Peltier-elementer er specielle termoelektriske omformere, der fungerer efter Peltier-princippet. (dannelse af en temperaturforskel, når elektrisk strøm er tilsluttet, med andre ord en termoelektrisk køler).

Det er ingen hemmelighed, at elektroniske enheder bliver varme under drift. Opvarmning påvirker arbejdsprocessen negativt, derfor for på en eller anden måde at afkøle enhederne er specielle elementer indbygget i enhedens krop, kaldet efter opfinderen fra Frankrig - Peltier. Dette er et lille element, der kan køle radiokomponenter på enhedskort. Når du installerer det alene Der vil ikke være nogen problemer, installation i kredsløbet udføres med et almindeligt loddejern.

1 — Keramisk isolator
2 - n-type leder
3 - p-type leder
4 - Kobberleder

I tidlige tider var ingen interesseret i køleproblemer, så denne opfindelse forblev ubrugt. To århundreder senere, når man brugte elektroniske enheder i hverdagen og industrien, begyndte man at bruge miniature Peltier-elementer, der minder om effekten af ​​den franske opfinder.

Driftsprincip

For at forstå, hvordan et element baseret på Peltiers opfindelse virker, er det nødvendigt at forstå de fysiske processer. Effekten er at kombinere to materialer med ledende egenskaber, der har forskellige elektronenergier i ledningsområdet. Når en elektrisk strøm er forbundet til koblingszonen, modtager elektroner høj energi for at bevæge sig til den højere ledningsevnezone af den anden halvleder. Når energi absorberes, afkøles lederne. Når strømmen løber ind modsatte side den sædvanlige effekt af opvarmning af kontakten opstår.

Alt arbejde udføres på niveau med materialets atomgitter. For bedre at forstå arbejdet, lad os forestille os en gas, der består af partikler - fononer. Gastemperaturen afhænger af parametrene:

• Egenskaber af metal.
• Omgivende temperaturer.

Vi antager, at metallet består af en blanding af elektron- og fonongasser, der er i termodynamisk ligevægt. Når to metaller med forskellige temperaturer rører hinanden, bevæger den kolde elektrongas sig ind i det varme metal. Der skabes en potentiel forskel.

Ved kontaktpunktet absorberer elektroner fononenergi og overfører det til det andet metal til fononer. Når du ændrer polerne på den aktuelle kilde, vil hele processen blive omvendt. Temperaturforskellen vil stige, indtil frie elektroner med et højt potentiale er tilgængelige. I deres fravær vil temperaturerne i metallerne blive udlignet.

Hvis du installerer en højkvalitets køleplade i form af en radiator på den ene side af Peltier-pladen, vil den anden side af pladen skabe en lavere temperatur. Det vil være flere titusgrader lavere end den omgivende luft. Jo højere den aktuelle værdi er, jo stærkere vil afkølingen være. Når strømmens polaritet vendes, vil de kolde og varme sider udveksles med hinanden.

Ved tilslutning af et Peltier-element til metal bliver effekten ubetydelig, så to elementer er praktisk taget installeret. Deres antal kan være et hvilket som helst, det afhænger af behovet for kølekraft.

Effektiviteten af ​​Peltier-effekten afhænger af, hvor nøjagtigt metallernes egenskaber er valgt, styrken af ​​strømmen, der strømmer gennem enheden, og hastigheden af ​​varmefjernelse.

Anvendelsesomfang

For praktisk at anvende Peltier-elementet udførte forskere flere eksperimenter, der viste, at en stigning i varmefjernelse opnås ved at øge antallet af forbindelser mellem to materialer. Hvordan større antal lodninger af materialer, jo højere effekt. Oftere i vores liv bruges et sådant element til at afkøle elektroniske enheder og reducere temperaturen i mikrokredsløb.

Her er nogle af deres anvendelser:

• Nattesynsapparater.
• Digitale kameraer, kommunikationsenheder, mikrokredsløb, der kræver køling af høj kvalitet, for bedre effekt Billeder.
• Teleskoper med køling.
• Klimaanlæg.
• Præcise urkølesystemer til elektriske kvartsoscillatorer.
• Køleskabe.
• Vandkølere.
• Bil køleskabe.
• Videokort.

Peltier-elementer bruges ofte i køle- og klimaanlæg. Det er muligt at opnå ret lave temperaturer, hvilket åbner mulighed for at blive brugt til køling af udstyr med øget opvarmning.

I øjeblikket bruger eksperter Peltier-elementer i højttalersystemer, fungerer som en køler. Peltier-elementer skaber ingen lyde, så lydløshed er en af ​​deres fordele. Denne teknologi er blevet populær på grund af dens kraftige varmeoverførsel. Elementer fremstillet af moderne teknologi, har kompakte dimensioner, køleradiatorer holder en vis temperatur i lang tid.

Fordelen ved elementerne er deres lange levetid, fordi de er lavet i form af et monolitisk legeme, funktionsfejl er usandsynlige. Det enkle design af den sædvanlige udbredte type er enkel, består af to kobbertråde med klemmer og ledninger, keramisk isolering.

Dette er en lille liste over anvendelsessteder. Det udvides til at omfatte husholdningsenheder, computere og biler. Man kan bemærke brugen af ​​Peltier-elementer i kølemikroprocessorer med høj ydeevne. Tidligere var der kun installeret ventilatorer i dem. Nu, når du installerer et modul med Peltier-elementer, er støjen i driften af ​​enhederne faldet betydeligt.

Vil kølekredsløbene i konventionelle køleskabe skifte til kredsløb, der bruger Peltier-effekten? I dag er dette næppe muligt, da elementerne har lav effektivitet. Deres omkostninger tillader heller ikke deres brug i køleskabe, da det er ret højt. Fremtiden vil vise, hvordan denne retning vil udvikle sig. I dag udføres der forsøg med faste løsninger, der ligner hinanden i struktur og egenskaber. Ved brug af dem kan prisen på kølemodulet falde.

