Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Автор Евгений Рудометов , Виктор Рудометов

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

В компактных системах охлаждения могут применяться термоэлектрические элементы, часто называемые модулями Пельтье. Использование моделей достаточной мощности позволяет поддерживать температуру защищаемых объектов ниже температуры окружающей среды.

Эффективная работа электронных компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы работы. Обычно здесь применяются системы, основой которых являются традиционные радиаторы и вентиляторы разных дизайнов, формирующих эффективные кулеры. Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкций, использования новейших технологий и материалов, а также применения в их составе разнообразных датчиков и элементов контроля. Обилие тщательно рассчитанных решений позволяет выбрать и интегрировать оптимальные варианты в состав многочисленных компьютерных систем. Это обеспечивает оперативную диагностику и оптимальное управление с наибольшей эффективностью при соблюдении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, повышает надежность и удлиняет сроки безаварийной работы защищаемых электронных систем.

Несмотря на то, что эффективность традиционных кулеров непрерывно повышается, среди конструкторов имеются сторонники альтернативных средств охлаждения электронных элементов. Они считают, что к перспективным средствам относятся полупроводниковые кулеры Пельтье, интерес к которым периодически увеличивается у многих пользователей компьютеров, которых по какой-либо причине не устраивают традиционные решения.

Работа кулеров Пельтье основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 году. В настоящее время это уже не массив биметаллических элементов, а набор специальных полупроводниковых термоэлектрических модулей. Подобные средства успешно применяются в различных областях науки и техники.

В 60–70-е годы отечественной промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых основывалась на эффекте Пельтье в полупроводниках. Но несовершенство технологий, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие цены не позволили подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды.

Однако эффект Пельтье и соответствующие термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить, в результате были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули. В последние годы они активно используются для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров, в частности производительных 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 без особых технических трудностей и финансовых затрат. При этом они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры представляют для владельцев компьютерных систем, элементы которых установлены и эксплуатируются в форсированных режимах. Однако работа компьютерных компонентов в подобных условиях сопровождается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий.

Эффект Пельтье

В кулерах Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье, получившем свое название в честь французского часовщика Жана Пельтье (Jean-Charles Peltier, 1785–1845), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад, в 1834 году.

Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл был установлен несколькими годами позже, в 1838 году, Эмилием Ленцем (Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804–1865) – российским физиком немецкого происхождения. В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы он поместил каплю воды: при пропускании электрического тока в одном направлении она замерзала, а при пропускании в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым Ленц пришел к выводу, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока меняется температура – знак данного изменения зависит от направления тока. При этом, помимо джоулева тепла, выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое было названо «теплом Пельтье», а само явление – «эффектом Пельтье».

Данный эффект по своей сути является обратным по отношению к открытому в 1821 году явлению Томаса Зеебека (Thomas Johann Seebeck, немецкий физик, 1770–1831)., наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов (или полупроводников): если температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. В отличие от хорошо известного тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока, тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Как показали экспериментальные исследования, тепло Пельтье можно выразить формулой:

Qп = П × q,

где q — количество прошедшего электричества (q = I ´ t), а П — 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.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье: Cu — медь, Bi — висмут

В представленной схеме (рис. 1) при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно:

Q = R ´ I2 ´ t

Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительное, а в другом – отрицательное. 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 его значения для различных пар металлов представлены в таблице 1 (T — температура в градусах Кельвина, П — коэффициент Пельтье).

Таблица 1. 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 данного 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. 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 металла 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, а во втором случае она уменьшается и эта убыль пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника – в результате и происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной (p-тип) проводимостью. Такие полупроводники называются соответственно полупроводниками с n- и p-тиnами проводимости или просто полупроводниками n- и p-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие в контакте таких полупроводников.

Допустим, электрическое поле имеет направление, при котором электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны электронного полупроводника после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону дырочного полупроводника и там занимает место дырки. В результате такой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла. Этот процесс иллюстрирует рис. 2.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 2. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

В случае изменения направления электрического поля на противоположное электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной зоны дырочного полупроводника в свободную. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться. Этот процесс иллюстрирует рис. 3.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 3. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

Итак, 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), рекомбинации и образования пар зарядов энергия (тепло) либо выделяется, либо поглощается. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 4.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 4. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических элементах

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — термоэлектрические модули (полупроводниковые модули Пельтье) сравнительно большой мощности. Такие модули способны охлаждать объекты со значительными уровнями теплообразования.

Структура полупроводникового термоэлектрического модуля представлена на рис. 5.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 5. Структура термоэлектрического модуля (полупроводникового модуля Пельтье)

Примеры модулей

Полупроводниковый 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, а другой нагревается и служит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, работающий на эффекте Пельтье, по сути, работает тепловым насосом. Данный насос перекачивает тепло от этого объекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером. Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики, поэтому модули Пельтье могут быть названы не только термоэлектрическими, но и термодинамическими.

На рис. 6 представлен внешний вид типового герметизированного модуля Пельтье.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 6. Внешний вид герметизированного модуля Пельтье

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад — 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 (рис. 11), конечно, при обеспечении их адекватного охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными кулерами 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 такими модулями необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из их конструкции, принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Прежде всего очень большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера, а также от количества и параметров используемых в его составе пар полупроводников p- и n-типа (рис. 5 и 7). Действительно, модуль малой мощности не сможет обеспечить необходимый уровень охлаждения, что приведет 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: непрерывно образующаяся вода 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. В результате применения фирменных решений охлаждения удалось увеличить частоту работы процессоров почти в два раза по сравнению со штатным режимом их функционирования, благодаря чему рынку были предложены высокопроизводительные системы с форсированными процессорами.

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. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.

Важнейшими параметрами модулей являются: максимальный ток потребления (Imax), максимальное напряжение (Umax), мощность хладообразования (Qc max), максимальный перепад температур между горячей и холодной сторонами (dTmax), нагрузки в вакууме, а также размеры (длина L, ширина W, высота H).

Следует добавить, что системы охлаждения на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье — используются не только в электронных системах, таких как компьютеры, но и для охлаждения различных высокоточных устройств. Кроме того, большое значение термоэлектрические модули имеют для науки – в первую очередь это касается экспериментальных исследований в области физики, химии и биологии. Примеры полупроводниковых модулей Пельтье, выпускаемых серийно, приведены на рис. 6–11.

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 7. Полупроводники p- и n-типа в термоэлектрическом негерметизированном модуле

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 8. Пример миниатюрного термоэлектрического модуля

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 9. Пример термоэлектрического модуля специальной формы

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 10. Пример термоэлектрического модуля без одной керамической пластины

Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?

Рис. 11. Пример каскадного термоэлектрического модуля

Информацию о термоэлектрических модулях и созданных на их основе кулеров, а также результатах их применения можно найти в Интернете. О некоторых особенностях выбора и эксплуатации таких устройств мы поговорим в следующей статье.

Источник

Технологии не стоят на месте: изобретение и поиск продвинутых решений, переосмысление старого и замена новым – залог востребованности на рынке. Лучше всех себя на этом поприще показывает китайская компания Xiaomi.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Xiaomi-profi.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: