Охлаждане с пелтие

0
629

Много потребители се ограничават със стандартните въздушни охлаждания и много от тях дори не подозират за какво се използва така нареченото ‘пелтие’.

Пелтие (TEC, Thermoelectric Cooler), е термоелектрически преобразовател, който е открит за първи път през 1834 година от Жан Шарл Атаназ Пелтиер. Всъщност това е термоелектрически ефект, който директно преобразува температурните разлики в електрическо напрежение и обратно.

Елементите на Пелтие се състоят от два токопроводящи материала с различни нива на енергия на електроните в зоната на проводимост. При протичане на ток през контакта на тези материали, електронът трябва да получи енергия, за да премине в по-високоенергийната зона на проводимост на другия полупроводник. При поглъщане на тази енергия става охлаждане на мястото на контакт на полупроводниците. Когато токът тече в обратна посока, мястото на контакт се нагрява повече от нормалния топлинен ефект.


Когато се използват два метала, ефектът на Пелтие в зоната на контакт е толкова малък, че е незабележим на фона на останалите възникващи топлинни явления. По тази причина, в практиката се използват два свързани полупроводника.

Елементът на Пелтие се състои от една или повече двойки полупроводникови паралелепипеди от различен тип – n и p тип (както в диодите и транзисторите).

Протичането на ток предизвиква охлаждане и нагряване на противоположните групи контакти. Затова можем да говорим за пренасяне на топлинна енергия от едната страна на модула на Пелтие към другата и като следствие, възникване на топлинна разлика в температурите на пластината. Правилното прилагане на модулите позволява да се извлекат някои ползи за промишлените, в това число и компютърните системи за охлаждане.

 

 

Модулите на Пелтие имат много добри качества:

  • Сравнително малки размери;
  • Възможност за работа както на охлаждане, така и на нагряване на системата;
  • Липса на подвижни части, които лесно се износват;

В същото време те имат и редица недостатъци, съществено задържащи масовото им приложение:

  • Нисък КПД на модулите;
  • Необходимост от източник на ток за тяхната работа;
  • Голяма консумирана мощност за достигане на забележима разлика в температурите и като следствие, съществено топлоотделяне;
  • Ограничени от размерите полезни характеристики;

Но независимо от тези недостатъци, Пелтието намира приложение в много продукти. ТЕС за изгодни преди всичко там, където енергийната ефективност на охладителя не е критична. Подобни елементи се използват в цифровите фотоапарати, където позволяват значително да се намали топлинният шум при дълга експонация. Модули на Пелтие често се използват за охлаждане на диодни лазери с цел стабилизация на излъчваната дължина на вълната. ТЕС намират приложение и в малки портативни хладилници и други подобни сувенири.

Те се използват и в компютърните системи, което всъщност ни интерисува.

При реализирането на система за охлаждане на базата на ТЕС трябва да направим някои уговорки, които позволяват правилно да се изберат параметрите на крайната конструкция. Причините за гафовете на новаците се крият в неправилното изчисление или изобщо създаването на охладител „на око“.

Всеки ТЕС има свои характеристики, от които са важни две значения. Ако вземем за пример модула ТЕС1-12709, който е с максимална мощност 136W, в характеристиките му фигурират ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 и Qcmax ΔTmax=0(W) 89.2. Тези показатели могат да се перифразират по по-разбираем начин – модулът е в състояние да осигури разлика в температурите между страните равна на 89.2 ºС при липса на температурно натоварване и 0 ºС при наличие 66 вата натоварване на студената страна. По този начин, полезното натоварване на модула е в пределите 0-66 вата. В същото време, всеки модул има и друга характеристика – максимална консумирана мощност, която впрочем също трябва да се отведе от него с помощта на системата за охлаждане. За разглеждания ТЕС1-12709 Umax (V) е равно на 15.2 V, а I max – на 9 А. Следователно енергопотреблението на модула е 136.8 вата, което съгласете се съвсем не е малко.

Системата за охлаждане трябва успешно да отвежда топлината непосредствено от модула (като осигурява максимално ниска температура на горещата страна) и компонентите на компютъра. Примерния КПД на такава система можете да си изчислите сами – при 150-200 W (приблизително толкова отделят съвременните процесори), за получаване на поне видими резултати ще трябва да се похарчат не по-малко от 600-800 W електрическа мощност и да се отведе не по-малко от киловат топлинна. Именно по тази причина производителните системи за охлаждане на базата на елементите на Пелтие не са получили широко разпространение.

Вземете предвид, че модулът на Пелтие не може да се поставя непосредствено върху чипа – тънката керамична подложка не е способна да осигурява ефективно предаване на топлината до всички полупроводникови двойки в ТЕС. За целта е по-добре да се подложи междинен „буфер“ – медна пластина с дебелина 5-7 мм, която изцяло покрива повърхността на модула. Оптималният режим на експлоатация на елементите на Пелтие обаче се постига при понижени напрежение и ток. Доближаването на тези параметри до максималните съществено намалява тяхната ефективност.

За пример ще се опитаме да охладим графичният чип на видеокартата Radeon HD 4350 и CPU Core 2 Duo E8500, като ускорим тези компоненти. За отвеждане на топлината от GPU ще използваме споменатия ТЕС1-12709 (с максимална консумирана мощност 136 вата) и самоделен воден блок. За процесора ще използваме ТЕС1-12726 (395 W) и фабрично водно охлаждане Swiftech Apogee GT. Модулите на Пелтие са включени директно в компютърното захранване 12 V (1 KW). При охлаждане на компонентите до температура под стайната, може да се очаква появата на воден конденз на охлажданите повърхности и околните компоненти, и за това трябва да се вземат съответните мерки.

Температурите, получени в различни режими на работа на компонентите и тяхното сравнение с показателите при използване само на водно охлаждане, се виждат на диаграмата. Модулите на Пелтие позволяват да се понижи температурата на компонентите значително под стайната (в зависимост от натоварването). При такива условия, не е особено трудно процесорът да бъде ускорен до честота 4,3 GHz с повишаване на неговото захранващо напрежение до 1.35 V, а GPU да се принуди да работи на 800 MHz (при стандартни 600 MHz). В същото време се получава значително нагряване на системата за охлаждане на тестовия стенд (в компютърен корпус ситуацията би била още по-лоша) и рязко покачване на консумацията на енергия на компютъра. В резултат, подобно решение ще е по-полезно през зимата, но едва ли ще зарадва някого през лятото.

По отношение на компютрите, елементите на Пелтие е оправдано да се използват само за отвеждане на топлината от маломощни компютърни компоненти – чипсети и някои GPU. Освен това, те са подходящи за овърклокърите, за които всеки градус е от значение, а консумираната мощност – не толкова.


PDF файл със спецификации на TEC1-12705.

Цени на българския пазар на елементи на Пелтие.

Статията е взета от PC World.BG.

За въпроси, коментари и предложения – нашия форум е на ваше разположение!

ВАШИЯТ КОМЕНТАР