессора ниже 63 °C при рассеиваемой им мощности 25 Вт и внешней температуре равной 25 °C. В связи с тем, что большинство процессоров рассеивают меньшую мощность, данный холодильник позволяет поддерживать температуру процессора гораздо ниже, чем многие альтернативные кулеры на основе радиаторов и вентиляторов. Питание модуля Пельтье, входящего в состав холодильника PAX56B, осуществляется от источника 5 В, способного обеспечить ток 1,5 А (максимум). Вентилятор данного холодильника требует напряжение 12 В и ток 0,1 А (максимум). Параметры вентилятора холодильника PAX56B: ball-bearing, 47,5 мм, 65000 часов, 26 дБ. Общий размер данного холодильника составляет 25×25×28,7 мм. Ориентировочная цена холодильника PAX56B равна $35. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.
Холодильник PA6EXB разработан для охлаждения более мощных процессоров Pentium-MMX, рассеивающих мощность до 40 Вт. Этот холодильник подходит для всех процессоров фирм Intel, Cyrix и AMD, подключаемых через Socket 5 или Socket 7. Термоэлектрический модуль Пельтье, входящий в состав холодильника PA6EXB имеет размер 40×40 мм и потребляет максимум ток 8 А (обычно 3 А) при напряжении 5 В с подключением через стандартный разъем питания компьютера. Общий размер холодильника PA6EXB составляет 60×60×52,5 мм. При установке данного холодильника для хорошего теплообмена радиатора с окружающей средой необходимо обеспечить открытое пространство вокруг холодильника как минимум 10 мм сверху и 2,5 мм по бокам. Холодильник PA6EXB обеспечивает температуру процессора 62,7 °C при рассеиваемой им мощности 40 Вт и внешней температуре 45 °C. Учитывая принцип работы термоэлектрического модуля, входящего в состав данного холодильника, во избежание конденсации влаги и короткого замыкания необходимо избегать использования программ, которые переводят процессор в спящий режим на длительное время. Ориентировочная цена такого холодильника составляет $65. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.
Холодильник DT-P54A (также известен под названием PA5B фирмы Computernerd) разработан для процессоров Pentium. Однако некоторые фирмы, предлагающие эти холодильники на рынке, рекомендуют его и пользователям Cyrix/IBM 6x86 и AMD K6. Радиатор, входящий в состав холодильника, достаточно мал. Его размеры 29×29 мм. В холодильник встроен термодатчик, который при необходимости оповестит о перегреве. Он также контролирует элемент Пельтье. В комплект входит внешнее контролирующее устройство. Оно выполняет функции контроля за напряжением и самой работой элемента Пельтье, работой вентилятора, а также температурой процессора. Устройство выдаст сигнал тревоги, если элемент Пельтье или вентилятор вышли из строя, если вентилятор вращается со скоростью меньшей, чем на 70% от необходимого значения (4500 RPM) или же температура процессора поднялась выше 145°F (63°C). Если температура процессора поднялась выше 100°F (38°C), то элемент Пельтье автоматически включается, в противном случае он находится в режиме отключения. Последняя функция ликвидирует проблемы, связанные с конденсацией влаги. К сожалению, сам элемент приклеен к радиатору настолько сильно, что его невозможно отделить, не разрушив его конструкцию. Это лишает возможности установить его на другой, более мощный радиатор. Что касается вентилятора, то его конструкция характеризуется высоким уровнем надежности и он обладает высокими параметрами: напряжение питания — 12 В, скорость вращения — 4500 RPM, скорость подачи воздуха — 6.0 CFM, потребляемая мощность — 1 Вт, шумовые характеристики — 30 дБ. Этот холодильник достаточно производителен и полезен при разгоне. Однако в некоторых случаях разгона процессора следует воспользоваться просто большим радиатором и хорошим кулером. Цена этого холодильника составляет от $39 до $49. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом нескольких фирм на середину 2000 г.
Холодильник AC-P2 разработан для процессоров типа Pentium II. В комплект входит 60 мм кулер, радиатор и элемент Пельтье размером 40 мм. Плохо подходит к процессорам Pentium II 400 МГц и выше, так как практически не охлаждаются чипы памяти SRAM. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $59.
Холодильник PAP2X3B (рис. 8) аналогичен AOC AC-P2. В него добавлены два 60 мм кулера. Проблемы с охлаждением памяти SRAM остались нерешенными. Стоит отметить, что
холодильник не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также под операционными системами Windows NT или Linux, так как вероятна конденсация влаги на процессоре. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79.
Рис. 8. Внешний вид холодильника PAP2X3B
Холодильник STEP-UP-53X2 оснащен двумя вентиляторами, прокачивающими большое количество воздуха через радиатор. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79 (Pentium II), $69 (Celeron).
Холодильники серии Bcool от Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) разработаны для процессоров Pentium II и Celeron и имеют похожие характеристики, которые представлены в следующей таблице.
Холодильники серии BCool
| Item | PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier |
|||||||
| Рекомендуемые процессоры | Pentium II and Celeron | |||||||||
| Количество вентиляторов | 3 | |||||||||
| Тип центрального вентилятора | Ball-Bearing, тахометр (12 В, 120 мА) | |||||||||
| Размер центрального вентилятора | 60x60x10 мм | |||||||||
| Тип внешнего вентилятора | Ball-Bearing | Ball-Bearing, тахометр | Ball-Bearing, термистр | |||||||
| Размер внешнего вентилятора | 60x60x10 мм | 60x60x25 мм | ||||||||
| Напряжение, ток | 12 В, 90 мА | 12 В, 130 мА | 12 В, 80-225 мА | |||||||
| Общая площадь охвата вентиляторами | 84.9 см 2 | |||||||||
| Общий ток для вентиляторов (мощность) | 300 мА (3.6 Вт) |
380 мА (4.56 Вт) |
280-570 мА (3.36-6.84 Вт) |
|||||||
| Количество штырьков на радиаторе (центр) | 63 длинных и 72 коротких | |||||||||
| Количество штырьков на радиаторе (с каждого края) | 45 длинных и 18 коротких | |||||||||
| Общее количество штырьков на радиаторе | 153 длинных и 108 коротких | |||||||||
| Размеры радиатора (центр) | 57x59x27 мм (включая термоэлектрической модуль) | |||||||||
| Размеры радиатора (с каждого края) | 41x59x32 мм | |||||||||
| Общие размеры радиатора | 145x59x38 мм (включая термоэлектрической модуль) | |||||||||
| Общие размеры холодильника | 145x60x50 мм | 145x60x65 мм | ||||||||
| Вес холодильника | 357 грамм | 416 грамм | 422 грамм | |||||||
| Гарантия | 5 лет | |||||||||
| Ориентировочная цена (2000 г.) | $74.95 | $79.95 | $84.95 | |||||||
Следует отметить, что группа холодильников BCool включет в себя также устройства, которые имеют похожие характеристики, но в которых отсутствуют элементы Пельтье. Такие холодильники, естественно, дешевле, но и менее эффективны как средства охлаждения компьютерных комплектующих.
При подготовке статьи были использованы материалы книги "PC: настройка, оптимизация и разгон". 2-е изд., перераб. и доп., — СПб.: BHV — Петербург. 2000. — 336 с.
Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).
Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.
1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный
В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.
Принцип действия
Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.
Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:
- Свойства металла.
- Температуры среды.
Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.
На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.
Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.
При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.
Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.
Сфера использования
Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.
Вот их некоторые области использования:
- Устройства ночного видения.
- Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
- Телескопы с охлаждением.
- Кондиционеры.
- Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
- Холодильники.
- Кулеры для воды.
- Автомобильные холодильники.
- Видеокарты.
Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.
В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.
Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.
Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.
Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.
Обратный эффект элементов Пельтье
Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.
Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.
Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.
Преимущества и недостатки
Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:
- Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
- Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
- Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
- При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.
Недостатками можно назвать такие моменты:
- Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
- Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.
Как изготовить элементы Пельтье для холодильника
Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.
Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.
Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.
Другие применения термоэлектрических модулей
Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.
Основные места использования модулей:
- Охлаждение микропроцессоров.
- Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
- В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.
Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.
Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.
Начало 19 столетия. Золотой век физики и электротехники. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.
О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики - термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.
Проблема охлаждения тогда не была такой острой, как сегодня. Поэтому к эффекту Пельтье обратились только спустя почти два столетия, когда появились электронные устройства, для работы которых потребовались миниатюрные системы охлаждения. Достоинством охлаждающих элементов Пельтье являются малые габариты, отсутствие движущихся деталей, возможность каскадного соединения для получения больших перепадов температур.
Кроме этого, эффект Пельтье обратим: при перемене полярности тока через модуль, охлаждение сменяется нагреванием, поэтому на нем легко реализуются системы точного поддержания температуры - термостаты . Недостатком элементов (модулей) Пельтье является низкий КПД, что требует подведения больших значений тока для получения заметного перепада температур. Сложность представляет и отвод тепла от пластины, противоположной охлаждаемой плоскости.
Но обо всем по-порядку. Для начала попытаемся рассмотреть физические процессы, ответственные за наблюдаемое явление. Не погружаясь в пучину математических выкладок, постараемся просто на «пальцах» понять природу этого интересного физического явления.
Поскольку речь идет о температурных явлениях, физики, для удобства математического описания, заменяют колебания атомной решетки материала неким газом, состоящим из как бы частиц - фононов.
Температура фононного газа зависит от температуры окружающей среды и свойств металла. Тогда любой металл - это смесь электронного и фононного газов, находящихся в термодинамическом равновесии.При контакте двух разных металлов в отсутствии внешнего поля более “горячий” электронный газ проникает в зону более “холодного”, создавая известную всем контактную разность потенциалов.
При прикладывании разности потенциалов к переходу, т.е. протекании тока через границу двух металлов, электроны забирают энергию у фононов одного металла и передают ее фононному газу другого. При смене полярности передача энергии, а значит, нагрев и охлаждение меняют знак.
В полупроводниках за перенос энергии отвечают электроны и “дырки”, но механизм переноса тепла и появления разности температур сохраняется. Разность температур увеличивается до тех пор, пока не истощатся высокоэнергетичные электроны. Наступает температурное равновесие. Такова современная картина описания эффекта Пельтье .
Из нее понятно, что эффективность работы элемента Пельтье зависит от подбора пары материалов, силы тока и скорости отвода тепла от горячей зоны. Для современных материалов (как правило, это полупроводники) КПД составляет 5-8%.
А теперь о практическом применении эффекта Пельтье. Для его увеличения отдельные термопары (спаи двух различных материалов) собираются в группы, состоящие из десятков и сотен элементов. Основное назначение таких модулей - это охлаждение небольших объектов или микросхем.
Термоэлектрический охлаждающий модуль
Широкое применение модули на эффекте Пельтье нашли в приборах ночного видения с матрицей инфракрасных приемников. Микросхемы с зарядовой связью (ПЗС), которые сегодня применяют и в цифровых фотоаппаратах, требуют глубокого охлаждения для регистрации изображения в инфракрасной области. Модули Пельтье охлаждают инфракрасные детекторы в телескопах, активные элементы лазеров для стабилизации частоты излучения, в системах точного времени. Но это все применения военного и специального назначения.
С недавних пор модули Пельтье нашли применение и в бытовых изделиях. Преимущественно, в автомобильной технике: кондиционеры, переносные холодильники, охладители воды.
Пример практического использования эффекта Пельтье
Наиболее интересным и перспективным применением модулей является компьютерная техника. Высокопроизводительные микропроцессоры процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение модулей Пельтье в составе комбинированных систем охлаждения устраняют шум при значительном отборе тепла.
Компактный USB-холодильник с использованием модулей Пельтье
И, наконец, закономерный вопрос: заменят ли модули Пельтье привычные системы охлаждения в компрессионных бытовых холодильниках? На сегодняшний день это невыгодно с точки зрения эффективности (малый КПД) и цены. Стоимость мощных модулей еще достаточно высока.
Но техника и материаловедение не стоят на месте. Исключить возможность появления новых, более дешевых материалов с большим КПД и высоким значением коэффициентом Пельтье нельзя. Уже сегодня появляются сообщения из исследовательских лабораторий об удивительных свойствах наноуглеродных материалов, которые радикально смогут изменить ситуацию с эффективными системами охлаждения.
Появились сообщения о высокой термоэлектрической эффективности кластратов - твердотельных растворов, похожих по строению на гидраты. Когда эти материалы выйдут из исследовательских лабораторий, то совершенно бесшумные холодильники с неограниченным сроком службы заменят наши привычные домашние модели.
P.S. Одной из самых интересных особенностей термоэлектрической технологии является то, что она может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также благодаря ей можно запустить обратный процесс, и, например, из тепла получить электрическую энергию .
Пример того, как можно получить электроэнергию из тепла с использованием термоэлектрического модуля () смотрите на этом видео:
А что Вы думаете по этому поводу? Жду Ваших комментариев!
Андрей Повный
Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.
Ролик 1
Ролик 2
В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.
Это физическое явление было открыто в 1834
году Жаном-Шарлем Пельтье
, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье.
Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.
Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе
предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.
Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека , более известному как термоэлектрический эффект.
Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.
Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением
термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи
.
Батарея Пельтье
Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.
Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.
НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.
Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.
Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.
Выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) тепла на контакте двух разнородных полупроводников или металла и полупроводника
Анимация
Описание
ЭффектПельтье - термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье Q P при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении.
Величина выделяемого тепла Q P и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:
dQ P = p 12 Ч I Ч dt.
Здесь p 12 = p 1 -p 2 - коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье p 1 и p 2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: Q P >0,p 12 >0, p 1 > p 2 . При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: Q P <0,p 12 <0, p 1
Вместо тепла Пельтье часто используют физическую величину, определяемую как тепловая энергия, ежесекундно выделяющаяся на контакте единичной площади. Эта величина, получившая название - мощность тепловыделения, определяется формулой:
q P = p 12 Ч j ,
где j=I/S - плотность тока;
S - площадь контакта;
размерность этой величины СИ =Вт/м2 .
Из законов термодинамики вытекает,что коэффициент Пельтье и коэффициент термоэдс a связаны соотношением:
p = aЧ Т ,
где Т - абсолютная температура контакта.
Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется по коэффициенту термоэдс, измерение которого более просто.
На рис. 1 и рис. 2 изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В .
Выделение тепла Пельтье (контакт А)
Рис. 1
Поглощение тепла Пельтье (контакт А)
Рис. 2
Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Через цепь течет ток I , созданный внешним источником e . Рис. 1 иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2 ) происходит выделение тепла Пельтье Q P (А)>0 , а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1 ) его поглощение - Q P (В)<0 . В результате происходит изменение температур спаев: Т А >Т В .
На рис. 2 изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В . Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Q P (А)<0, Q P (В)>0, Т А <Т В .
Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупрводника n-типа или два полупрводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Q P >0 ) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Q P <0 ) и понижение температуры.
Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n - тип) и дырочных (р - тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р ® n). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 3, где изображены энергетические зоны (e c - зона проводимости, e v - валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.
Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников р и n - типа
Рис. 3
На рис. 4 (e c - зона проводимости, e v - валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n к р - полупроводнику (n ® p).
Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников р и n - типа
Рис. 4
Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контактетепло будет поглощаться.
Для того, чтобы эффект Пельтье был заметен на фоне общего разогрева, связанного с выделением тепла Джоуля-Ленца, необходимо выполнение условия: Ѕ Q P Ѕі Q Дж . . В результате получаются следующие соотношения, которые необходимо учитывать при проведении экспериментов:
.
где R - сопротивление участка термоэлектрода длины l , на котором происходит выделение тепла;
r - удельное электросопротивление.
Коэффициент Пельтье, определяющий количество тепла Пельтье, выделяющегося на контакте, зависит от природы контактирующих веществ и температуры контакта: p 12 = a 12 ·Т=(a 1 - a 2 )·T , где a 1 иa 2 абсолютные коэффициенты термоэдс контактирующих веществ. Если для большинства пар металлов коэффициент термоэдс имеет порядок 10-5 ё 10-4 В/К, то для полупроводников он может оказаться гораздо больше (до 1.5Ч 10-3 В/К). Для полупроводников с разным типом проводимости a имеет разные знаки, вследствие чего Ѕa 12 Ѕ = Ѕa 1 Ѕ +Ѕa 2 Ѕ .
Необходимо отметить, что коэффициент термоэдс сложным образом зависит от состава и температуры полупроводника, при этом, по сравнению с металлами температурная зависимость a для полупроводников выражена значительно сильнее. Знак a определяется знаком носителей заряда. Не существует общих эмпирических, и тем более, теоретических формул, которые охватывали бы термоэлектрические свойства полупроводников в широком интервале температур. Обычно термоэлектродвижущая сила a полупроводника, начиная со значения a =0 при Т=0 , растет сначала пропорционально Т , затем более замедленно, часто остается постоянной в некотором интервале температур, а в области высоких температур (более 500Кё 700К) начинает убывать по закону a~ 1/Т.
Другой отличительной чертой полупроводников является определяющая роль примесей, введение которых позволяет не только во много раз изменять величину, но и менять знак a .
В полупроводниках со смешанной проводимостью вклады в термоэдс дырок и электронов противоположны, что приводит к малой величине a и p .
В частном случае, когда концентрации (n) и подвижности (u) электронов и дырок равны (ne = np и ue = up ) величины a и p обращаются в ноль:
a~ (ne ue - np up ) / (ne ue + np up ).
Эффект Пельтье, как и другие термоэлектрические явления имеет феноменологический характер.
Эффект Пельтье в полупроводниках используется для термоэлектрического охлаждения и подогрева, что находит практическое применение при термостатировании и в холодильных устройствах.
Явление Пельтье было открыто Ж. Пельтье (J. Peltier) в 1834 г.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -3 до 2);
Время существования (log tc от 15 до 15);
Время деградации (log td от -3 до 2);
Время оптимального проявления (log tk от -2 до 3).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках
Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводнков, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р -тип), а другая из чисто электронного (n -тип) полупроводника. Если выбрать такое направление тока (рис. 5), при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).
Принципиальная схема термоэлектрического холодильника
Рис. 5
Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства - это эффективность охлаждения:
Z= a 2 /(rl ) ,
где a - коэффициент термоэдс;
r - удельное сопротивление;
l - удельная теплопроводность полупроводника.
Параметр Z - функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Максимальное снижение температуры связано с величиной эффективности выражением:
D Т max = (1/2) Ч Z Ч T 2 ,
где Т - температура холодного спая термоэлемента.
Чем больше значение Z для отдельных ветвей, тем больше и то значение Z = (a 1 + a 2 ) 2 /(Цr 1 l 1 +Цr 2 l 2 ) 2 , которое определяет к.п.д. всего термоэлемента. Целесообразно выбирать полупроводники с наибольшими значениями подвижности и с минимальной теплопроводностью. Введение в полупроводник тех или иных примесей - основное доступное средство изменять его показатели (a , r , l ) в желательную сторону.
Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20о С до 200о С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.
Технологически стержни из полупроводниковых материалов с р - и n -проводимостью (1) монтируются на теплопроводящие платы из изоляционного материала (2) с помощью металлических соединителей (3) как показано на рис. 6.
Схема термоэлектрического модуля
Рис. 6
Применение эффекта
Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.
Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы. Основной недостаток термоэлектрических устройств- малая величина эффективности, что не позволяет их использовать для промышленного получения «холода».
Термоэлектрические охлаждающие устройства применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов радиоэлектронной и оптической аппаратуры, для управления процессом кристаллизации, в медико-биологических приборах и т.д.
В компьютерной технике термоэлектрические охлаждающие устройства имеют жаргонное название ”кулеры” (от английского cooler - охладитель).
Литература
1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.5.- С.98-99, 125.
2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.
3. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.
4. Иоффе А.Ф. Полупрводниковые термоэлементы.- М., 1960.
Ключевые слова