Omvendt effekt af Peltier-elementer

Denne type teknologi har det særlige ved interessante fakta. Dette er effekten af ​​at generere elektrisk strøm ved at afkøle og opvarme Peltier-modulpladen. Den fungerer med andre ord som en generator elektrisk energi, med den modsatte effekt.

Sådanne el-generatorer eksisterer stadig rent teoretisk, men vi kan håbe på den fremtidige udvikling af denne retning. På et tidspunkt fandt den franske opfinder ingen anvendelse for sin opdagelse.

I dag er denne termoelektriske effekt meget brugt i elektronik. Anvendelsesområdet udvides konstant, hvilket bekræftes af rapporter og erfaringer fra forskere og videnskabsmænd. I fremtiden vil husholdningsapparater og elektroniske apparater have avancerede innovative muligheder. Køleskabe bliver lydløse, ligesom computere. I mellemtiden er Peltier-moduler monteret i forskellige ordninger til køling af radiokomponenter.

Fordele og ulemper

Fordelene ved Peltier-elementer omfatter følgende fakta:

• Det kompakte hus af elementerne gør det muligt at montere den på et kort med radiokomponenter.
• Der er ingen bevægelige eller gnidende dele, hvilket øger dens levetid.
• Tillader sammenkobling af mange elementer i en kaskade i henhold til en ordning, der giver dig mulighed for at reducere temperaturen på meget varme dele.
• Når forsyningsspændingens polaritet ændres, vil elementet arbejde i omvendt rækkefølge, det vil sige, at køle- og opvarmningssiden skifter plads.

Ulemperne omfatter følgende:

• Utilstrækkelig virkningskoefficient, der påvirker stigningen i den tilførte strøm til at opnå den nødvendige temperaturforskel.
• Et ret komplekst system til fjernelse af varme fra køleoverfladen.

Sådan laver du Peltier-elementer til et køleskab

Du kan selv lave sådanne Peltier-elementer hurtigt og nemt. Først skal du beslutte dig for pladernes materiale. Det er nødvendigt at tage plader af elementer lavet af holdbart keramik, forberede ledere i mængder på mere end 20 stykker for at sikre den største temperaturforskel. Med et tilstrækkeligt antal effektivitetselementer vil der være en markant stigning i køleskabets ydeevne.

Kraften i det anvendte køleskab spiller en stor rolle. Hvis det fungerer på flydende freon, vil der ikke være nogen problemer med ydeevnen. Elementpladerne er monteret nær fordamperen, monteret sammen med motoren. Til en sådan installation skal du bruge et bestemt sæt pakninger og værktøjer. Dette vil sikre, at bunden af ​​køleskabet afkøles hurtigt.

Omhyggelig isolering af lederne er nødvendig, først efter at de er forbundet til kompressoren. Efter at have afsluttet installationen skal du kontrollere spændingen med et multimeter. Hvis elementerne ikke fungerer (for eksempel en kortslutning), vil termostaten fungere.

Andre anvendelser af termoelektriske moduler

Peltier-moduleffekten bruges i dag, takket være fysikkens love. Elementernes overskudsenergi er altid nyttig, hvor der kræves en stille og hurtig varmeudveksling.

De vigtigste steder, hvor moduler bruges:

• Køling af mikroprocessorer.
• Forbrændingsmotorer producerer udstødningsgasser, som forskere er begyndt at bruge til at generere hjælpeenergi ved hjælp af termoelektriske moduler. Den energi, der opnås på denne måde, tilføres igen til motoren i form af elektricitet. Dette skaber brændstofbesparelser.
• I husholdningsapparater, der virker på opvarmning eller afkøling.

Kølekøleren kan blive til et varmelegeme, og køleskabet kan fungere som varmeskab, hvis polariteten vendes om jævnstrøm. Dette kaldes en reversibel effekt.

Dette princip bruges i recuperatorer. Den består af en kasse med to kamre. De er forbundet med hinanden af ​​en ventilator. Peltier-elementer opvarmer kold luft, der kommer udefra, ved hjælp af energi, der udvindes fra varm luft i rummet. Denne enhed sparer rumopvarmning.

Peltier-elementet er en speciel termoelektrisk konverter, der fungerer efter Peltier-princippet af samme navn - forekomsten af ​​en temperaturforskel under tilførsel af elektrisk strøm. På engelsk omtales det oftest som TEC, som betyder termoelektrisk køler.

Hvordan virker Peltier-elementet?

Driften af ​​et Peltier-element er baseret på kontakten mellem to ledende materialer, der har forskellige niveauer af elektronenergi i ledningsbåndet. Når der tilføres elektrisk strøm gennem en sådan forbindelse, elektron får høj energi, for derefter at bevæge sig til ledningsbåndet med højere energi i en anden halvleder. I det øjeblik, hvor denne energi absorberes, afkøles lederens køleområde. Hvis strømmen løber i den modsatte retning, fører dette til opvarmning af kontaktpunktet og til den sædvanlige termiske effekt.

Hvis der på den ene side er god varmeafledning, for eksempel ved brug af radiatorsystemer, så kan den kolde side give en meget lav temperatur, som vil være titusinder af grader lavere end temperaturen i omverdenen. Strømmens størrelse er proportional med graden af ​​afkøling. Hvis du ændrer polariteten af ​​den elektriske strøm, så skifter siderne (varme og kolde) simpelthen plads.

I kontakt med en metaloverflade bliver Peltier-elementet så lille, at det næsten er umuligt at bemærke på baggrund af ohmsk opvarmning og andre termiske ledningseffekter. Derfor bruges der i praksis to halvledere.

Antallet af termoelementer kan være meget forskelligt - fra 1 til 100, på grund af hvilket det er muligt at lave et Peltier-element med næsten enhver kølekapacitet.

Praktisk brug

I dag, Peltier elementer bruges aktivt til:

1. køleskabe;
2. klimaanlæg;
3. bilkølere;
4. vandkølere
5. PC-skærmkort;

Peltier-elementet er meget udbredt i forskellige kølesystemer, herunder køleskabe og klimaanlæg. Evnen til at nå meget lave temperaturer gør det til en fremragende køleløsning elektriske apparater eller teknisk udstyr udsat for varme. I dag bruger udviklere Peltier-elementer i akustiske og lydsystemer, hvor de fungerer som en almindelig køler. Fraværet af intense lyde gør køleprocessen næsten lydløs, hvilket er en fremragende fordel ved elementet.

I dag er denne teknologi meget populær på grund af dens meget kraftig varmeafledning. Derudover har moderne Peltier-elementer meget kompakte dimensioner, og deres radiatorer er i stand til at opretholde den ønskede temperatur i lang tid. En anden fordel ved Peltier-elementer er deres holdbarhed, fordi... de består af faste, stationære elementer, hvilket reducerer sandsynligheden for sammenbrud. Designet af den mest almindelige type ser meget simpelt ud og inkluderer to kobberledere med kontakter og forbindelsesledninger samt et isolerende element, som er lavet af rustfrit stål eller keramiske materialer.

I betragtning af designets enkelhed er det slet ikke svært at lave et Peltier-element med dine egne hænder derhjemme. Det kan bruges til køleskabe eller andre apparater. Før du starter arbejdet, skal du forberede to metalplader og ledninger med kontakter. Forbered i første omgang de ledere, der skal installeres i bunden af ​​elementet. Som regel anvendes ledere mærket "PP".

Det er også værd at tage sig af halvlederne ved udgangen på forhånd. De vil blive brugt til at overføre varme til toppladen. Brug en loddekolbe under installationen. På den sidste fase skal du forbinde to ledninger. Den første er installeret i bunden og fast fastgjort nær den yderste leder. Det er vigtigt at sikre, at enhver kontakt med pladen er elimineret.

Den anden leder er fastgjort i toppen. Den er fastgjort på samme måde som den første - til den yderste leder. For at kontrollere enhedens funktionalitet skal du bruge en tester. Tilslut blot to ledninger til enheden og kontroller spændingen. Spændingsafvigelsen vil være være et sted omkring 23 V.

Hvordan laver man Peltier-elementer til et køleskab?

Gør-det-selv Peltier-elementer til et køleskab er også nemme og hurtige at lave. Den første ting, du skal overveje før arbejdet, er pladens materiale. Det skal være slidstærkt keramik. Hvad angår konduktører, skal de være forberedte mindst 20 stk, som gør det muligt at opnå maksimal temperaturforskel. Med korrekt beregning kan effektiviteten øges med 70%.

Meget afhænger af styrken af ​​det anvendte udstyr. Hvis køleskabet fungerer på basis af flydende freon, vil der aldrig være problemer med strøm. Peltier-elementet, som er fremstillet i hånden, monteres direkte ved siden af ​​fordamperen, som monteres sammen med motoren. Til en sådan installation skal du have det mest standard sæt af værktøjer og pakninger. De vil blive anvendt på modelelementet fra startrelæet. Ved hjælp af sådan en beslutning Afkøling i den nederste del af enheden vil ske meget hurtigere.

Det er værd at huske, at før du laver et Peltier-element til køleskabet med dine egne hænder, skal du have en tilstrækkelig mængde elektriske ledere. For at opnå en forskel i temperaturer, når du udvikler et element med dine egne hænder, brug mindst 16 ledninger. Sørg for at give dem isolering af høj kvalitet og først derefter forbinde dem til kompressoren. Efter at have sikret dig, at forbindelsen mellem ledningerne er pålidelig og sikker, kan du fortsætte med at forbinde dem. Efter installationen er fuldført, skal du kontrollere grænsespændingsstyrken igen ved hjælp af en tester. Hvis funktionen af ​​elementet er blevet afbrudt, vil dette først påvirke termostaten. Nogle gange kortslutter det.

Ud over køleskabe bruges Peltier-elementer også aktivt i bilkølere. Lav en kvalitet bil køleskab At gøre det selv er også ret simpelt. For at gøre dette skal du finde en god keramisk plade med en tykkelse på mindst 1,1 millimeter. Ledninger skal være ikke-modulære. Som ledere er det bedst at bruge kobbertråde med båndbredde ikke mindre end 4 Ampere.

I denne henseende vil den maksimale temperaturafvigelse nå ti grader, hvilket anses for normalt. I hyppige tilfælde bruges ledere mærket "PR20", som har formået at adskille sig med maksimal pålidelighed og driftsstabilitet. Derudover er de velegnede til forskellige typer kontakter. Når du tilslutter en enhed til en kondensator, skal du bruge et loddekolbe.

Hvordan laver man et Peltier-element til en drikkevandskøler?

En drikkevandskøler er meget vigtig og påkrævet enhed, som køler eller opvarmer drikkevand rettidigt. Til fremskynde afkølingsprocessen, kan du anvende Peltier-elementet. Du kan lave det lige så enkelt som til et køleskab eller bilkøler:

• Som tallerken bør du udelukkende bruge en keramisk overflade.
• Enheden bruger mindst 12 ledere, der kan modstå høj modstand.
• For at forbinde skal du bruge to ledninger (helst kobber). Elementet er installeret i bunden af ​​køleren. Derudover kan det komme i kontakt med enhedens dæksel. Men for at forhindre mulige kortslutninger skal alle ledninger fastgøres til gitteret eller huset.

DIY Peltier element til klimaanlæg

Hvis vi taler om et Peltier-element til klimaanlæg, kan det kun laves af "PR12" -leder. Faktum er, at denne type leder godt kan modstå unormale temperaturer og er i stand til at levere op til 23V spænding. Modstanden skal svinge inden for 3 ohm. De maksimale temperaturforskelle vil nå op på 10 grader og effektiviteten vil være 65 procent. Der er brug for dirigenter stå på række.

Det er værd at bemærke, at Peltier-elementet kan tjene som en køler til en personlig computers videokort. For at lave en køler skal du tage 14 ledere, helst lavet af kobber. For at forbinde et Peltier-element til et pc-videokort skal du bruge en ikke-modulær leder. Selve enheden er monteret ved siden af ​​den indbyggede køler på videokortet. Du kan bruge små metalhjørner til fastgørelse og almindelige møtrikker til fastgørelse.

Hvis du bemærker intense lyde eller andre unaturlige lyde under drift, er det værd at kontrollere ledningernes funktionalitet og inspicere hver leder.

Halvleder Peltier køleskabe

Arbejde med moderne højtydende elektroniske komponenter, som danner grundlaget for computere, er ledsaget af betydelig varmeudvikling, især når de betjenes i tvungen overclocking-tilstande. Den effektive drift af sådanne komponenter kræver passende kølemidler for at sikre de nødvendige temperaturbetingelser for deres drift. Som regel er sådanne midler til at understøtte optimal temperaturforhold er kølere baseret på traditionelle radiatorer og blæsere.

Pålideligheden og ydeevnen af ​​sådanne værktøjer forbedres løbende gennem forbedringer i deres design, brugen af ​​de nyeste teknologier og brugen af ​​en række sensorer og kontroller i deres sammensætning. Dette gør det muligt at integrere sådanne værktøjer i computersystemer, der giver diagnostik og kontrol af deres drift for at opnå den største effektivitet og samtidig sikre optimale driftstemperaturforhold computer elementer, hvilket øger pålideligheden og forlænger perioden for deres problemfri drift.

Parametrene for traditionelle kølere bliver dog konstant forbedret, På det sidste Sådanne specifikke midler til afkøling af elektroniske elementer som halvleder-Peltier-køleskabe dukkede op på computermarkedet og blev hurtigt populære (selvom ordet køler ofte bruges, er det korrekte udtryk i tilfælde af Peltier-elementer køleskab).

Peltier-køleskabe, der indeholder specielle termoelektriske halvledermoduler, hvis funktion er baseret på Peltier-effekten, opdaget tilbage i 1834, er ekstremt lovende køleanordninger. Sådanne værktøjer er blevet brugt med succes i mange år inden for forskellige områder af videnskab og teknologi.

I tresserne og halvfjerdserne gjorde den indenlandske industri gentagne forsøg på at producere små køleskabe til husholdningsbrug, hvis drift var baseret på Peltier-effekten. Imidlertid er ufuldkommenheden af ​​eksisterende teknologier, lave effektivitetsværdier og høje priser I de dage måtte sådanne enheder ikke forlade forskningslaboratorier og testbænke.

Men Peltier-effekten og termoelektriske moduler er ikke forbeholdt videnskabsmænd alene. I processen med at forbedre teknologien er mange negative fænomener blevet væsentligt afbødet. Disse bestræbelser har resulteret i yderst effektive og pålidelige halvledermoduler.

I de sidste år Disse moduler, hvis drift er baseret på Peltier-effekten, begyndte at blive brugt aktivt til afkøling af en række elektroniske komponenter i computere. Især begyndte de at blive brugt til at afkøle moderne kraftfulde processorer, hvis drift er ledsaget af et højt niveau af varmeudvikling.

På grund af deres unikke termiske og operationelle egenskaber giver enheder skabt på basis af termoelektriske moduler - Peltier-moduler - dig mulighed for at opnå det nødvendige niveau af køling af computerelementer uden særlige tekniske vanskeligheder og finansielle omkostninger. Som kølere til elektroniske komponenter er disse midler til at opretholde de nødvendige temperaturforhold for deres drift yderst lovende. De er kompakte, bekvemme, pålidelige og har meget høj driftseffektivitet.

Halvlederkøleskabe er af særlig interesse som et middel til at levere intensiv afkøling computersystemer, hvis elementer er installeret og betjenes i alvorlige forcerede tilstande. Brugen af ​​sådanne overclocking-tilstande giver ofte en betydelig stigning i ydeevnen af ​​de anvendte elektroniske komponenter og følgelig som regel hele computersystemet. Driften af ​​computerkomponenter i sådanne tilstande er imidlertid kendetegnet ved betydelig varmeudvikling og er ofte på grænsen af ​​computerarkitekturers muligheder såvel som eksisterende og brugte mikroelektroniske teknologier. Sådanne computerkomponenter, hvis drift er ledsaget af høj varmeudvikling, er ikke kun højtydende processorer, men også elementer af moderne højtydende videoadaptere og i nogle tilfælde hukommelsesmodulchips. Sådanne kraftfulde elementer kræver intensiv afkøling for deres korrekte drift, selv i normale tilstande og endnu mere i overclocking-tilstande.

Peltier moduler

Peltier-køleskabe bruger et konventionelt, såkaldt termoelektrisk køleskab, hvis drift er baseret på Peltier-effekten. Denne effekt er opkaldt efter den franske urmager Peltier (1785-1845), som gjorde sin opdagelse for mere end halvandet århundrede siden - i 1834.

Peltier selv forstod ikke helt essensen af ​​det fænomen, han opdagede. Den sande betydning af fænomenet blev fastslået et par år senere i 1838 af Lenz (1804-1865).

Lenz placerede en dråbe vand i fordybningen ved krydset mellem to stænger af vismut og antimon. Når en elektrisk strøm blev ført i én retning, frøs en dråbe vand. Når der føres strøm igennem modsatte retning den resulterende is smeltede. Således blev det fastslået, at når en elektrisk strøm passerer gennem kontakten mellem to ledere, afhængigt af retningen af ​​sidstnævnte, ud over Joule-varme, frigives eller absorberes yderligere varme, som kaldes Peltier-varme. Dette fænomen kaldes Peltier-fænomenet (Peltier-effekten). Det er således det omvendte af Seebeck-fænomenet.

Hvis der i et lukket kredsløb bestående af flere metaller eller halvledere er temperaturerne i kontaktpunkterne for metallerne eller halvlederne forskellige, så opstår der en elektrisk strøm i kredsløbet. Dette fænomen med termoelektrisk strøm blev opdaget i 1821 af den tyske fysiker Seebeck (1770-1831).

I modsætning til Joule-Lenz-varmen, som er proportional med kvadratet af strømstyrken (Q=R·I·I·t), er Peltier-varmen proportional med den første potens af strømstyrken og skifter fortegn, når retningen af sidstnævnte ændringer. Peltier varme, som vist ved eksperimentelle undersøgelser, kan udtrykkes med formlen:

Qп = П ·q

hvor q er mængden af ​​passeret elektricitet (q=I·t), P er den såkaldte Peltier-koefficient, hvis værdi afhænger af arten af ​​kontaktmaterialerne og deres temperatur.

Peltier varme Qп betragtes som positiv, hvis den frigives, og negativ, hvis den absorberes.

Ris. 1. Skema for forsøget til måling af Peltier varme, Cu - kobber, Bi - vismut.

I det præsenterede diagram af eksperimentet med at måle Peltier-varme, med samme modstand af ledningerne R (Cu+Bi) sænket ned i kalorimetrene, vil den samme Joule-varme blive frigivet i hvert kalorimeter, nemlig ifølge Q=R·I· Det. Peltier-varme vil tværtimod være positiv i den ene kalorimeter og negativ i den anden. I overensstemmelse med dette skema er det muligt at måle Peltier-varme og beregne værdierne af Peltier-koefficienterne for forskellige lederpar.

Det skal bemærkes, at Peltier-koefficienten er væsentligt afhængig af temperaturen. Nogle værdier af Peltier-koefficienten for forskellige par af metaller er vist i tabellen.

Peltier-koefficient, hvilket er vigtigt tekniske egenskaber materialer måles som regel ikke, men beregnes gennem Thomson-koefficienten:

P = et T

hvor P er Peltier-koefficienten, a er Thomson-koefficienten, T er den absolutte temperatur.

Opdagelsen af ​​Peltier-effekten havde stor indflydelse på den efterfølgende udvikling af fysikken, og efterfølgende forskellige teknologiområder.

Så essensen af ​​den åbne effekt er som følger: når en elektrisk strøm passerer gennem kontakten mellem to ledere lavet af diverse materialer afhængigt af dens retning, udover Joule-varme, frigives eller absorberes yderligere varme, som kaldes Peltier-varme. Graden af ​​manifestation af denne effekt afhænger i høj grad af materialerne i de valgte ledere og de anvendte elektriske tilstande.

Den klassiske teori forklarer Peltier-fænomenet ved, at elektroner, der overføres af strøm fra et metal til et andet, accelereres eller decelereres af den interne kontaktpotentialeforskel mellem metallerne. I det første tilfælde øges elektronernes kinetiske energi og frigives derefter som varme. I det andet tilfælde falder elektronernes kinetiske energi, og dette tab af energi genopbygges på grund af termiske vibrationer af den anden leders atomer. Som følge heraf opstår afkøling. En mere komplet teori tager ikke højde for ændringen i potentiel energi, når en elektron overføres fra et metal til et andet, men ændringen i den samlede energi.

Peltier-effekten observeres stærkest, når der anvendes p- og n-type halvledere. Afhængigt af retningen af ​​den elektriske strøm gennem kontakten af ​​halvledere af forskellige typer - p-n- og n-p-forbindelser, på grund af interaktionen af ​​ladninger repræsenteret af elektroner (n) og huller (p), og deres rekombination, absorberes energi enten eller frigivet. Som et resultat af disse interaktioner og de genererede energiprocesser absorberes eller frigives varme enten. Brugen af ​​p- og n-type halvledere i termoelektriske køleskabe er illustreret i fig. 2.

Ris. 2. Anvendelse af p- og n-type halvledere i termoelektriske køleskabe.

Kombination af et stort antal par af p- og n-type halvledere gør det muligt at skabe køleelementer - Peltier-moduler med relativt høj effekt. Strukturen af ​​et halvleder termoelektrisk Peltier-modul er vist i fig. 3.

Ris. 3. Peltier-modulets opbygning

Peltier-modulet er et termoelektrisk køleskab bestående af p- og n-type halvledere forbundet i serie og danner p-n- og n-p-forbindelser. Hver af disse samlinger har termisk kontakt med en af ​​de to radiatorer. Som et resultat af passagen af ​​en elektrisk strøm af en vis polaritet dannes en temperaturforskel mellem Peltier-modulets radiatorer: en radiator fungerer som et køleskab, den anden radiator opvarmes og tjener til at fjerne varme. I fig. Figur 4 viser udseendet af et typisk Peltier-modul.

Ris. 4. Udseende Peltier modul

Et typisk modul giver en signifikant temperaturforskel på flere titusgrader. Med passende tvungen køling varmeradiator, den anden radiator er et køleskab, som giver dig mulighed for at nå negative temperaturer. For at øge temperaturforskellen er det muligt at kaskadekoble Peltier termoelektriske moduler samtidig med at der sikres tilstrækkelig køling. Dette gør det muligt ved relativt enkle midler at opnå en betydelig temperaturforskel og sikre effektiv afkøling af de beskyttede elementer. I fig. Figur 5 viser et eksempel på kaskadeforbindelse af standard Peltier-moduler.

Ris. 5. Eksempel på kaskadeforbindelse af Peltier-moduler

Køleapparater baseret på Peltier-moduler kaldes ofte aktive Peltier-køleskabe eller blot Peltier-kølere.

Brugen af ​​Peltier-moduler i aktive kølere gør dem væsentligt mere effektive sammenlignet med standardtyper af kølere baseret på traditionelle radiatorer og blæsere. I processen med at designe og bruge kølere med Peltier-moduler er det imidlertid nødvendigt at tage højde for en række specifikke funktioner, der opstår fra design af modulerne, deres driftsprincip, arkitekturen af ​​moderne computerhardware og funktionalitet system og applikationssoftware.

Stor betydning spiller kraften fra Peltier-modulet, som som regel afhænger af dets størrelse. Laveffektmodulet giver ikke påkrævet niveau køling, hvilket kan føre til fejlfunktion af det beskyttede elektroniske element, for eksempel en processor på grund af dens overophedning. Brug af moduler med for meget effekt kan dog medføre, at temperaturen på køleradiatoren falder til niveauet for fugtkondensering fra luften, hvilket er farligt for elektroniske kredsløb. Dette skyldes, at vand, der kontinuerligt produceres gennem kondens, kan forårsage kortslutninger i computerens elektroniske kredsløb. Det er her på sin plads at huske, at afstanden mellem strømførende ledere på moderne printkort ofte er brøkdele af millimeter. Men på trods af alt var det de kraftige Peltier-moduler som en del af højtydende kølere og de tilsvarende ekstra køle- og ventilationssystemer, der gjorde det muligt for KryoTech og AMD at overclocke i fælles forskning. AMD processorer, lavet af traditionel teknologi, op til en frekvens på mere end 1 GHz, det vil sige at øge deres driftsfrekvens med næsten 2 gange sammenlignet med deres normale driftstilstand. Og det skal understreges, at dette niveau af ydeevne blev opnået, samtidig med at den nødvendige stabilitet og pålidelighed af processordrift i forcerede tilstande blev sikret. Nå, resultatet af en sådan ekstrem overclocking var en præstationsrekord blandt processorer med 80x86 arkitektur og instruktionssystem. Og virksomheden KryoTech har tjent gode penge ved at tilbyde sine køleaggregater på markedet. Udstyret med passende elektroniske komponenter viste de sig at være efterspurgte som platforme for højtydende servere og arbejdsstationer. Og AMD modtog bekræftelse af det høje niveau af sine produkter og rige eksperimentelle materiale til yderligere at forbedre arkitekturen af ​​sine processorer. Forresten blev lignende undersøgelser udført med processorer Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, som et resultat af hvilke en betydelig stigning i ydeevnen også blev opnået.

Det skal bemærkes, at Peltier-moduler udsender en relativt stor mængde varme under deres drift. Af denne grund bør du ikke kun bruge en kraftig blæser som en del af køleren, men også foranstaltninger til at reducere temperaturen inde i computerkabinettet for at forhindre overophedning af andre computerkomponenter. Til dette er det tilrådeligt at bruge ekstra fans i udformningen af ​​computerkabinettet for at sikre bedre varmeudveksling med miljø uden for sagen.

I fig. Figur 6 viser udseendet af en aktiv køler, som bruger et Peltier-halvledermodul.

Ris. 6. Udseende af en køler med et Peltier-modul

Det skal bemærkes, at kølesystemer baseret på Peltier-moduler ikke kun bruges i elektroniske systemer, såsom computere. Sådanne moduler bruges til at køle forskellige højpræcisionsenheder. Peltier-moduler er af stor betydning for videnskaben. Først og fremmest gælder dette eksperimentel forskning udført i fysik, kemi og biologi.

Oplysninger om Peltier-moduler og køleskabe samt funktioner og resultater af deres brug kan findes på internetsider, for eksempel på følgende adresser:

Funktioner af drift

Peltier-moduler, der bruges som komponenter til afkøling af elektroniske komponenter, er kendetegnet ved relativt høj pålidelighed, og i modsætning til køleskabe skabt ved hjælp af traditionel teknologi, har de ingen bevægelige dele. Og som nævnt ovenfor, for at øge effektiviteten af ​​deres drift, tillader de kaskadebrug, hvilket gør det muligt at bringe temperaturen på de beskyttede elektroniske elementers huse til negative værdier, selv med deres betydelige dissipationskraft.

Dog bortset fra åbenlyse fordele, Peltier-moduler har også en række specifikke egenskaber og egenskaber, der skal tages i betragtning, når de bruges som en del af kølemidler. Nogle af dem er allerede blevet noteret, men for korrekt anvendelse af Peltier-moduler kræver de mere detaljeret overvejelse. De vigtigste egenskaber omfatter følgende betjeningsfunktioner:

• Peltier-moduler, som genererer en stor mængde varme under deres drift, kræver tilstedeværelsen af ​​passende radiatorer og ventilatorer i køleren, som effektivt kan fjerne overskydende varme fra kølemodulerne. Det skal bemærkes, at termoelektriske moduler er kendetegnet ved en relativt lav ydeevnekoefficient (effektivitet), og når de udfører funktionerne i en varmepumpe, er de selv kraftige varmekilder. Brugen af ​​disse moduler som en del af kølemidler til computer elektroniske komponenter forårsager en betydelig stigning i temperaturen inde i systemetheden, hvilket ofte kræver yderligere foranstaltninger og midler til at reducere temperaturen inde i computerenheden. Ellers skaber den øgede temperatur inde i kabinettet operationelle vanskeligheder ikke kun for de beskyttede elementer og deres kølesystemer, men også for resten af ​​computerens komponenter. Det skal også understreges, at Peltier-moduler er en relativt kraftig ekstra belastning for strømforsyningen. Under hensyntagen til strømforbruget af Peltier-moduler skal strømforsyningen til computeren være mindst 250 W. Alt dette fører til, at det er tilrådeligt at vælge ATX-bundkort og etuier med strømforsyninger med tilstrækkelig strøm. Brugen af ​​dette design gør det lettere for computerkomponenter at organisere optimale termiske og elektriske forhold. Det skal bemærkes, at der er Peltier-køleskabe med egen strømforsyning.
• Peltier-modulet isolerer i tilfælde af fejl det afkølede element fra kølerkøleren. Dette fører til meget hurtige forstyrrelser termisk regime beskyttet element og dets hurtige fejl fra efterfølgende overophedning.
• Lave temperaturer, der opstår under driften af ​​Peltier-køleskabe med overskydende effekt, bidrager til kondensering af fugt fra luften. Dette udgør en risiko for elektroniske komponenter, da kondens kan forårsage kortslutninger mellem komponenter. For at eliminere denne fare anbefales det at bruge Peltier-køleskabe med optimal effekt. Om der opstår kondens eller ej, afhænger af flere parametre. De vigtigste er: omgivende temperatur (i dette tilfælde lufttemperaturen inde i kabinettet), temperaturen på det afkølede objekt og luftfugtighed. Jo varmere luften er inde i kabinettet og jo højere luftfugtighed, jo mere sandsynligt vil der opstå fugtkondensering og efterfølgende svigt af computerens elektroniske komponenter. Nedenfor er en tabel, der illustrerer afhængigheden af ​​temperaturen af ​​kondensvand på en afkølet genstand afhængigt af fugtighed og omgivelsestemperatur. Ved hjælp af denne tabel kan du nemt afgøre, om der er risiko for kondens eller ej. For eksempel, hvis den udvendige temperatur er 25°C og luftfugtigheden er 65%, så opstår der fugtkondensering på den afkølede genstand, når dens overfladetemperatur er under 18°C.

