2014-04-04

Ефект Пельтьє

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Ефект Пельтьє

 

Відкриття ефекту Пельтьє

Ефект Пельтьє був відкритий французом Жаном-Шарлем Пельтьє в 1834 році. При проведенні одного з експериментів він пропускав електричний струм через смужку вісмуту, з підключеними до неї мідними провідниками. У ході експерименту він виявив, що одне з'єднання вісмут-мідь нагрівається, інше - остигає.

Сам Пельтьє не розумів в повній мірі сутність відкритого ним явища. Справжній сенс явища був пізніше пояснений в 1838 році Ленцем.

У своєму досліді Ленц експериментував з краплею води, поміщеною на стику двох провідників (вісмуту і сурми). При пропусканні струму в одному напрямку крапля води замерзала, а при зміні напрямку струму - танула. Тим самим було встановлено, що при проходженні струму через контакт двох провідників в одному напрямі тепло виділяється, в іншому - поглинається. Дане явище було названо ефектом Пельтьє.

Пояснення ефекту Пельтьє

Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражене формулою:

Qп = П · q

де q– заряд, який пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури.

Величина тепла, що виділяється внаслідок ефекту Пельтьє, і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження. Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, що при переносі електронів струмом з одного металу в іншій, вони прискорюються або сповільнюються внутрішньою контактною різницею потенціалів між металами. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У зворотному випадку кінетична енергія зменшується і енергія поповнюється за рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, таким чином він починає охолоджуватися. При більш повному розгляді враховується зміна не тільки потенціальної, а й повної енергії.

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника N-типу або два напівпровідника р-типу) така ж, як і у випадку контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони чи дірки) по різні сторони спаю мають різну середню енергію, яка залежить від багатьох причин: енергетичного спектру, концентрації, механізму розсіяння носіїв заряду. Якщо носії, пройшовши через спай, потрапляють в область з меншою енергією, вони передають надлишок енергії кристалічній решітці, в результаті чого поблизу контакту відбувається виділення теплоти Пельтьє і підвищується температура контакту. При цьому на іншому спаї носії, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від ґраток, відбувається поглинання теплоти Пельтьє і зниження температури.

Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (п - тип) і діркових (р - тип) напівпровідників.

Застосування ефекту Пельтьє

Модулі Пельтьє

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників р- і N-типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - модулі Пельтьє порівняно великої потужності. Модуль Пельтьє, являє собою термоелектричний холодильник, що складається з послідовно з'єднаних напівпровідників р- і N-типу, що утворюють р- та NP-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним із двох радіаторів. У результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відводу тепла.

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні радіатора, що нагрівається, другий радіатор - холодильник, дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє при забезпеченні адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються.

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або просто кулерами Пельтьє.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів і функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

Особливості експлуатації модулів Пельтьє

Модулі Пельтьє, що застосовуються в складі засобів охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають рухомих частин. І, як це зазначалося вище, для збільшення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне використання, що дозволяє довести температуру корпусів електронних елементів, що захищаються, до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіювання. Також модуль є оборотним, тобто при зміні полярності постійного струму гаряча і холодна пластини міняються місцями.

Однак крім очевидних переваг, модулі Пельтьє мають і низку специфічних властивостей та характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні у складі охолоджуючих засобів. Деякі з них були вже відмічені, але для коректного застосування модулів Пельтьє ці особливості вимагають більш детального розгляду.

До найважливіших характеристик відносяться такі особливості експлуатації:

1. Модулі Пельтьє, що виділяють у процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності в складі кулера відповідних радіаторів і вентиляторів, здатних ефективно відводити надмірне тепло від охолоджуючих модулів.

2. Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ККД) і, виконуючи функції теплового насоса, вони самі є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури усередині системного блоку, що нерідко вимагає додаткових заходів і засобів для зниження температури корпусу комп'ютера всередині. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для елементів, що захищаються та їх систем охолодження, а й для інших компонентів комп'ютера.

3. Модулі Пельтьє є порівняно потужним додатковим навантаженням для блоку живлення. Споживаний ними струм перевищує 6А. Дуже тонкі дроти живлення можуть не витримати такої сили струму. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блоку живлення комп'ютера повинна бути не менше 250 Вт.

4. Модуль Пельтьє, у разі виходу його з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму елемента, що захищається, і швидкого виходу його з ладу від наступного перегріву.

5. Термоелектричні модулі відповідають технічним даними протягом 2-х років з дати виготовлення при дотриманні споживачем умов зберігання і експлуатації. Термін зберігання і експлуатації - 15 років з моменту прийняття. З досвіду відомо, що якщо модуль не буде нагріватися до температури плавлення олова, він прослужить дуже довго.

6. Напруга, яка подається на модуль, визначається кількістю пар гілок у модулі. Найбільш поширеними є 127-парні модулі, величина максимальної напруги для яких становить приблизно 16 В. На ці модулі звичайно подається напруга живлення 12 В. Такий вибір напруги живлення в більшості випадків є оптимальним і дозволяє забезпечити, з одного боку, достатню потужність охолодження, а з іншого боку, достатню економічність. При підвищенні напруги живлення понад 12 В збільшення холодильної потужності буде слабким, а споживана потужність буде різко збільшуватися. При зниженні напруги живлення економічність буде рости, холодильна потужність буде зменшуватися, але лінійно, що дуже зручно для організації плавного регулювання температури. Для модулів з числом пар гілок відмінним від 127, необхідно враховувати особливості конкретного пристрою, перш за все, умови тепловідведення з гарячою боку, і можливості джерел живлення.

7. Велике значення відіграє потужність модуля Пельтьє, яка, як правило, залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолодження, що може привести до порушення працездатності електронного елемента, який захищається, наприклад процесора внаслідок його перегріву. Однак застосування модулів дуже великої потужності може викликати зниження температури охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що небезпечно для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, яка безперервно отримується в результаті конденсації, може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Для виключення даної небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від декількох параметрів. Найважливішими є: температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря усередині корпусу), температура охолоджуваного об'єкта, вологість повітря. Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більша вологість, тим імовірнішою стає конденсація вологи і подальший вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Нижче наведена таблиця, яка ілюструє залежність температуру конденсації вологи на охолоджуваному об'єкті залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25 °С, а вологість 65 %, то конденсація вологи на охолоджуваному об'єкті відбувається при температурі його поверхні нижче 18 °C.

Крім зазначених особливостей, необхідно враховувати і ряд специфічних обставин, пов'язаних з використанням термоелектричних модулів Пельтьє в складі кулерів, застосовуваних для охолодження високопродуктивних центральних процесорів потужних комп'ютерів.

Архітектура сучасних процесорів і деякі системні програми передбачають зміну енергоспоживання залежно від завантаження процесорів. Це дозволяє оптимізувати їх енергоспоживання. До речі, це передбачено і стандартами енергозбереження, підтримуваними деякими функціями, вбудованими в апаратно-програмне забезпечення сучасних комп'ютерів. У звичайних умовах оптимізація роботи процесора і його енергоспоживання позитивно позначається як на тепловому режимі самого процесора, так і загальному тепловому балансі. Однак слід зазначити, що режими з періодичною зміною енергоспоживання можуть погано поєднуватися із засобами охолодження процесорів, що використовують модулі Пельтьє. Це пов'язано з тим, що існуючі холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу. У зв'язку з цим, найпростіші холодильники Пельтьє, що не володіють засобами контролю, не рекомендується використовувати разом з охолоджувальними програмами.

У разі переходу процесора в режим зниженого енергоспоживання і відповідно тепловиділення можливе значне зниження температури корпусу і кристала процесора. Переохолодження ядра процесора може викликати в деяких випадках тимчасове припинення його працездатності, і як результат, стійке зависання комп'ютера.

Деякі проблеми можуть виникнути і в результаті роботи ряду вбудованих функцій, наприклад, тих, які здійснюють управління вентиляторами кулерів. Зокрема, режими управління енергоспоживанням процесора у деяких комп'ютерних системах передбачають зміну швидкості обертання охолоджуючих вентиляторів через вбудовані апаратні засоби материнської плати. У звичайних умовах це значно покращує тепловий режим процесора комп'ютера. Однак у випадку використання простих холодильників Пельтьє зменшення швидкості обертання може призвести до погіршення теплового режиму з фатальним результатом для процесора вже внаслідок його перегріву працюючим модулем Пельтьє, який окрім виконання функцій теплового насоса, є потужним джерелом додаткового тепла.

Зважаючи на це необхідно відзначити, що, як і у випадку центральних процесорів комп'ютерів, холодильники Пельтьє можуть бути гарною альтернативою традиційним засобам охолодження відеочіпсетів, використовуваних у складі сучасних високопродуктивних відеоадаптерів. Робота таких відеочіпсетів супроводжується значним тепловиділенням і зазвичай не схильна до різких змін режимів їх функціонування.

Для того щоб виключити проблеми з режимами змінюваного енергоспоживання, що викликають конденсацію вологи з повітря і можливе переохолодження, а в деяких випадках навіть перегрів елементів, що захищаються, таких як процесори комп'ютерів, слід відмовитися від використання подібних режимів і ряду вбудованих функцій. Однак як альтернативу можна використовувати системи охолодження, що передбачають інтелектуальні засоби управління холодильниками Пельтьє. Такі засоби можуть контролювати не лише роботу вентиляторів, а й змінювати режими роботи самих термоелектричних модулів, що використовуються у складі активних кулерів.

Інші області застосування ефекту Пельтьє

Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідне охолодження з невеликою різницею температур або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливе через обмежені розміри і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.

Крім того елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв з зарядовим зв'язком у цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступеневі елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються:

  1. Для охолодження та термостатування діодних лазерів, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання.
  2. В комп'ютерній техніці.
  3. В радіоелектричних пристроях.
  4. У медичному і фармацевтичному обладнанні.
  5. У побутовій техніці.
  6. В кліматичному обладнанні.
  7. В термостатах.
  8. В оптичній апаратурі.
  9. Для управління процесом кристалізації.
  10. Як підігрів з метою опалення.
  11. Для охолодження напоїв.
  12. В лабораторних і наукових приладах.
  13. В льодогенераторах.
  14. В кондиціонерах.
  15. Для отримання електроенергії.
  16. В електронних лічильниках витрати води.

Звичайно, охолоджуючі пристрої Пельтьє навряд чи підходять для масового використання. Вони досить дорогі і вимагають правильного режиму експлуатації. Сьогодні це, швидше, інструмент для любителів розгону процесорів. Однак у випадку необхідності сильного охолодження процесорів кулери Пельтье є найбільш ефективними пристроями.

З'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолодження їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолоджуванню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів.

Роботи в напрямку вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів ведуться багатьма дослідницькими лабораторіями. І системи охолодження, що передбачають використання термоелектричних модулів Пельтьє, вважаються надзвичайно перспективними.

Зображення: 3dnews.ru.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus