В погоне за улучшением быстродействия процессора столкнулся с проблемой его скорого перегрева и выхода из строя. Для ее эффективного решения приобрел, приспособил и установил элемент Пельтье в качестве внешнего охладителя. В этом обзоре расскажу, что собой представляет данное устройство, зачем нужно и как работает, каковы его плюсы и минусы, где применяется и как правильно его использовать на практике.
Элементы Пельтье – что это такое, зачем нужны и как работают, характеристики
Данный термоэлектрический эффект был открыт в 1-ой половине 19-го столетия французским исследователем Пельтье и получил название в его честь – а чтобы лучше понять, что это такое и каков его принцип работы, представьте следующую картину:
- Берем 2 пластинки разных полупроводников – один p-, другой n-типа.
- Далее мы просто спаиваем их и по краям подсоединяем провода.
- После чего начинаем пропускать ток.
- Получая энергию, электроны из одного материала начинают переходить в другой.
- В части системы, где поглощается энергия, происходит охлаждение.
- Если пустить ток в обратном направлении, произойдет, наоборот, разогрев.
Сразу отмечу, что эффект имеет практическую пользу только для полупроводниковых материалов, и при этом разных по свойствам – в первую очередь по электронным уровням. Для металлов явление будет настолько слабо, что останется практически незаметным.
Элемент Пельтье устроен следующим образом:
- Лежащие в одной плоскости взаимодействующие друг с другом пары фрагментов кубической формы p- и n-полупроводников.
- Между собой они последовательно соединены токопроводящими элементами с изоляционной оболочкой. При этом такие металлические части одновременно служат теплопроводниками.
- Схема расположения пар такова, что на одной стороне образуется один вид соединений (p-n), а на противоположной – другой (n-p).
- При пропускании через последовательность пар электротока, одна из сторон нагревается, другая – охлаждается.
- При смене полярности, функция поверхностей поменяется – холодная станет нагреваться, греющая – охлаждаться.
Исходя из принципа действия схемы, чем большее количество полупроводниковых пар будет применено, тем более эффективным будет элемент Пельтье. КПД также может быть улучшено, если тепло начать принудительно отводить, например, вентилятором или радиатором. В лучшем случае разница температур между горячей и холодной стороной достигает 70°C.
Отличие от холодильника
В первую очередь отмечу специфику применения обычной холодильной установки на примере отвода тепла от процессорного блока – это следующий ряд особенностей:
- Необходимость использования хладагента. Как правило, это фреон. Эксплуатация сопряжена с рядом неудобств – обеспечение циркуляции, высокое давление в системе, опасность.
- Постоянный рабочий шум насоса.
- Техническая сложность проекта. Потребуется конструировать каскад соединенных друг с другом элементов, ведущих к охлаждаемой области.
- Образование конденсата, ввиду соприкосновения холодной поверхности с влажным воздухом помещения.
- Низкий КПД. Как правило, холодильные установки проявляют меньшую работоспособность, чем рассчитано по проекту.
В свете рассматриваемого случая модуль Пельтье оказывается более выгодным – хотя бы потому, что он обладает совершенно иным принципом работы, и им легче оснастить обслуживаемую область.
Теххарактеристики и маркировка
Для того чтобы получить запланированный эффект охлаждения, нужно правильно подобрать плату Пельтье, а для этого в свою очередь нужно знать, какими параметрами она характеризуется и как расшифровывается маркировка.
Это, прежде всего, следующий набор теххарактеристик:
- Производительность холода, ватт. Вычисляется по предельному току и набольшей разнице температур.
- Наивысшее значение термоперепада между холодной и нагретой сторонами, град.
- Предел силы тока, требуемой для достижения наибольшей разницы температуры, ампер.
- Наибольшее напряжение, вольт.
- Сопротивление платы, Ом.
- Коэффициент СОР – эффективность или КПД. Варьируется в рамках 0,3-0,5 – в зависимости от качества сборки изделия.
В маркировке пластин Пельтье нужно знать следующее:
- Первая пара символов, как правило, ТЕ – означает тип устройства, то есть в данном случае термоэлемент.
- Третий символ – размер. C – обычный, S – мелкий.
- Крайняя цифра – количество слоев.
- Далее через черту идет обозначение величины полупроводниковых пар.
- Последним отображается величина силы тока в амперах.
Например, маркировка «ТЕС1-12703» означает, что термоэлемент обычного размера с 1 слоем и 127 термопарами на 3 А.
Мощность элемента Пельтье для охлаждения процессора должна быть подобрана максимально точно. В противном случае либо тепло будет не достаточно отводиться, и техника будет перегреваться и отключаться, либо чрезмерный холод приведет к образованию конденсата и сырости в электрической схеме, что не менее опасно.
Плюсы и минусы
Термоэлементы Пельтье отличаются следующими достоинствами:
- Малые размеры платы.
- Несложность конструкции.
- Отсутствие в устройстве двигающихся узлов и механизмов, а также жидких или газообразных хладагентов.
- Низкая цена в сравнении с моделями, работающими на фреоне.
- Достаточно большой перепад температур, сопоставимый с показателями чиллеров.
- Доступность самостоятельного изготовления модулей для конкретного применения с заданными параметрами.
- Возможность переключения одной и той же поверхности с нагрева на охлаждение и наоборот – что при необходимости позволяет поддерживать температуру вне зависимости от изменений уровня нагрева окружающей среды.
- Бесшумность в работе.
Главный недостаток систем Пельтье – это низкий КПД – если сравнивать их с теми же классическими холодильниками на фреоне. Проявляется это в первую очередь в более высоком потреблении энергии для достижения ощутимой разницы температур между горячей и холодной сторонами установки.
Выделю также и другие минусы:
- Ограниченность теплоотведения. Если приток тепла превысит отток, элемент перегреется и выйдет из строя. В результате потребуется полная замена.
- Для эффективной работы плату нужно дополнительно охлаждать, так как, по сути, это электронагреватель со специфической работой.
- Недостаток мощности для сильного процессора. Решается совмещением с дополнительным устройством охлаждения.
Полупроводниковые пластинки Пельтье нашли широкое применение в качестве эффективного термоэлектрического охладителя электронных компьютерных компонентов – в частности процессоров, видеоадаптеров, модулей памяти.
Применение
Термоэлементы Пельтье широко используются как в бытовом оборудовании, так и измерительно-вычислительной технике, а также в области производства электроэнергии. Наибольшую практическую ценность они представляют в виде следующих устройств:
- Мобильные холодильники.
- Переносные электрогенераторы.
- Системы охлаждения компьютерных компонентов.
- Кулеры для нагрева и охлаждения питьевой воды.
- Осушители воздуха.
Разберем их особенности более детально.
Мобильные холодильники
Хотя элементы Пельтье не сопоставимы по производительности с компрессорными или абсорбционными хладоустановками, ввиду своих достоинств они все же находят применение в холодильной отрасли. Переносные модели на их основе отличаются такими плюсами:
- Несложность устройства.
- Отсутствие в конструкции механически взаимодействующих узлов, если исключить вентилятор обдува.
- Стойкость к тряске и вибровоздействиям.
- Минимальный рабочий шум.
- Малые размеры.
- Большой срок эксплуатации.
- Низкие энергозатраты.
- Сохранение функциональности независимо от пространственного положения.
Как правило, компактными термоэлектрическими холодильниками оснащаются салоны автомобилей.
Электрогенератор
Если одну стороны пластины начать нагревать, а другую, соответственно, охлаждать, между ее контактами появится разность потенциала. При этом величина будет тем выше, чем больше разница температур. Однако даже специализированные модели не способны выдерживать нагрев свыше 300°C, а обычные потребительные – только 150°C. Если случится перегрев, припой расплавится, и элемент разрушится.
Такое условие резко снижает производительность термоэлектрических генераторов тока. Общедоступные модели вырабатывают не более 5-10, редко 12 вольт. Поэтому пользуются спросом такие установки у туристов, геологов, жителей отдаленных районов – тех, у кого просто нет альтернативы использования более мощного источника электротока.
Охладитель компьютерных компонентов
Принцип работы элемента Пельтье позволяет использовать его в том числе для охлаждения компьютерных узлов – процессора, модуля памяти и видеоадаптера. Однако здесь возникает несколько сложностей:
- Чтобы отвести тепло от стандартного процессора (около 150 Вт) потребуется затратить до 700 ватт – ввиду чего потребуется сильный блок питания.
- В период, когда процессор будет работать без нагрузки, термоэлемент охладит его сильнее, чем надо. А это грозит образованием конденсата и вытекающими из этого поломками от сырости в электроцепи.
- Для конкретного случая применения потребуется точно рассчитать и подбирать охладитель по мощности.
Кстати, именно из-за возможности порчи компьютера от конденсата я сразу отказался от использования прямого метода. Благо, что есть гибридный вариант – когда модуль сочетается с воздушным охлаждением (вентилятором). Однако обошлась такая модель гораздо дороже.
Кондиционер
Элементы Пельтье применяются также для охлаждения воздуха в системах кондиционирования. Единственное их преимущество – это простота устройства. Недостатков же достаточно, и все они возникают из низкого КПД и проявляются в следующем:
- Низкая эффективность для использования в помещениях.
- Расходы энергии в 3-4 раза, превышающие аналогичные показатели для моделей на хладагенте.
- Недостаток мощности генератора – для случая применения в авто.
Видео-ролик о том, что такое Пельтье-элемент:
Предлагаемые сегодня на различных площадках для публичного обсуждения самодельные варианты в действительности не отличаются совершенством. Ситуация может измениться только с появлением новых термоэлементов, с более высоким КПД.
Охлаждение воды
Кулеры для питьевой воды на базе термоэлементов применяются достаточно давно. Обуславливается это простотой и надежностью устройства. Однако по сравнению с компрессорными версиями у них также есть некоторые недостатки:
- Порог охлаждения – 10-12°C.
- Больший срок на охлаждение, что делает устройство непригодным для большого потока – в тех местах, где воду набирают часто, например, в офисе.
- Зависимость от температуры окружающего пространства – из-за чего в жарком помещении вода не достигает нужного уровня охлаждения.
Видео-тестирование Пельтье-элемента на охлаждение и выработку тока:
Кроме того, если помещение постоянно пылится, кулер быстро выйдет из строя – ввиду забивания вентилятора.
Осушитель воздуха
В сравнении с системами воздушного охлаждения осушитель на Пельтье вполне реалистичен. Обусловлено это несколькими факторами:
- Работа устройства сконцентрирована на малом объеме – обрабатывается только проходящий небольшой воздушный поток.
- Радиатор легко охлаждается до точки росы – в результате растворенная в атмосфере влага оседает на холодных металлических элементах.
- Устройство имеет простейшую конструкцию и минимальную себестоимость.
КПД модуля вполне хватает для сушки воздуха в жилом помещении.
Азы практического использования
Если у вас уже есть готовый Пельтье-модуль, подключить его не составит особых трудностей. Для этого нужно только учесть несколько моментов:
- Для питания можно использовать только постоянный ток, по величине соответствующий техническим данным устройства.
- На контакт красного цвета подается «+», а на черный – «-».
- В случае если понадобится поменять местами стороны нагрева и охлаждения, достаточно изменить полярность, не переустанавливая модуль.
Видео-пример изготовления и применения походного электрогенератора на базе Пельтье-элемента:
Перед установкой плату следует проверить на исправность. Для этого к контактам элемента Пельтье нужно подключить ток заданных характеристик. В случае работоспособности одна сторона будет холоднее другой – что можно проверить наощупь.
Есть еще один способ – обратный. Для этого потребуется мультиметр и источник открытого пламени, например, зажигалка. Инструкция следующая:
- Щупы измерителя подсоединяем к контактам пластинки.
- Берем модуль и с помощью зажигалки нагреваем одну из сторон.
- Смотрим на дисплей прибора.
В случае исправности мультиметр покажет измерение продуцируемого элементом электрического тока.
Для полевых условий на базе Пельтье-модуля можно собрать элементарный генератор тока для подзарядки мобильника. Для этого к нагреваемой стороне подсоединяется медная пластика, а к охлаждаемой алюминиевый радиатор. Для стабилизации на выходы контактов подключается преобразователь на 5 В. А чтобы прибор не перегрелся и не вышел из строя, в качестве нагрева можно использовать кипящую в котелке воду.
Видео-пример тестирования Пельтье-охладителя для процессора:
Коротко о главном
Модуль Пельтье – это соединенные в одной плоскости полупроводниковые пары, при пропускании через которые электротока, одна сторона нагревается, другая охлаждается. Эффект был открыт в 19-ом веке, сегодня активно применяется в качестве охладителей различных устройств.
В отличие от стандартного холодильника, такие модули не нуждаются во фреоне и оборудовании для его циркуляции, не шумят, имеют простое устройство и легко обслуживаются. При выборе модели нужно учесть характеристики и правильно расшифровать маркировку.
Преимущества Пельтье-элементов выражаются в малых размерах, простоте, отсутствии движущихся частей, оптимальной стоимости, универсальности поверхностей, бесшумности. Недостатки выражаются в ограниченности отведения тепла, низком КПД и необходимости обустройства дополнительного теплоотвода.
Наиболее широкое применение плата нашла в следующих проектах:
- Мобильные холодильники.
- Генераторы тока.
- Охладители компьютеров.
- Кондиционеры.
- Водяные кулеры.
- Воздушные осушители.
Подключить готовое устройство нужно в соответствии с инструкцией, предварительно проверив его на работоспособность.
Напишите в комментариях, для каких целей вы бы стали применять модуль Пельтье?