Fugt kondenseringstemperatur

Ud over disse funktioner er det nødvendigt at tage højde for en række specifikke forhold relateret til brugen af ​​Peltier termoelektriske moduler som en del af kølere, der bruges til at køle højtydende centrale behandlingsenheder kraftfulde computere.

Arkitekturen af ​​moderne processorer og nogle system programmer sørge for ændringer i energiforbruget afhængigt af belastningen af ​​processorer. Dette giver dig mulighed for at optimere deres energiforbrug. Dette er i øvrigt også tilvejebragt af energibesparende standarder, understøttet af visse funktioner indbygget i hardware og software på moderne computere. Under normale forhold har optimering af driften af ​​processoren og dens strømforbrug en gavnlig effekt på både selve processorens termiske regime og den overordnede termiske balance. Det skal dog bemærkes, at tilstande med periodiske ændringer i strømforbruget muligvis ikke er kompatible med kølemidler til processorer, der bruger Peltier-moduler. Dette skyldes, at eksisterende Peltier-køleskabe generelt er designet til kontinuerlig drift. I denne henseende anbefales de enkleste Peltier-køleskabe, der ikke har kontrolmidler, ikke til brug sammen med køleprogrammer, såsom for eksempel CpuIdle, samt med betjening Windows-systemer NT/2000 eller Linux.

Hvis processoren skifter til en tilstand med reduceret strømforbrug og følgelig varmeafledning, er et betydeligt fald i temperaturen på processorhuset og krystal mulig. Overkøling af processorkernen kan i nogle tilfælde forårsage et midlertidigt standsning af dens drift og som følge heraf en permanent fastfrysning af computeren. Det skal erindres, at i overensstemmelse med Intel-dokumentation, minimumstemperaturen, ved hvilken korrekt arbejde seriel Pentium processorer II og Pentium III, er normalt +5 °C, selvom de, som praksis viser, fungerer fremragende ved lavere temperaturer.

Nogle problemer kan også opstå som følge af betjeningen af ​​en række indbyggede funktioner, for eksempel dem, der styrer køleventilatorer. Især processorstrømstyringstilstande i nogle computersystemer involverer ændring af hastigheden på køleventilatorer gennem bundkortets indbyggede hardware. Under normale forhold forbedrer dette væsentligt computerprocessorens termiske ydeevne. Men i tilfælde af brug af de enkleste Peltier-køleskabe kan et fald i rotationshastigheden føre til en forringelse af det termiske regime med et fatalt resultat for processoren på grund af dens overophedning af det fungerende Peltier-modul, som ud over at udføre funktionerne i en varmepumpe, er en kraftig kilde til ekstra varme.

Det skal bemærkes, at som i tilfældet med computerens centrale processorer, kan Peltier-køleskabe være et godt alternativ til traditionelle metoder til afkøling af videochipsæt, der bruges i moderne højtydende videoadaptere. Driften af ​​sådanne videochipsæt er ledsaget af betydelig varmeudvikling og er normalt ikke genstand for pludselige ændringer i deres driftstilstande.

For at eliminere problemer med variable strømforbrugstilstande, der forårsager fugtkondensering fra luften og mulig hypotermi, og i nogle tilfælde endda overophedning af beskyttede elementer såsom computerprocessorer, bør du undgå at bruge sådanne tilstande og en række indbyggede funktioner. Som et alternativ kan der dog anvendes kølesystemer, der giver intelligent styring til Peltier-køleskabe. Sådanne værktøjer kan styre ikke kun driften af ​​ventilatorer, men også ændre driftstilstandene for de termoelektriske moduler selv, der bruges som en del af aktive kølere.

Der har været rapporter om eksperimenter med indlejring af miniature Peltier-moduler direkte i processorchips for at afkøle deres mest kritiske strukturer. Denne beslutning bidrager bedre køling ved at reducere termisk modstand og kan øge processorernes driftsfrekvens og ydeevne betydeligt.

Arbejdet med at forbedre systemer til at sikre optimale temperaturforhold for elektroniske elementer udføres af mange forskningslaboratorier. Og kølesystemer, der bruger Peltier termoelektriske moduler, betragtes som yderst lovende.

Eksempler på Peltier køleskabe

Relativt for nylig dukkede indenlandsk producerede Peltier-moduler op på computermarkedet. Disse er enkle, pålidelige og relativt billige ($7-$15) enheder. Der medfølger typisk ikke en køleventilator. Ikke desto mindre giver sådanne moduler dig ikke kun mulighed for at blive bekendt med lovende kølemidler, men også at bruge dem til deres tilsigtede formål i beskyttelsessystemer til computerkomponenter. Her er korte parametre for en af ​​prøverne.

Modulstørrelse (fig. 7) - 40x40 mm, maksimal strøm - 6 A, maksimal spænding - 15 V, strømforbrug - op til 85 W, temperaturforskel - mere end 60 °C. Ved at levere en kraftig blæser er modulet i stand til at beskytte processoren med en effekttab på op til 40 W.

Ris. 7. Udseende af køleskab PAP2X3B

Der er både mindre og mere kraftfulde muligheder på markedet hjemlige moduler Peltier.

Udvalget af udenlandske enheder er meget bredere. Nedenfor ses eksempler på køleskabe, hvor Peltier termoelektriske moduler er designet.

Aktive Peltier køleskabe fra Computernerd

PAX56B-køleskabet er designet til at køle Pentium- og Pentium-MMX-processorer fra Intel, Cyrix og AMD, der arbejder ved frekvenser op til 200 MHz. Et termoelektrisk modul, der måler 30x30 mm, gør det muligt for køleskabet at holde en processortemperatur under 63 °C med en effekttab på 25 W og ekstern temperatur lig med 25 °C. På grund af det faktum, at de fleste processorer spreder mindre strøm, giver denne køler dig mulighed for at holde processortemperaturen meget lavere end mange alternative kølere baseret på radiatorer og blæsere. PAX56B køleskabets Peltier-modul er drevet af en 5V-kilde, der er i stand til at levere maksimalt 1,5A. Blæseren til dette køleskab kræver en spænding på 12 V og en strøm på 0,1 A (maksimalt). PAX56B køleskabsventilatorparametre: kugleleje, 47,5 mm, 65000 timer, 26 dB. Den samlede størrelse af dette køleskab er 25x25x28,7 mm. Cirka pris køleskab PAX56B er $35. Den angivne pris er angivet i overensstemmelse med selskabets prisliste medio 2000.

PA6EXB-køleskabet er designet til at køle mere kraftfulde Pentium-MMX-processorer, der spreder strøm op til 40 W. Dette køleskab er velegnet til alle processorer fra Intel, Cyrix og AMD, tilsluttet via Socket 5 eller Socket 7. Peltier termoelektriske modul, der er inkluderet i PA6EXB køleskabet, har en størrelse på 40x40 mm og forbruger en maksimal strøm på 8 A (normalt 3 A) ved en spænding på 5 B med tilslutning via et standard computerstrømstik. Den samlede størrelse af PA6EXB-køleskabet er 60x60x52,5 mm. Ved installation af dette køleskab er det for en god varmeudveksling mellem radiatoren og omgivelserne nødvendigt at sørge for et åbent rum omkring køleskabet på mindst 10 mm i toppen og 2,5 mm i siderne. PA6EXB-køleskabet giver en processortemperatur på 62,7 °C med en effekttab på 40 W og en ekstern temperatur på 45 °C. I betragtning af driftsprincippet for det termoelektriske modul, der er inkluderet i dette køleskab, for at undgå fugtkondensering og kortslutning Du bør undgå at bruge programmer, der sætter processoren i dvaletilstand for lang tid. Den omtrentlige pris på et sådant køleskab er $65. Den angivne pris er angivet i overensstemmelse med selskabets prisliste medio 2000.

DT-P54A køleskabet (også kendt som Computernerd's PA5B) er designet til Pentium-processorer. Men nogle virksomheder, der tilbyder disse køleskabe på markedet, anbefaler det også til Cyrix/IBM 6x86- og AMD K6-brugere. Den medfølgende radiator i køleskabet er ret lille. Dens dimensioner er 29x29 mm. Køleskabet har en indbygget temperatursensor, der giver dig besked om overophedning, hvis det er nødvendigt. Det styrer også Peltier-elementet. Sættet inkluderer en ekstern overvågningsenhed. Det udfører funktionerne til at overvåge spændingen og driften af ​​selve Peltier-elementet, driften af ​​ventilatoren samt processorens temperatur. Enheden vil generere en alarm, hvis Peltier-elementet eller blæseren svigter, hvis blæseren roterer med mindre end 70 % af den påkrævede hastighed (4500 RPM), eller hvis processortemperaturen stiger til over 145 °F (63 °C). Hvis processortemperaturen stiger til over 100°F (38°C), tændes Peltier-elementet automatisk, ellers er det i nedlukningstilstand. Sidstnævnte funktion eliminerer problemer forbundet med fugtkondensering. Desværre er selve elementet limet til radiatoren så tæt, at det er umuligt at adskille det uden at ødelægge dets struktur. Dette gør det umuligt at installere det på en anden, kraftigere radiator. Hvad angår blæseren, er dens design kendetegnet ved et højt niveau af pålidelighed, og det har høje parametre: forsyningsspænding - 12 V, rotationshastighed - 4500 RPM, luftforsyningshastighed - 6,0 CFM, strømforbrug - 1 W, støjegenskaber- 30 dB. Dette køleskab er ret effektivt og nyttigt til overclocking. Men i nogle tilfælde af overclocking af en processor, skal du blot bruge en stor radiator og en god køler. Dette køleskab er prissat mellem $39 og $49. Den angivne pris er angivet i overensstemmelse med flere virksomheders prisliste medio 2000.

AC-P2-køleskabet er designet til Pentium II-processorer. Sættet indeholder en 60 mm køler, en radiator og et 40 mm Peltier-element. Den er ikke egnet til Pentium II-processorer 400 MHz og højere, da SRAM-hukommelseschips praktisk talt ikke er afkølet. Den anslåede pris for midten af ​​2000 er $59.

Køleskab PAP2X3B (fig. 8) ligner AOC AC-P2. Den tilføjer to 60 mm kølere. Problemer med afkøling af SRAM-hukommelse forbliver uløste. Det er værd at bemærke, at køleskabet ikke anbefales at blive brugt i forbindelse med køleprogrammer, som f.eks. CpuIdle, eller under operativsystemer Windows NT eller Linux, da fugt kan kondensere på processoren. Den anslåede pris for midten af ​​2000 er $79.

Ris. 8. Udseende af køleskab PAP2X3B

STEP-UP-53X2 køleskabet er udstyret med to blæsere, der pumper en stor mængde luft gennem radiatoren. Anslået pris for midten af ​​2000: $79 (Pentium II), $69 (Celeron).

Bcool-seriens køleskabe fra Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) er designet til Pentium II og Celeron processorer og har lignende egenskaber, der præsenteres i følgende tabel.

BCool serie køleskabe

Det skal bemærkes, at BCool-gruppen af ​​køleskabe også vil omfatte enheder, der har lignende egenskaber, men ikke har Peltier-elementer. Sådanne køleskabe er naturligvis billigere, men også mindre effektive som et middel til at afkøle computerkomponenter.

Ved udarbejdelsen af ​​denne artikel blev der brugt materialer fra bogen "PC: Settings, Optimization and Overclocking". 2. udg., revideret. og yderligere, - St. Petersborg: BHV - Petersborg. 2000. - 336 s.