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.

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

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

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

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.

Модуль Пельтье можно использовать в 4 разных схемах: как нагревательный элемент (в инкубаторах...), как охлаждающий элемент (в холодильниках...), получать электричество (генератор...), а так же с помощью элемента Пельтье можно получать воду. Об этом и будет моя статья

Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler - термоэлектрический охладитель).

Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются - или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание - это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством являются отсутствие механических частей и отсутствие шума.

Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

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 же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение теоретически очень большой разницы температур, более 70 градусов по цельсию, в связи с этим лучше использовать импульсный метод регулирования температуры, благодаря которому можно снизить также потребление энергии. При этом желательно сглаживать пульсации тока для продления срока службы элемента Пельтье.

Применение термоэлектрического модуля : в куллерах для воды, системах охлаждения компьютеров или микросхем различных малогабаритных приборов,в электрических термогенераторах,охлаждение видеокарт, северных или южных мостов, автомобильные холодильники, охладители воздуха, Arduino, для охлаждение ПЗС матриц и инфрокрасных фотоприемников, в электрических термогенераторах, в термостатах, в научных лаболаторных приборов, термокалибраторов, термостабилизаторов. В общем там где требуется достижения перепадов температур более 60 градусов.

Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления

Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления (потребляемая мощность, напряжение, сила тока, максимальная разница температур). Маркировки этих термоэлектрических генераторов могут быть на разных сайтах разные, все зависит от производителя (например: TEG1-241-1.4-1.2; СР1.4-127-06L отечественные; TB-127-1.4-1.5 Frost-72; SP1848-27145; термогенератор Зеебека TEP1-142T300). Характеристики, в свою очередь будут не сильно отличаться, но некоторые показатели не значительно разнятся.

USB Холодильник своими руками (Модуль Пельтье)

Для постройки нашего мини-холодильника нам необходимо найти или купить элемент Пельтье (что это такое и как работает Вы сможете прочитать ниже) и два радиатора.

Вот этот самый элемент Пельтье, я выдрал его из сломанного компа, он там стоял между процессором и кулером. Счистил с него старую термопасту. В двух словах — этот элемент Пельтье при подаче на него постоянного тока начинает работать следующим образом: одна сторона у него начинает греться, а вторая — охлаждаться, если поменять полярность источника питания, то стороны элемента будут вести себя наоборот!

Далее я взял два массивных радиатора от ненужного усилка. Потом смазал элемент новой термопастой, которую купил в радио магазине, и зажал элемент Пельтье между радиаторов. Использование термопасты в данном случае обязательно!
Подключил провода к элементу от USB кабеля и воткнул в комп — одна радиатор начал греться, а второй — охлаждаться! Значит, всё пучком!

Материал, из которого я склеил холодильник, похож на прессованный пенопласт или пористый пластик. В общем, материал может быть любым, его главное качество термоизоляция.
Стекло — органическое, выглядит довольно хрупко, но на самом деле материал прочный.
Клей — суперклей.

Потом для удобства сделал застёжку на магнитиках.
Получилось нормально — туда спокойно влезает бутылка минералки.

Генератор — получение электричества с помощью элемента Пельтье

Плюсы этого генератора:

— Топливо – всё что горит или греет.
— Выход USB 5 Вольт, 500mA.
— Не зависит от солнца, ветра и т.д.
— Простая и крепкая конструкция, которая может служить вечно.
— Можно готовить на нем еду, пока ваш телефон заряжается.
— Универсальность.
— Может собрать любой у себя дома за 1 вечер (даже работник АвтоВАЗа=)).
— Дешевизна конструкции.

Изобрел не я, есть коммерческие экземпляры, которые на много лучше моего. Например, BioLite CampStove, его цена 7900 руб. Мой экземпляр сделан на скорую руку для написания этой статьи и дальнейших экспериментов.

Основой является элемент Пельтье. Это термоэлектрический модуль, используемый в кулерах для воды и переносных холодильниках, так же его применяют для охлаждения процессора. При подаче на него напряжения, одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Мы же наоборот будем греть одну сторону, чтобы получить электричество.

Главный принцип в том чтобы одна сторона нагревалась, а другая оставалась неизменной, для максимальной эффективности нужен перепад температур в 100 градусов по Цельсию.

Приступим!


Нам понадобится:
— Элемент Пельтье, я использовал TEC1-12710
— Не нужный блок питания от компа
Любой, даже тот, который сгорел, и выгорело всё кроме корпуса
— Стабилизатор напряжения
DC-DC Boost Module, Входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе всегда 5В.
— Радиатор (чем больше, тем лучше), желательно с кулером на 5В, т.к. радиатор будет постепенно нагреваться. Зимой это не грозит, так как можно поставить радиатор на лед.
— Термопаста
— Набор инструментов

Модуль TEC1-12710, рассчитан на 10 А (есть меньше, есть больше). Но более мощные будут большего размера. Чем больше сила тока, тем он эффективней и дороже. Я купил в алиэкспресс примерно за 250 руб. У нас в магазинах электроники такой стоит около 1500 руб.

Модуль рассчитан на максимальное напряжение 12В, но столько он не выдает из-за низкого КПД, когда мы используем его в обратном направлении, т.е. на получение тока.

Для того чтобы было стабильно 5 вольт и устройства заряжались безопасно, нужен повышающий стабилизатор. Он начинает выдавать 5 Вольт, когда на элементе Пельтье еще только 1. О том, что всё готово к зарядке, можно узнать по горящему светодиоду на модуле.


Можете собрать свой, я же решил довериться китайцам, они предлагают готовый модуль с USB выходом, за 80 руб. на том же сайте.

Распотрошим наш блок питания. Мне пришлось сделать дополнительные дырки для лучшей циркуляции воздуха (блок питания попался очень уж древний).

Главный принцип в том, чтобы воздух засасывало снизу, и выходил он через верх. Проще говоря, нужно сделать обычную печку. Не забудьте предусмотреть отверстие для подкидывания щепок и подставку под котелок или кружку для кипячения воды, если вам это нужно.


Далее к ровной стенке нужно прикрепить модуль Пельтье с радиатором, предварительно равномерно нанеся термопасту. Чем плотнее контакт, тем лучше. Та сторона, где написана модель – холодная, именно к ней мы прикладываем радиатор. Если вы перепутали, модуль не будет выдавать напряжение, в этом случае нужно просто поменять провода местами.


Припаиваем повышающий преобразователь, и находим, куда его спрятать. Можно вообще оставить его висеть на проводах, но обязательно нужно заизолировать, например, одеть на него термоусадку.

Собираем всё вместе. Вот что должно получиться:

Как это работает?

Закидываем внутрь ветки, щепки, в общем, всё то, что горит. Затем разжигаем. Огонь нагревает стенки печки и элемент Пельтье, который на одной из этих стенок. Другая сторона элемента, которая на радиаторе, остается при уличной температуре. Чем больше разница температур, тем больше мощность, но не переборщите.

Максимальная эффективность достигается уже при разнице в 100 градусов. Со временем радиатор начинает нагреваться, и его нужно будет охлаждать. Можно подбрасывать снег, поливать водой, поставить радиатором на лед или в воду, поставить на него кружку с холодной водой. Вариантов много, самый простой это кулер, он будет забирать часть мощности, но за счет охлаждения общий результат не измениться.


НЕ допускайте воздействие больших температур на элемент, он может перегореть и сгореть. В документации указана максимальная температура 180 °С, но особо беспокоится не стоит, с хорошим охлаждением и на простых дровах ничего с ним не будет.

Если вы не будете ленится и всё правильно сделаете, то получите вот такую простую щепочницу на которой можно подогревать еду, кипятить, воду и одновременно заряжать свои гаджеты.

Её можно использовать дома, если отключили электричество, поставив внутрь свечку. Кстати если подключить к ней светодиоды, но свет будет на много ярче чем от самой свечки.

В любом месте где можно найти что-то горящее, у вас будет электричество, тепло и возможность удобно готовить еду, расходуя меньше горючего по сравнению с костром.

Первые испытания!

Пошел после работы в лес, солнце почти село, хворост мокрый, но печь оправдала себя на 100%.

Результат превзошёл все мои ожидания. Сразу после разгорания щепок, загорелся индикатор, я подключи телефон и он начал заряжаться. Зарядка шла стабильно.

Преобразователь вообще не напрягался. Еще я брал с собой охлаждающую подставку для ноутбука, на ней 2 кулера и светодиоды, должно прилично потреблять. Подключил, всё крутится, светится, ветерок дует. Брал еще USB вентилятор, подключил в конце, когда остались одни угли. Всё отлично крутится, даже не знаю что еще можно попробовать.

Результат:

Всё прекрасно работает выдает свои пол Ампера. Все таки нужен кулер, т.к. за пол часа радиатор нагрелся порядка 40 градусов, летом это будет еще больше. Пускай крутиться себе.

Языки пламени вырываются высоко вверх, мне лично такого костра не надо, буду закрывать часть отверстий, чтобы горело медленней.

Буду делать все по новой, возьму за основу стандартную щепочницу которую делают из консервных банок, но сделаю из метала потолще и прямоугольной формы. Куплю хороший радиатор с кулером подходящей формы и постараюсь сделать разборный вариант, чтобы при переноске занимало меньше места.

Получение питьевой воды с помощью модуля Пельтье

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Обозначения:

• А – контакты для подключения к источнику питания;
• B – горячая поверхность элемента;
• С – холодная сторона;
• D – медные проводники;
• E – полупроводник на основе р-перехода;
• F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
• максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
• допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
• максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
• внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
• коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Маркировка разбивается на три значащих группы:

1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

• мобильных холодильных установок;
• небольших генераторов для выработки электричества;
• систем охлаждения в персональных компьютерах;
• кулеры для охлаждения и нагрева воды;
• осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

• простота конструкции;
• устойчивость к вибрации;
• отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• низкий уровень шума;
• небольшие габариты;
• возможность работы в любом положении;
• длительный срок службы;
• небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело — охладить небольшой объем холодильной камеры, другое — помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

• вода не охлаждается ниже 10-12°С;
• на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
• устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
• не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

1. подключаем щупы к выводам модуля;
2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °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.

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью АН СССР и академика А.Ф. Иоффе за грандиозный труд по развитию термоэлектричества в СССР и доведения результатов исследований до сведения общественности.

Применяемость

Эффект Пельтье применяется для охлаждения, нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, явление полезно:

1. Для создания холодильников низкого напряжения и постоянного тока. С возможностью подогрева при изменении полярности питания. На западе так конструируют дорожные сандвиченницы. Холод сохраняет продукт от порчи, обратная полярность позволяет подать продукт на стол горячим.
2. Кулеры процессоров вносят значительную лепту в общие шумовые характеристики системного блока. Если заменить их элементами Пельтье, порой хватает общего вентилятора. Он шумит не настолько сильно, корпус лишён мощного радиатора, а крепление надёжное (в отличие от материала материнской платы).

Развитие теории охлаждения

Эффект Пельтье не привлекал пристального внимания учёных, казался бесполезным. Открытый в 1834 году, пылился на полках научных библиотек более века прежде, нежели стали находиться первые значимые технические решения в этой области. К примеру, Альтенкирх (1911 год) заявлял о невозможности применения эффекта Пельтье в холодильных установках, в расчётах опирался на использование чистых металлов, вместо сплавов и полупроводников.

Ошибочность выводов немецкого учёного подтверждена позже, в чем немалая роль отводится лаборатории полупроводников Академии наук СССР. К 1950 году создана стройная теория, позволившая в течение последующего ряда лет создать первый электротермический холодильник. При сравнительно небольшом КПД в 20% прибор понижал температуру на 24 градуса, чего в большинстве случаев хватало для бытовых целей. Годами позже разница температур уже составляла 60 градусов.

В физике 50-х годов элемент Пельтье рассматривался как холодильная машина с электронным газом вместо фреона. Сообразно этому велось рассмотрение системы. Основной параметр – холодильный коэффициент, отношение количества тепла, забираемого в единицу времени к мощности, которая на это затрачивается. У современных фреоновых кондиционеров и холодильников цифра превышает единицу. В 50-х годах для элемента Пельтье едва достигала 20%.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника. Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера. Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина. В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться. Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление. Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока. Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

• Электропроводность материалов термопары одинакова.
• Теплопроводность материалов термопары одинакова.
• Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
• Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

1. Теплопроводность кристаллической решётки.
2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента. Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр. Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию. Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана. Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

1. l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
2. f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
3. x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И. Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются. В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

1. Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
2. Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность. Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К. Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.