Эффекту Пельтье - 175 лет


Эффект Пельтье и термоэлектрические модули на его основе. Что нужно знать перед практическим применением

Содержание:
История открытия
Теоретическое обоснование эффекта Пельтье
Работа термоэлектрического модуля
КПД ТЭМ
Применение термоэлектрических устройств
ТЭМ — за и против
Мини-FAQ
PS



Jean-Charles-Athanase Peltier (1785 — 1845)

Череда научных открытий в «великое десятилетие» начала девятнадцатого века заложила предпосылки для овладевания термоэлектричеством, безусловно перспективнейшим направлением энергетики будущего. Отрадно, что научные направления в этой области развиваются, и российские ученые находятся в авангарде этих исследований.

История открытия

В начале 18 века основные научные направления и теории еще только формировались, а основной движущей силой были всевозможные эксперименты, которые проводились настоящими энтузиастами своего дела, в основном, в кустарных условиях и на доморощенной инструментальной базе. И к самоотверженной работе этих людей мы относимся с большим уважением их имена по праву вошли в историю.

Сразу скажем, что к современному термоэлектрическому модулю (ТЭМ) Жан Атанас Пельтье никакого отношения не имеет. В 1834 году он явился первоописателем явления, обратного открытому еще в 1821 году эффекту Зеебека (1770-1831), и оба автора открытий не понимали сути происходящего, равно как и то, что это явления одного порядка.

Так что же открыли Зеебек и Пельтье в отношении термоэлектричества?
Зеебек установил, что, если соединить концы двух металлических проводников из разных металлов и нагревать место соединения, то на свободных концах проводников возникает разность потенциалов, которая зависит от разности температур «холодного» и «горячего» спая и примененных металлов. Если быть точным, то он обнаружил при нагреве появление магнитного поля в замкнутой цепи, но это поле как раз и говорит о том, что в электрической цепи появился ток. Смена нагрева спая на его охлаждение (относительно «свободных» концов) приводит к изменению знака ЭДС. Также было обнаружено, что, даже только при нагреве спая, некоторые сочетания металлов дают положительный знак ЭДС, а другие — отрицательный.

В таком устройстве легко узнается современная термопара, широко и повсеместно применяемая для измерения температуры. Впрочем, официальным изобретателем термопары (в 1830 году) считается профессор музея Флоренции Леопольд Нобили.

Генерируемую термопарой ЭДС мы теперь называем термоэдс, хотя сам Зеебек до конца своих дней выступал против интерпретации открытого им явления как
термоэлектрического, ошибочно настаивая на том, что первопричиной является появление магнитного поля при нагреве.

Зеебека можно вполне отнести к «профессиональным» физикам, так как у него есть еще несколько открытий в различных областях. Но не все лавры достаются первооткрывателям. К примеру, известный эффект Доплера «открытый» в 1842 году Кристианом Доплером (прошло 11 лет после смерти Зеебека) был описан Зеебеком.

На некоторых информационных ресурсах, посвященных эффекту Пельтье, говорится о Пельтье как о часовщике. Это абсолютно неправильная интерпретация фактов, поскольку, начав работать в часовой мастерской в 15 лет, в возрасте 21 года он уже открывает в Париже собственный магазин и в том же 1806 году женится на Милли Дюфон. А за 20 лет до интересующего нас открытия Пельтье получил небольшое наследство, по родственной линии жены, позволившее ему полностью отказаться от необходимости зарабатывать хлеб насущный и посвятить все свое время любимому делу — экспериментальной физике, анатомии, метеорологии и ряду других направлений естествознания.

В одном из своих экспериментов Пельтье обнаружил, что проходящий через спай разнородных металлов ток создает разность температур между спаем и свободными концами проводников. Причем, если нагрев проводников при прохождении тока к тому времени уже был вполне объясним (закон Джоуля), то охлаждение ниже температуры окружающей среды казалось чудом. Впрочем, чудом было и то, что Пельтье удалось увидеть эту разницу на металлической паре, так как она не могла превышать пары градусов. Как и Зеебек, Пельтье так и не смог понять и объяснить суть происходящего.

К слову, сегодня, без мультиметра и заводских электрических элементов или блоков питания, не многие, даже вооруженные знаниями и описанием термоэлектрических эффектов, смогут повторить опыт Пельтье 175-летней давности.

Но наука шла вперед, и, в скором времени, появилась теория, описывающая термоэлектрические эффекты (Ленц) и некоторые недостающие звенья (Томсон, более известный как лорд Кельвин). В начале 19 века немецкий инженер Альтенкирх развил теорию и ввел понятия холодильного коэффициента и Z-эффективности, показав, что эффект Пельтье на металлических спаях, ввиду достижимой разницы температур всего в несколько градусов, не пригоден для практического применения. И только спустя несколько десятков лет, прежде всего усилиями академика А. Иоффе и разработанной им теории твердых растворов, были теоретически и практически получены результаты, давшие импульс широкому практическому применению эффекта Пельтье.

Далее по тексту термоэлектрические модули, использующие эффект Пельтье, будут называться сокращенно ТЭМ, в конкретном контексте под это определение могут попадать и другие устройства, использующие термоэлектрические принципы, но термоэлектрические генераторы, как правило, будем обозначать аббревиатурой ТЭГ.


Теоретическое обоснование эффекта Пельтье

Из школьного курса физики мы знаем, что ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Под заряженными частицами обычно понимаются свободные электроны, а упорядоченность возникает при подключении источника электродвижущей силы, переводящей электроны из хаотического теплового (броуновского) движения в более осмысленное, с человеческой точки зрения. Впрочем, броуновское движение не прекращается и с появлением электрического тока. Лучшими проводниками тока при комнатной температуре являются металлы.

Также в школе мы узнали и о диэлектриках — веществах, плохо проводящих электрический ток. Это не значит, что в диэлектриках нет свободных электронов — их, в кубическом сантиметре даже самых лучших изоляторов, может быть сотни триллионов! И все же этого недостаточно для возникновения явления проводимости. Вещество становится проводящим, когда концентрация носителей тока увеличивается еще в тысячи раз, такую проводимость имеют полупроводники, а подняв удельное число носителей на пару порядков, получаем полуметаллы (сильно легированные полупроводники, или твердые растворы), дальнейшее увеличение концентрации носителей характеризует уже настоящие проводники — металлы.

Вспомнив эти азы, мы готовы к восприятию критерия Z-эффективности термоэлектриков по Альтенкирху, используется также термин «добротность»:

Z = α²σ / κ, где

α — коэффициент термоэдс,
σ — удельная электрическая проводимость,
κ — удельная теплопроводность, состоящая из теплопроводностей кристаллической решетки и электронов.

Термоэдс и определяет энергию, которую электрон «прокачивает» через контакт двух разнородных материалов. Для эффективности переноса энергии необходимо иметь высокую проводимость материала (или низкое удельное сопротивление ρ = 1 / σ) и низкую теплопроводность, чтобы кристаллическая решетка не взаимодействовала с электронами (взаимодействие = энергообмен).

Выбор вещества в качестве термоэлектрика, в котором с нужными качествами сочетаются все три параметра, оказался нетривиальной задачей. Для начала 19 века доступны были только металлы, не обладающие высокой добротностью и не позволившие получать практическую пользу от эффектов термоэлектричества, за исключением, пожалуй, использования термопар для измерительных целей.

Другими словами, в металлах много свободных электронов, но переносимая ими энергия мала, что дает общий слабый эффект. В диэлектриках переносимая энергия может быть большой, но число их относительно невелико, что также не обеспечивает нужного эффекта. Нужно было найти или изготовить искусственным способом золотую середину. Материалы, обладающие нужными качествами, были получены в середине 20 века, прежде всего, благодаря усилиям А.Иоффе. Ими оказались полуметаллы, к примеру, псевдобинарные непрерывные твердые растворы на основе теллуридов висмута или сурьмы, широко используемые и в настоящее время в ТЭМ с рабочими температурами, близкими к комнатной. Твердые растворы, несколько уменьшая составляющую α²σ, по сравнению с отдельными компонентами, в несколько раз снижают теплопроводность кристаллической решетки, тем самым увеличивая итоговую добротность термоэлектрика.

В популярной литературе термин «полуметаллы» встречается редко и заменяется на «полупроводник», мы также в дальнейшем будем называть вещество термоэлектрика полупроводником. Впрочем, это не сильно искажает истину, так как, при T = 1000K, эффективно работает пара из «настоящих полупроводников» германий-кремний.

Причины появления эффекта Пельтье связаны, как и все в этом мире, с энергообменными процессами. Детали процессов в опыте с металлическими спаями , который ставил Пельтье много лет назад, и тех, что происходит в современных ТЭМ, различаются, поэтому упрощенно рассмотрим современную конструкцию, состоящую из батареи полупроводников p- и n-типов.

Любая система, без воздействия внешних сил, стремится к равновесию, применительно к местам соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости (так называемой электронной и дырочной, хотя не следует забывать, что «дырок», как физических носителей, не существует) это означает, что на границе веществ образуется «потенциальный барьер», или контактная разность потенциалов, препятствующая прохождению свободных носителей из одного типа полупроводника в другой (если их энергия ниже некоторого порога). Ввиду того, что имеется разброс энергетического состояния носителей, часть их может преодолевать этот барьер даже и без внешнего источника энергии, но этот процесс взаимен и происходит с обеих сторон спая и приводит к некоторому равновесному состоянию.

Равновесие можно нарушить, пропустив через спай (р-n переход) электрический ток, тем самым дав возможность большему числу электронов преодолевать контактную разность потенциалов.


Принцип работы ТЭМ

Если плюс источника подсоединен к полупроводнику р-типа, а минус - к полупроводнику n-типа, то свободные электроны на одном конце полупроводника n-типа будут перемещаться в сторону полупроводника р-типа, а на другом конце — перемещаться от р-n перехода. Соответственно, в полупроводнике р-типа аналогично «двигаются дырки», но в другом направлении. Тем самым создается ситуация, когда на левом спае (от полупроводника n-типа) происходит постоянная встреча и рекомбинация основных носителей с выделением тепла, а на правом — формирование этих свободных носителей с отбором энергии у кристаллической решетки и понижением ее температуры.

Изменение полярности подключения источника питания приведет к эффекту смены теплового состояния — теперь нагреваться будет правый от полупроводника n-типа спай, а охлаждаться — левый.
В теорию этого процесса можно погружаться бесконечно глубоко, но вряд ли это будет очень интересно.

Так как нужно получить охлаждающую (или нагревающую) поверхность, то полупроводники обычно изготавливаются в виде прямоугольных брусков (выращиванием и последующей нарезкой), устанавливаемых на пластину из диэлектрика (обычно из оксида алюминия, но иногда используются и более дорогие вещества, если требуется очень высокая теплопроводность).


Вид ТЭМ сбоку

На пластину наносятся проводящие дорожки, формирующие последовательно — параллельное подсоединение полупроводниковых брусочков, которые подпаиваются к контактным площадкам, используя механические шаблоны. При этом не используются оловянные или свинцовые припои, так как эти металлы достаточно агрессивны к полупроводникам и могут диффундировать в них, ухудшая термоэлектрические показатели. Свойства использованного припоя в значительной степени определяют максимальную температуру ТЭМ, которая для модулей «бытового» применения (а это большинство из выпускаемых в мире), обычно находится в диапазоне от 100 до 200°С.

Разумеется, «развертыванием» р-n перехода и соединением двух разнородных проводников посредством контактной дорожки и пайки, вместо одного спая создается два, и на каждом из них будет проявляться свой эффект Пельтье, что в сумме даст худший эффект, чем при непосредственном контакте полупроводников. Кроме того, в случае охлаждающего ТЭМ, электрическое сопротивление такого соединения приведет и к дополнительному паразитному нагреву. Но этих явлений не избежать, поэтому внутренние соединения ТЭМ делаются толстой напайкой из металла или сплава, соответствующего используемым полупроводникам.

Коэффициент Пельтье π связывает количество теплоты от эффекта Пельтье и плотность тока. Хоть Зеебек и не признал открытое им же явление термоэдс, тем не менее, это величина, которую достаточно легко измерить, в отличие от коэффициента Пельтье.

Связь между коэффициентами

π = αТ

Поэтому коэффициент Пельтье вычисляют по коэффициенту Зеебека. Значения коэффициента Зеебека для некоторых веществ (при 0°С) сведены в таблицу, размерность - микровольт на градус.


ВеществоКоэффициент Зеебека (термоэдс)
Висмут-72
Константан-35
Никель-15
Платина0
Алюминий3.5
Германий300
Кремний440
Теллур500
Селен900



По мере развития термоэлектричества, стало ясно, что свойства ТЭМ сильно зависят от температуры и нужен более универсальный параметр эффективности, чем добротность по Альтенкирху. Было предложено использовать коэффициент ZT, дающий возможность охарактеризовать работу термоэлектриков в широком диапазоне температур. И на многие годы камнем преткновения стали попытки преодоление этим коэффициентом значения единицы. Физическая теория не накладывает ограничений на величину ZT и современная наука находится в поисках таких материалов.

Можно отметить тот факт, что существуют и магнитоэлектрические явления, которые могут существенно усилить термоэлектрические эффекты.

В завершение главы необходимо упомянуть еще об одном термоэлектрическом явлении, эффекте Томсона, открытом в 1856 году, который проявляется в однородной среде и для него не нужны контакты разнородных материалов. Если вдоль проводника, по которому проходит электрический ток, существует перепад температур, то, в дополнение к теплоте Джоуля, в проводнике выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное количество теплоты.
Насколько существенна эта теплота, прямых данных обнаружить не удалось, однако Альтенкирх, зная об эффекте Томпсона, ее не учитывал. С другой стороны, современные (2008 года) исследования этот эффект, при рассмотрении термоэлектрических явлений, считают существенным, особенно при низких температурах и приводит к появлению существенных нелинейностей, кроме того, и сама величина теплоты Томсона рассчитывается в современной физике по-другому.
Чтобы не затруднять себе жизнь, эффект Томсона учитывать не будем.

Работа термоэлектрического модуля

Многие вопросы у начинающих пользователей ТЭМ возникают из-за непонимания сути происходящих при его работе явлений. Давайте рассмотрим упрощенную модель ТЭМ, без учета эффекта Томсона, Ричардсона и других, не оказывающих в «бытовом» применении существенного влияния на результат, и считая, что теплопередача не осуществляется через боковые (нерабочие) поверхности термоэлементов. Говоря еще более строго, параметры ТЭМ определяются в вакууме и при поддержании постоянной температуры «горячей» стороны на уровне 300К. Попробуем определить тепловой баланс Q для «холодного» спая, без учета временных параметров (в нестационарных режимах за счет инерционности теплообменных процессов и безынерционности эффекта Пельтье, при подаче импульсов тока, возможно кратковременное получение пиковой холодопроизводительности в несколько раз большей, чем при стационарном режиме).

В этом случае действуют:

собственно эффект Пельтье с отводом теплоты Qпельтье = α *Tхол*I, где α — термоэдс элемента, I — ток через термоэлемент, Tхол - температура «холодного» спая;

эффект Джоуля, с выделением теплоты из-за прохождения электрического тока через ТЭМ, Qджоуля = ½ I² R, где R - электрическое сопротивление термоэлемента, а половина взята, так как вторая половина будет относиться к «горячему» спаю;

эффект теплопроводности, стремящийся устранить разность температур рабочих сторон термоэлемента, с выделением теплоты Qтп = K*(Tхол-Tгор), где К — полная теплопроводность, зависящая от удельной теплопроводности, площади сечения и длины термоэлемента, Tгор – температура «горячего» спая.


Таким образом,

Q = Qпельтье – Qджоуля – Qтп ,
или
Q = α * Tхол * I — ½ I² R — K*(Tгор-Tхол)

В связи с этим существуют два маргинальных случая, когда Q=0 и Q=Q max.
Q=0 соответствует максимальной разнице температур на концах ТЭМ (ΔTmax = Tгор-Tхол), то есть, когда вся теплота (то есть, в данном случае, холод) от эффекта Пельтье расходуется на перемещение теплоты от эффекта Джоуля на «горячий» спай и компенсацию эффекта теплопроводности.
Этот вариант соответствует режиму «холостого хода» и отсутствию тепловой нагрузки, поэтому практического интереса не представляет.

Q=Q max соответствует ситуации, когда разница температур равна нулю, то есть предельный режим работы ТЭМ, при котором дальнейшее увеличение тока не имеет смысла. Этот параметр и соответствующий ему ток и рабочее напряжение указывается в паспортных данных ТЭМ. Поэтому, в отличие, например, от транзисторов, где превышение максимального тока чревато невосстанавливаемым пробоем и перманентным выходом из строя, превышение максимального тока ТЭМ может привести лишь к росту его температуры (она часто ограничена температурой низкоплавкого припоя на основе висмута, используемого при пайке, имея в виду ТЭМ, предназначенные для работы в условиях комнатных температур, надо сверяться с данными по конкретному ТЭМ). Практическую ценность может представлять информация, что максимальная холодопроизводительность составляет около 60% от потребляемой электрической мощности. Но режим работы с максимальным током, соответствующим Q max, является и самым неэкономичным для ТЭМ.


Рабочим режимом является некоторое промежуточное значение холодопроизводительности, ниже максимального, но при котором еще существует определенная разница температур под определенной тепловой нагрузкой.

При желании из приведенных соотношений можно вывести ряд формул, в том числе и для максимального тока.

Для серийно выпускаемых ТЭМ в паспортных характеристиках указываются максимальный ток и при каком напряжении он достигнут, максимальная холодопроизводительность, максимально достижимая разность температур, габаритные размеры и материал корпуса.

КПД ТЭМ

Эквивалентом КПД для ТЭМ, используемого как охладитель, является коэффициент преобразования

ɛ = (Tхол / (Tгор-Tхол)) * (SQR(1+ ½ Z(Tгор+Tхол)) –
- Tгор/Tхол) / (SQR(1+ ½ Z(Tгор+Tхол)) + 1)

SQR означает извлечение квадратного корня из последующего выражения, заключенного в скобки.

В принципе, легко узнается термодинамическая составляющая и функция потерь.
Можно также заметить, что при приближении Tхол к Tгор коэффициент преобразования будет увеличиваться и не видно, как и чем он ограничивается. И хоть такой режим соответствует максимальной холодильной мощности, в практических целях его обычно не применяют, ибо всегда стремятся достичь разницы температур. Конечно, в «рост КПД выше единицы» верится с трудом, но объяснение этому простое — если два контактирующих вещества находятся при близких температурах, энергетические уровни большинства электронов достаточны для совершения работы выхода без внешней подпитки энергией. И термоэлектрический насос, в отличие от механического, который должен физически перекачивать жидкость, не совершает работу по переносу каждого носителя.

Применение термоэлектрических устройств

Эффект Пельтье может использоваться как для охлаждения, так и для нагрева. Достигается это простым изменением полярности питающего напряжения.

Пожалуй, наиболее массово ТЭМ применяются в небольших переносных и автохолодильниках, где тепловая нагрузка - без притока теплоты извне и позволяет решать задачи охлаждения элементами малой мощности.

Далее можно отметить устройства охлаждения радиоэлектронных компонентов и различные устройства термостатирования ввиду легкости прецизионного электронного регулирования
температуры как для нагрева, так и для охлаждения.

Выше говорилось, что максимальная холодопроизводительность ТЭМ получается при определенном значении тока, который при заданном значении напряжения питания показывается как I max. Нестационарный режим питания импульсами тока, в несколько раз превышающими I max, на некоторое время позволит получить холодопроизводительность, намного превышающую паспортную. Это объясняется тем, что сам эффект Пельтье безынерционен, в отличие от распространения теплоты джоуля и явления теплопроводности, и, в течение нескольких секунд, этим можно воспользоваться. Впрочем, нестационарные режимы широкого применения не получили.

Ввиду обратимости термоэлектрических эффектов, ТЭМ может использоваться и в качестве ТЭГ. Вдали от удобств цивилизации это может быть один из немногих доступных источников электрической энергии, например, для подзарядки аккумуляторов или прямого питания радиоэлектронной аппаратуры или других устройств. Естественно, не каждый ТЭМ может быть использован для этих целей. Достаточно широко используются устройства, в которых разница температур создается между наружной металлической оболочкой, нагреваемой открытым огнем (костром), и внутренней оболочкой, охлаждаемой водой. «Холодная» сторона будет ограничена температурой кипения воды, поэтому такой ТЭМ должен быть рассчитан на рабочую температуру 500-600°К.

Следует иметь в виду, что тепловой баланс для ТЭГ качественно отличается от ТЭМ на основе эффекта Пельтье, и этот эффект (вместе с теплотой Джоуля) вносит всего несколько процентов в общий вклад, что требует совершенно других акцентов при конструировании ТЭГ.


ТЭГ широко применяются в космической технике, где температура «горячей» стороны поддерживается радиоизотопным источником.

Впрочем, вживляемые в тело человека кардиостимуляторы также снабжены ТЭГ с радиоизотопным источником для создания разности температур.


Можно упомянуть и возможность каскадирования элементов охлаждения, путем «построения пирамиды» можно добиться разницы температур, не достижимой с помощью одиночного элемента. Правда, за это нужно будет заплатить высокую энергетическую и инженерную цену — каждый следующий каскад должен быть соответствующей мощности, чтобы создавать разницу температур с учетом полезной и полной тепловой нагрузки предыдущего каскада, а на последнем этапе все возросшее в геометрической прогрессии тепло еще надо и отвести.


ТЭМ — за и против

ТЭМ обладает рядом уникальных потребительских свойств, что, в некоторых условиях эксплуатации, делает их просто незаменимыми.

За:
Полная бесшумность
Безынерционность эффекта
Отсутствие движущихся частей
Экологическая безопасность
Отличные массогабаритные данные и высокая удельная мощность
КПД не зависит от габаритов
Конструктивное исполнение практически любого форм-фактора
Способность работать в широком диапазоне температур
Нечувствительность к короткому замыканию
Мгновенная готовность к работе
Минимальные затраты на обслуживание

Против:
Даже при нулевой полезной холодопроизводительности потребляется энергия
Необходим качественный отвод тепла с горячей стороны, причем мощности, в несколько раз превышающей полезную холодопроизводительность

Мини-FAQ

Как правильно подобрать мощность элемента Пельтье для непосредственного охлаждения процессора с TDP ХХ Вт?

Предположим, имеется ТЭМ с холодопроизводительностью XX Вт. Что это означает? То, что, при условии интенсивного охлаждения «горячей» стороны ТЭМ до 27°С, температура процессора будет не ниже 27°С. Какую тепловую мощность при этом нужно будет рассеять на «горячей» стороне ТЭМ?
Суммируем тепловыделение процессора XX Вт и электрическую мощность, потребляемую ТЭМ Qджоуля = XX Вт / (0.5....0.6), что в итоге составляет примерно 3*XX Вт.
Готовы ли вы рассеять такую мощность и поддерживать на «горячей» стороне ТЭМ 27°С?
Если нет, то соответственно и «горячая» сторона, и «холодная» будут иметь одинаково более высокую температуру.

Если требуется понизить температуру процессора по отношению к температуре «горячей» стороны ТЭМ, то необходимо применять модуль, с холодопроизводительностью в несколько раз большей, чем TDP процессора, работающий на пониженной мощности, или не один, а несколько модулей, с суммарной холодопроизводительностью в два-четыре раза выше TDP процессора, или, в необходимых случаях, использовать и каскадное подключение. Но энергетические затраты и необходимость еще более лучшего охлаждения вряд ли обрадуют рядового пользователя.

Многие разочарования от использования систем охлаждения на основе эффекта Пельтье связаны именно с недооценкой количества того тепла, которое придется отводить от «горячей» стороны ТЭМ. Проблема с отводом тепла с помощью ТЭМ от процессора с TDP=125Вт будет очень сложной. В этом случае лучше использовать ТЭМ для вспомогательного охлаждения в контурах СВО, о чем подробно рассказано в соответствующей ветке на форуме overclockers.ru.

Кстати, производители ТЭМ часто предлагают специализированные программы, помогающие правильно спроектировать систему охлаждения.

ТЭМ имеет низкий КПД?
При работе ТЭМ одновременно протекают несколько физических процессов. Говоря о «чистом эффекте Пельтье», то есть о прямом преобразовании электрической энергии в тепловую, то КПД очень высокий, особенно в момент включения. Рассматривая же вопрос с практической точки зрения, надо понимать, что полезному эффекту Пельтье, в случае, если мы занимаемся охлаждением, противостоят, как минимум, два вредных эффекта. К тому же КПД возрастает с уменьшением разницы температур между холодной и горячей стороной. Так что КПД - изменчивая субстанция.

Чем больше модулей, тем выше КПД?
Само по себе число модулей КПД не повышает. Увеличение числа модулей, при правильном расчете, дает возможность получить, например, такую же холодопроизводительность с меньшими затратами энергии на каждый элемент, снижая рабочий ток, и, соответственно, получая пониженные требования к охлаждению «горячей» стороны.

В паспортных данных говорится, что разность температур ХХ, у меня же практически она равна нулю!
С процессором в TDP 125Вт не справляются два модуля по 89 Вт. Почему?

Параметры ТЭМ измеряются в идеальных условиях (вакууме и при постоянной температуре «горячей» стороны в 300К, к тому же максимальная температура достигается при отсутствии тепловой нагрузки на «холодной» стороне. При условии поддержания температуры «горячей» стороны в 300К (27°С) и повышении тепловой нагрузки на «холодной» стороне разность температур будет снижаться вплоть до нуля, а если тепловая мощность на «холодной» стороне будет повышаться и дальше, то «холодная» сторона уже будет теплее «горячей» за счет тепловой инерции и теплового сопротивления модуля.
То есть, в идеальных условиях и при нагрузке, равной максимальной тепловой мощности ТЭМ, разница температур равна нулю! Для получения разности температур нужно уменьшать тепловую нагрузку, при тех же энергетических затратах. Но для повышения энергоэффективности и облегчения условий охлаждения «горячей» стороны, на ТЭМ подается электрическая мощность, на 20-50% менее значения, соответствующего энергопотреблению при максимальной тепловой мощности. В реальных условиях для однокаскадной системы охлаждения достигается разность температур 20-40°.

Приведенные цифры соответствуют модулям с рабочими температурами, близкими к комнатным.
В общем случае, если температура «горячей» стороны не поддерживается и возрастает с тепловой нагрузкой, то максимально достижимая разница температур будет меньше паспортной.

ТЭМ, являясь тепловым насосом, перекачивает тепло от охлаждаемого тела на свою горячую сторону?
Термин «тепловой насос», то есть принудительная «перекачка» теплоты, применим только для внутренних процессов ТЭМ. «Рабочим телом» является электрический ток, создающий разность температур в соответствии с эффектом Пельтье. Тепловая нагрузка — это уже «естественное» явление теплопроводности через ТЭМ.

Без тепловой нагрузки, за счет явления теплопроводности точка «средней температуры» находится примерно посередине (не строго, так как за счет эффекта Томсона она будет смещена). В данном случае «перекачивается» теплота Джоуля от протекания тока по ТЭМ с «холодного» на «горячий» спай и производимым холодом блокируется эффект теплопроводности от «горячего» спая. Появление тепловой нагрузки на «горячем» спае можно рассматривать как теплоту, часть которой путем теплопроводности будет передана на «горячий» конец, повысив его температуру, если одновременно не увеличивать охлаждение «горячего» спая, а вторая половина, приведенная к «холодному» спаю, равносильна уменьшению холодильной мощности (происходит «взаимозачет» тепловых потоков), соответственно температура «холодного» спая повышается. Из-за этого происходит дальнейшее повышение температуры ТЭМ от теплоты Джоуля и за счет меньшего противодействия теплопроводности.

Заметим, что работа, совершаемая током, при этом не меняется (что, на самом деле, не совсем так, поскольку полупроводники и полуметаллы крайне чувствительны к температуре).

Холодильники на ТЭМ работают эффективнее по сравнению с охлаждением электронных компонентов из-за хорошей герметизации корпуса?
Герметизация, безусловно, важна, но она означает только то, что тепловая нагрузка на ТЭМ все время падает, в отличие, например, от охлаждения постоянно выделяющего тепло процессора.

Если используется несколько ТЭМ для охлаждения, как правильно их подключать?
Для нормальной работы ТЭМ необходимо выполнить несколько условий.
Источник питания должен обеспечивать требуемую мощность.
Не превышать допустимые параметры по току и напряжению, иначе придется бесполезно рассеивать дополнительную теплоту. Практически используемые режимы -понижение рабочего напряжения и, соответственно, тока до величин 50% от I max и менее.

К примеру, если нет подходящего источника питания и используется компьютерный блок питания, то 4 ТЭМ на 14-15 вольт, можно подключить параллельно к напряжению 5 вольт, или попарно последовательно-параллельно к напряжению 12 вольт ( два модуля последовательно с тем, чтобы каждый модуль запитывался напряжением 6 вольт, и оба блока параллельно к источнику 12 вольт).

Последовательное соединение можно рекомендовать только для однотипных модулей, при этом желательно их подобрать в пары по максимально близкому сопротивлению.


PS

В честь 175-летия открытия эффекта Пельтье была приобретена горстка ТЭМ для небольших практических опытов.


Для экспериментов потребуется небольшой набор аксессуаров,


Джентельменский набор начинающего пельтьемейкера

в данном случае это источники питания в виде компьютерного блока мощностью 650 Вт (на фото отсутствует), прецизионного регулируемого источника питания PXN-1505D, два цифровых мультиметра с термопарами, блок для измерения температур с 4-мя термодатчиками Zalman MFC2 (нет на фото), ИК термометра DVM8861 (-50..550°C) c двухлучевым лазерным указателем для визуальной индикации размера захватываемого участка и набор различных металлических пластин, радиаторов, крепежных элементов, проводов и силовых резисторов. Также на фото отсутствует 450-ваттный термогенератор (фен) SMD852, тюбик КПТ-8 и прочие мелочи.
Сразу следует сказать, что, для получения максимально эффективной работы ТЭМ как охладителей, для их питания необходимо использовать регулятор напряжения, управляемый температурой охлаждаемого устройства по требуемому графику регулировки. Конечно, для маломощных охлаждаемых устройств, например, для чипсетов материнских плат, можно подобрать требуемый ток и держать ТЭМ постоянно подключенными. Если требуется холодильная мощность более 100 Вт, например, для непосредственного охлаждения процессора, то это потребует рассеивания порядка 300Вт на «горячей» стороне ТЭМ, что вряд ли целесообразно делать постоянно — ведь процессор не все время такой прожорливый.

Но для тех, кто будет экспериментировать, используя компьютерный блок питания, возможно, пригодится следующая информация.

В горстке показанных термоэлементов всего три разновидности: TEC1-12710, TEC1-12706, TES1-12704. В таблицу сведены их паспортные параметры и то, что можно с них выжать (максимальную холодопроизводительность) при питании 12 вольт.


МодульUIWI(12)W(12)
TEC1-1271015.610.5895.033
TEC1-1270614.96.4533.725
TES1-1270414.64.3362.516.5




Ради эксперимента была предпринята попытка охладить модулем TEC1-12706 (на фото ниже примерка с TEC1-12710), подключенным к питанию 5 вольт, чипсет на материнской плате M3N72-EM (GF8300), после замены штатного радиатора на теплосъемную пластину (к сожалению, из латуни, так как в тот конкретный момент подходящего куска меди или алюминия под рукой не оказалось.


Примерка на чипсет

На горячую сторону устанавливались различные виды пассивного и активного воздушного охлаждения и затем те же радиаторы без TEC1-12706.

В результате, максимальный выигрыш (8-10° с модулем против 18-21° без, в обоих случаях радиатор с вентилятором). Конечно, можно заменить материал основания, добавить тока, но температуру ниже понижать уже нельзя, чтобы не образовывался конденсат. Пассивный радиатор на элементе приводит к прогреву до 27-30°С (в комнате 23°С), тот же радиатор без элемента обеспечивает температурный режим 57°. К слову, GlacialTech 5700 без кожуха и в пассивном режиме снижает температуру до 46°С.

Таким образом, решено не применять ТЭМ для охлаждения чипсета на этой материнской плате.

Разумеется, то, что модули ТЭМ были куплены в ознаменование 175-летия открытия эффекта Пельтье, это гротеск. На самом деле, все проще — в серии статей «Компьютер будущего» (для тех, кто не читал поясню, что имеется в виду компьютер из ближайшего будущего автора, а не будущего вообще), говорится о компьютере без механически движущихся частей (за исключением BluRay привода).

Полностью пассивное охлаждение — задача нетривиальная, даже для процессоров с TDP 45 Вт. Разумеется, в 2D или под небольшой нагрузкой и без разгона, задача решается относительно легко и красиво - стоит только посмотреть на моноблоки Аpple. Но стресс тест процессоров или просто тяжелые долговременные рабочие режимы быстро приводят к перегреву со всеми вытекающими последствиями.

Поэтому и появилась идея использовать ТЭМ. Конструкция непосредственного контакта ТЭМ с процессором непригодна, так как в таком случае требуется необоснованно большой расход энергии и необходимость рассеивания соответствующего тепла и в случае, когда процессор эффективно охладился бы силами крупного пассивного радиатора без всяких дополнительных затрат энергии. Но вполне возможно встроить ТЭМ во вторичный контур охлаждения, установив дополнительный теплосъемник в верхней точке тепловых трубок пассивного радиатора и охлаждая его, уже по мере необходимости (по сигналам с датчиков температур, а в простейшем случае используя механический термостат с гистерезисом). Радиатор охлаждения ТЭМ может вообще быть вынесен за пределы корпуса (как его декоративный элемент и чтобы повысить общую эффективность системы охлаждения).


Примерка теплосъемника радиатора процессора

На фотографии видно, что медная пластина Г-образной формы (будет) припаяна с помощью сплава Розе к верхним концам тепловых трубок пассивного радиатора, с трубок которого предварительно сняты 3-4 ребра охлаждения. На другом конце пластины (будет) установлено один-два-три ТЭМ. Общий теплосъемник «горячей» стороны ТЭМ через прорезь в корпусе передаст тепло на пассивный радиатор большой площади, находящийся на удалении нескольких миллиметров от боковой стенки корпуса.

Суммарная паспортная мощность 4-х ТЭМ (планируется две пластины) более 210 Вт, что, с учетом первичного пассивного радиатора, должно обеспечить охлаждение, даже в щадящем включении ТЭМ, 45 ваттного процессора.

Можно исхитриться и между боковой стенкой компьютера и большим радиатором ТЭМ поставить ТЭМ в режиме ТЭГ, обеспечив прижим элементов одной стороной к радиатору («горячая»), другой стороной («холодная») к корпусу. Сделав последовательное подключение элементов, можно, без всяких внешних элементов и источников питания, генерируемым напряжением запускать резервный вентилятор, выдувающий теплый воздух из корпуса наружу, или обдувающий пассивный радиатор процессора. Впрочем, экономическая самоокупаемость такого решения явно подкачает, но принципиальная возможность этого есть.

Дополнительные теплосъемники (или, например, один из существующих Г-образных), могут быть выполнены в виде U-образной пластины и дополнительный пассивный радиатор может располагаться и над верхней крышкой корпуса. На вторую боковую крышку планируется вывести просто пассивный радиатор, без ТЭМ, на который передается тепло с активных элементов блока питания, установленных на медный радиатор П-образного профиля с выфрезерованными зубцами для увеличения площади охлаждения.


Радиатор блока питания

Между этим радиатором и радиатором боковой стенки также могут быть установлены ТЭМ. Но рассказ о том, что получилось в итоге, и какие температурные режимы получаются внутри и снаружи, еще впереди.


Обменяться поздравлениями по случаю 175-летия открытия эффекта Пельтье можно здесь .

15 марта 2009 года
zauropod, специально для overclockers.ru
Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают