Frigider cu semiconductor bazat pe efectul Peltier. Pentru ce sunt elementele Peltier? Elemente Peltier: principiu de funcționare, caracteristici, aplicare

Convertorul termic (modul Peltier) funcționează după principiul opus acțiunii unui termocuplu - apariția unei diferențe de temperatură atunci când curge un curent electric.

Cum funcționează elementul Peltier?

Este destul de simplu să utilizați modulul Peltier, al cărui principiu de funcționare este să elibereze sau să absoarbă căldură în momentul contactului diferitelor materiale atunci când fluxul de energie al electronilor trece prin acesta înainte și după contact este diferit. Daca este mai putin la iesire inseamna ca acolo se genereaza caldura. Când electronii în contact sunt decelerati de un câmp electric, ei transferă energie cinetică rețelei cristaline, încălzind-o. Dacă sunt accelerate, căldura este absorbită. Acest lucru se datorează faptului că o parte din energie este preluată din rețeaua cristalină și este răcită.

În mare măsură, acest fenomen este inerent semiconductorilor, ceea ce se explică prin diferența mare de sarcini.

Modulul Peltier, a cărui aplicare este subiectul revizuirii noastre, este utilizat pentru a crea dispozitive de răcire termoelectrice (TEM). Cel mai simplu dintre acestea constă din doi semiconductori de tip p și n conectați în serie prin contacte de cupru.

Dacă electronii se deplasează de la semiconductorul „p” la „n”, la prima joncțiune cu o punte metalică, se recombină cu eliberarea de energie. Următoarea tranziție de la semiconductorul „p” la conductorul de cupru este însoțită de „tragerea” electronilor prin contactul cu un câmp electric. Acest proces absoarbe energie și răcește zona din jurul contactului. Procesele au loc în același mod la următoarele tranziții.

Când contactele încălzite și răcite sunt amplasate în planuri paralele diferite, se va obține o implementare practică a metodei. Semiconductorii sunt fabricați din seleniu, bismut, antimoniu sau teluriu. Modulul Peltier găzduiește un număr mare de termocupluri plasate între plăci ceramice cu nitrură sau alumină.

Factori care afectează eficiența TEM

• Puterea curentului.
• Numărul de termocupluri (până la câteva sute).
• Tipuri de semiconductori.
• Rata de racire.

Nu a fost încă posibil să se obțină valori mari din cauza eficienței scăzute (5-8%) și a costului ridicat. Pentru ca TEM să funcționeze cu succes, este necesar să se asigure o îndepărtare eficientă a căldurii din partea încălzită. Acest lucru creează dificultăți în implementarea practică a metodei. Dacă inversați polaritatea, părțile reci și cele fierbinți se inversează una cu cealaltă.

Avantajele și dezavantajele modulelor

Necesitatea TEM a apărut odată cu apariția dispozitivelor electronice care necesită sisteme de răcire în miniatură. Avantajele modulelor sunt următoarele:

• compactitate;
• lipsa articulațiilor mobile;
• Principiul de funcționare al modulului Peltier este reversibil cu schimbarea polarității;
• conexiuni ușoare în cascadă pentru putere sporită.

Principalul dezavantaj al modulului este eficiența sa scăzută. Acest lucru se manifestă printr-un consum mare de energie, obținând în același timp efectul de răcire necesar. În plus, are un cost ridicat.

Aplicație TEM

Modulul Peltier este utilizat în principal pentru răcirea microcircuitelor și a pieselor mici. Fundația a fost pusă pentru elementele de răcire ale echipamentelor militare:

• microcircuite;
• detectoare cu infraroșu;
• elemente laser;
• generatoare de cuarț.

Modulul termoelectric Peltier a început treptat să fie utilizat în aparatele de uz casnic: pentru a crea frigidere, aparate de aer condiționat, generatoare și termostate. Scopul său principal este de a răci obiectele mici.

Răcire CPU

Componentele principale ale computerelor sunt în mod constant îmbunătățite, ceea ce duce la o creștere a generării de căldură. Împreună cu acestea se dezvoltă sisteme de răcire folosind tehnologii inovatoare, cu mijloace moderne de control. Modulul Peltier și-a găsit aplicație în acest domeniu în primul rând în microcircuite de răcire și alte componente radio. Coolerele tradiționale nu pot face față modurilor de overclocking forțat ale microprocesoarelor. Iar creșterea frecvenței procesoarelor face posibilă creșterea performanței acestora.

Creșterea vitezei ventilatorului are ca rezultat mult zgomot. Este eliminat prin utilizarea unui modul Peltier într-un sistem combinat de răcire. În acest fel, companiile de vârf au stăpânit rapid producția de sisteme de răcire eficiente, care erau la mare căutare.

Căldura de la procesoare este de obicei îndepărtată de răcitoare. Fluxul de aer poate fi aspirat din exterior sau să provină din interiorul unității de sistem. Problema principală este că temperatura aerului este uneori insuficientă pentru îndepărtarea căldurii. Prin urmare, TEM a început să fie utilizat pentru a răci fluxul de aer care intră în unitatea de sistem, crescând astfel eficiența schimbului de căldură. Astfel, aparatul de aer condiționat încorporat este un asistent al sistemului tradițional de răcire a computerului.

Radiatoarele din aluminiu sunt montate pe ambele părți ale modulului. Din partea laterală a plăcii rece, aerul este pompat pentru răcire către procesor. După ce preia căldura, un alt ventilator o suflă prin radiatorul de pe placa de încălzire a modulului.

TEM modern este controlat de un dispozitiv electronic cu senzor de temperatură, unde gradul de răcire este proporțional cu încălzirea procesorului.

Activarea răcirii procesoarelor creează și unele probleme.

1. Modulele simple de răcire Peltier sunt proiectate pentru funcționare continuă. Consumul mai mic de energie reduce, de asemenea, generarea de căldură, ceea ce poate provoca suprarăcirea matriței și înghețarea ulterioară a procesorului.
2. Dacă funcționarea frigiderului și a frigiderului nu este coordonată corespunzător, acesta din urmă poate intra în modul de încălzire în loc de răcire. Căldura suplimentară va cauza supraîncălzirea procesorului.

Astfel, procesoarele moderne necesită tehnologii avansate de răcire cu control asupra funcționării modulelor în sine. Astfel de modificări ale modurilor de funcționare nu apar cu plăcile video, care necesită și răcire intensivă. Prin urmare, TEM este ideal pentru ei.

Frigider auto DIY

La mijlocul secolului trecut, industria autohtonă a încercat să stăpânească producția de frigidere de dimensiuni mici pe baza efectului Peltier. Tehnologiile existente la acea vreme nu permiteau acest lucru. Acum prețul ridicat este principalul factor de descurajare, dar încercările continuă, iar succesul a fost deja obținut aici.

Producția largă de dispozitive termoelectrice vă permite să creați un frigider mic cu propriile mâini, convenabil pentru utilizare în mașini. Baza sa este un „sandwich”, care se face în felul următor.

1. Un strat de pastă termoconductoare de tip KPT-8 este aplicat pe radiatorul superior și un modul Peltier este lipit de o parte a suprafeței ceramice.
2. În mod similar, i se atașează un alt radiator din partea inferioară, conceput pentru a fi plasat în camera frigiderului.
3. Întregul dispozitiv este comprimat strâns și uscat în 4-5 ore.
4. Pe ambele calorifere sunt instalate răcitoare: cel de sus va elimina căldura, iar cel de jos va egaliza temperatura în camera frigiderului.

Corpul frigiderului este realizat cu o garnitură termoizolantă în interior. Este important să se închidă ermetic. Puteți folosi o cutie de instrumente obișnuită din plastic pentru aceasta.

Alimentarea de 12 V este furnizată de la sistemul vehiculului. Se poate face si de la o retea de 220 V AC, cu o sursa de alimentare. Circuitul de conversie AC-DC este cel mai simplu. Conține o punte redresoare și un condensator de netezire a ondulațiilor. În acest caz, este important ca la ieșire să nu depășească 5% din valoarea nominală, altfel eficiența dispozitivului scade. Modulul are două terminale din fire colorate. „Plus” este întotdeauna conectat la roșu, „minus” la negru.

Puterea TEM trebuie să corespundă volumului cutiei. Primele 3 cifre ale marcajului indică numărul de perechi de microelemente semiconductoare din interiorul modulului (49-127 și mai mult). exprimată prin ultimele două cifre ale marcajului (de la 3 la 15 A). Dacă puterea nu este suficientă, trebuie să lipiți un alt modul de calorifere.

Notă! Dacă curentul depășește puterea elementului, acesta se va încălzi pe ambele părți și se va eșua rapid.

Modul Peltier: generator de energie electrică

TEM poate fi folosit pentru a genera energie electrică. Pentru a face acest lucru, trebuie să creați o diferență de temperatură între plăci, iar termocuplurile situate între ele vor genera un curent electric.

Pentru utilizare practică, aveți nevoie de un TEM de cel puțin 5 V. Apoi va fi posibil să încărcați un telefon mobil cu ajutorul acestuia. Datorită eficienței scăzute a modulului Peltier, este necesar un convertor de creștere a tensiunii DC. Pentru a construi generatorul veți avea nevoie de:

• 2 module Peltier TES1-12705 cu dimensiunea plăcii de 40x40 mm;
• convertor EK-1674;
• plăci de aluminiu de 3 mm grosime;
• o oală pentru apă;
• adeziv rezistent la căldură.

Două module sunt plasate între plăci pe lipici, iar apoi întreaga structură este fixată pe fundul tigaii. Dacă îl umpleți cu apă și îl dați pe foc, obțineți diferența de temperatură necesară, care generează un EMF de aproximativ 1,5 V. Prin conectarea modulelor la un convertor step-up, puteți crește tensiunea la 5 V necesară încărcării. bateria telefonului.

Cu cât diferența de temperatură între apă și placa inferioară încălzită este mai mare, cu atât generatorul este mai eficient. Prin urmare, este necesar să se încerce să se reducă încălzirea apei în diferite moduri: să o facă să curgă, să o înlocuiască mai des cu apă proaspătă etc. Un mijloc eficient de creștere a diferenței de temperatură este pornirea în cascadă a modulelor. , când sunt suprapuse în straturi unul peste altul. Mărirea dimensiunilor totale ale dispozitivului permite plasarea mai multor elemente între plăci și, prin urmare, crește puterea totală.

Capacitatea generatorului va fi suficientă pentru încărcarea bateriilor mici, operarea lămpilor LED sau a unui receptor radio. Notă! Pentru a crea termogeneratoare, veți avea nevoie de module capabile să funcționeze la 300-400 0 С! Restul sunt potrivite doar pentru teste de probă.

Spre deosebire de alte mijloace alternative de generare a energiei electrice, acestea pot funcționa în timpul conducerii, dacă creați ceva ca un încălzitor catalitic.

Module Peltier domestice

TEM-urile de producție proprie au apărut pe piață nu cu mult timp în urmă. Sunt foarte fiabile și au performanțe bune. Modulul Peltier, care este la mare căutare, are dimensiuni de 40x40 mm. Este proiectat pentru un curent maxim de 6 A și tensiuni de până la 15 V.

Modulul Peltier intern poate fi cumpărat la un preț mic. La 85 W, creează o scădere de temperatură de 60 0 C. Împreună cu un cooler, este capabil să protejeze de supraîncălzire un procesor cu o putere disipată de 40 W.

Caracteristicile modulelor de la companii lider

Dispozitivele străine sunt prezentate pe piață într-o varietate mai mare. Pentru a proteja procesoarele companiilor lider, modulul Peltier este folosit ca frigider PAX56B, al cărui preț, complet cu ventilator, este de 35 USD.

Cu dimensiuni de 30x30 mm, menține o temperatură a procesorului nu mai mare de 63 0 С cu o putere alocată de 25 wați. O tensiune de 5 V este suficientă pentru alimentare, iar curentul nu depășește 1,5 A.

Modulul Peltier PA6EXB este foarte potrivit pentru răcirea procesorului, oferind condiții normale de temperatură cu o putere de disipare de 40 W. Suprafața modulului său este de 40x40 mm, iar consumul de curent este de până la 8 A. Pe lângă dimensiunile impresionante - 60x60x52,5 mm (împreună cu ventilatorul) - dispozitivul necesită spațiu liber în jurul acestuia. Prețul său este de 65 USD.

Când se utilizează un modul Peltier, caracteristicile sale tehnice trebuie să se potrivească cu nevoile dispozitivelor răcite. Este inacceptabil că au o temperatură prea scăzută. Acest lucru poate duce la condens de umezeală, care poate fi dăunătoare pentru electronică.

Modulele pentru fabricarea generatoarelor, cum ar fi se disting printr-o putere mai mare - 72 W și, respectiv, 108 W. Se disting prin marcajele lor, care sunt întotdeauna aplicate pe partea fierbinte. Temperatura maximă admisă a părții fierbinți este de 150-160 0 C. Cu cât diferența de temperatură dintre plăci este mai mare, cu atât tensiunea de ieșire este mai mare. Aparatul funcționează la o diferență de temperatură maximă de 600 0 С.

Puteți cumpăra un modul Peltier ieftin - aproximativ 10 USD sau mai puțin pe bucată, dacă căutați bine. Destul de des, vânzătorii umflă prețurile semnificativ, dar îl puteți găsi de câteva ori mai ieftin dacă îl cumpărați la reducere.

Concluzie

Efectul Peltier este utilizat în prezent în crearea de frigidere mici cerute de tehnologia modernă. Reversibilitatea procesului face posibilă fabricarea centralelor microelectrice, care sunt solicitate pentru încărcarea bateriilor de dispozitive electronice.

Spre deosebire de alte surse alternative de energie, acestea pot fi acționate în timpul mersului dacă este instalat un încălzitor catalitic.

Orice obiect poate fi încălzit. Poate fi un fier de lipit, un fierbător electric, un fier de călcat, un uscător de păr, diverse tipuri de încălzitoare etc. Dar ai auzit că te poți răci cu ajutorul unui curent electric? „Dar ce zici, de exemplu, de un frigider de uz casnic” – spui. Și vei greși. Într-un frigider de uz casnic, curentul electric are doar o funcție auxiliară: conduce freonul în cerc.

Dar există astfel de radioelemente care, atunci când li se aplică un curent electric, le generează rece? Se dovedește că există ;-). În 1834, fizicianul francez Jean Peltier a descoperit absorbția căldurii prin trecerea unui curent electric prin contactul a doi conductori diferiți. Sau, cu alte cuvinte, în acest loc era o temperatură scăzută... Ei bine, așa cum ar trebui să fie în fizică, pentru a nu veni cu un nou nume pentru acest efect, poartă numele celui care l-a descoperit. Ai descoperit ceva nou? Fii responsabil de bazar)). De atunci acest efect a fost numit Efectul Peltier.

Ei bine, destul de ciudat, de asemenea, elementul care produce frig se numește Element Peltier- aceasta este convertor termoelectric, al cărui principiu se bazează pe efectul Peltier - apariția unei diferențe de temperatură atunci când curge un curent electric. În literatura de limba engleză, elementele Peltier sunt notate TEC(din engleză. T hermo E electric C ooler - răcitor termoelectric).

Element Peltier (practica)

Poate arăta diferit, dar forma sa principală este o platformă dreptunghiulară sau pătrată cu două fire. A marcat imediat partea „A” și partea „B” pentru experimente ulterioare

De ce am marcat părțile laterale?

Crezi că dacă aplicăm prostesc tensiune acestui element, se va răci complet cu noi? Nu vreau să vă dezamăgesc, dar nu este așa... Încă o dată, citim cu atenție definiția elementului Peltier. Vedeți acolo expresia „diferență de temperatură”? Aia este. Aceasta înseamnă că o parte a noastră se va încălzi, iar altele se vor răci. Nu există nimic perfect în lumea noastră.

Pentru a determina temperatura fiecărei părți a elementului Peltier o voi folosi pe cea care a venit cu termocuplul

Acum arată temperatura camerei. Da, mi-e cald ;-).

Pentru a determina care parte a elementului Peltier se încălzește și ce parte se răcește, pentru asta lipim plumbul roșu de plus, cel negru de minus și aplicăm puțină tensiune, doi sau trei volți. Am aflat că partea mea „A” se răcește, iar partea „B” se încălzește, simțindu-le cu mâna. Dacă amestecați polaritatea, nu se va întâmpla nimic rău. Doar că partea A se va încălzi, iar partea B se va răci, adică vor schimba rolurile.

Deci, tensiunea nominală (normală) pentru funcționarea elementului Peltier este de 12 volți. Din moment ce am conectat un plus la roșu și un minus la negru, partea mea B se încălzește. Să-i măsurăm temperatura. Aplicam o tensiune de 12 volti si ne uitam la citirile multimetrului:

77 de grade Celsius nu este o glumă. Această parte este atât de fierbinte încât când o atingi, îți arde degetele.

Prin urmare, principala caracteristică a utilizării elementului Peltier în dispozitivele lor electronice este radiator mare... Este de dorit ca radiatorul să fie suflat de un ventilator. Pana acum am luat radiatorul de la amplificator, care a fost dat la reparatie. Am uns cu pastă termică KPT-8 și am atașat elementul Peltier la calorifer.

Furnizăm 12 volți și măsurăm temperatura părții A:

7 grade Celsius). Când îl atingi, degetele îți îngheață.

Există însă și efectul opus, în care poți genera energie electrică folosind elementul Peltier, dacă o parte este răcită și cealaltă este încălzită. Un exemplu foarte ilustrativ este o lanternă cu încălzire manuală.

Puterea elementului Peltier

Elementul Peltier în sine este considerat foarte consumator de energie. Reglarea temperaturii laturilor sale se realizează prin tensiune. Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât consumă mai mult curent. Și cu cât consumă mai mult curent, cu atât crește mai repede temperatura. Prin urmare, este posibil să reglați frigul schimbând stupid valoarea tensiunii).

Iată câteva valori pentru consumul de curent electric al elementului Peltier:

Cu o tensiune de 1 volt, consumă 0,3 amperi. Nu-i rău)

Eu cresc tensiunea la 3 volți

Mananca aproape 1 amper.

Eu cresc la 5 volți

Puțin mai mult de un amperi și jumătate.

Dau 12 volți, adică tensiunea de funcționare:

Mananca aproape 4 Amperi! Jaf).

Să-i calculăm aproximativ puterea. 4x12 = 48 wați. Este chiar mai mult decât becul de 40 de wați pe care îl agăți în dulap.) Dacă elementul Peltier este atât de lacom, este indicat să faci din el frigidere și camere frigorifice de uz casnic? Desigur că nu! Un astfel de frigider va consuma cel puțin 10 kilowați! Dar există un mic plus - va fi absolut tăcut :-). Dar dacă nu există nicio posibilitate, atunci frigiderele sunt fabricate chiar și din elemente Peltier. Acestea sunt în principal mini-frigidere pentru mașini. De asemenea, unii folosesc elementul Peltier pentru a răci procesorul de pe un PC. Se dovedește foarte eficient, dar în ceea ce privește consumul de energie este mai bine să instalați un ventilator vechi bun.

De unde pot cumpara

Pe Ali, puteți găsi chiar aici un mini-aer condiționat din elementul Peltier acest legătură.

Pe Ali, puteți alege aceste elemente Peltier după cum doriți!

Frigidere cu semiconductor Peltier

Funcționarea componentelor electronice moderne de înaltă performanță care stau la baza computerelor este însoțită de o generare semnificativă de căldură, mai ales atunci când funcționează în moduri de overclocking forțat. Funcționarea eficientă a unor astfel de componente necesită mijloace de răcire adecvate pentru a asigura condițiile de temperatură necesare pentru funcționarea lor. De regulă, astfel de mijloace de menținere a condițiilor optime de temperatură sunt răcitoarele, care se bazează pe radiatoare și ventilatoare tradiționale.

Fiabilitatea și performanța unor astfel de dispozitive sunt îmbunătățite continuu datorită îmbunătățirii designului lor, utilizării celor mai noi tehnologii și utilizării unei varietăți de senzori și dispozitive de control în compoziția lor. Acest lucru face posibilă integrarea unor astfel de instrumente în compoziția sistemelor informatice, oferind diagnosticare și control al activității acestora pentru a obține cea mai înaltă eficiență, asigurând în același timp condiții optime de temperatură pentru funcționarea elementelor computerului, ceea ce crește fiabilitatea și prelungește timpul lor. funcționare fără probleme.

Parametrii răcitoarelor tradiționale se îmbunătățesc constant, totuși, în ultima perioadă, pe piața calculatoarelor au apărut astfel de mijloace specifice de răcire a elementelor electronice precum frigiderele cu semiconductor Peltier și au devenit în curând populare (deși cuvântul cooler este adesea folosit, dar termenul corect în cazul Elementele Peltier este frigiderul).

Frigiderele Peltier, care conțin module termoelectrice speciale cu semiconductori, a căror funcționare se bazează pe efectul Peltier, descoperit încă din 1834, sunt dispozitive de răcire extrem de promițătoare. Astfel de mijloace au fost folosite cu succes de mulți ani în diverse domenii ale științei și tehnologiei.

În anii șaizeci și șaptezeci, industria autohtonă a făcut încercări repetate de a produce frigidere mici de uz casnic, a căror activitate se baza pe efectul Peltier. Cu toate acestea, imperfecțiunea tehnologiilor existente, valorile scăzute ale eficienței și prețurile ridicate nu au permis unor astfel de dispozitive să părăsească laboratoarele de cercetare și bancurile de testare la acel moment.

Dar efectul Peltier și modulele termoelectrice nu au rămas doar o mulțime de oameni de știință. În procesul de îmbunătățire a tehnologiilor, multe fenomene negative au fost semnificativ slăbite. Aceste eforturi au avut ca rezultat module semiconductoare extrem de eficiente și de încredere.

În ultimii ani, aceste module, a căror activitate se bazează pe efectul Peltier, au fost utilizate în mod activ pentru a răci diferite componente electronice ale computerelor. Ele, în special, au început să fie folosite pentru a răci procesoare moderne puternice, a căror funcționare este însoțită de un nivel ridicat de eliberare de căldură.

Datorită proprietăților lor termice și operaționale unice, dispozitivele bazate pe module termoelectrice - module Peltier - permit atingerea nivelului necesar de răcire a elementelor computerului fără dificultăți tehnice speciale și costuri financiare. Ca răcitoare ale componentelor electronice, aceste mijloace de menținere a regimurilor de temperatură necesare pentru funcționarea lor sunt extrem de promițătoare. Sunt compacte, convenabile, fiabile și foarte eficiente.

Frigiderele cu semiconductor prezintă un interes deosebit ca mijloc de a asigura răcirea intensivă a sistemelor informatice, ale căror elemente sunt instalate și operate în moduri forțate severe. Utilizarea unor astfel de moduri - overclocking (overclocking) oferă adesea o creștere semnificativă a performanței componentelor electronice utilizate și, în consecință, de regulă, a întregului sistem informatic. Cu toate acestea, funcționarea componentelor computerului în astfel de moduri se caracterizează printr-o degajare semnificativă de căldură și se află adesea la limita capacităților arhitecturii computerelor, precum și a tehnologiilor microelectronice existente și utilizate. Astfel de componente ale computerului, a căror funcționare este însoțită de generarea ridicată de căldură, nu sunt doar procesoare de înaltă performanță, ci și elemente ale adaptoarelor video moderne de înaltă performanță și, în unele cazuri, și microcircuite ale modulelor de memorie. Astfel de elemente puternice necesită o răcire intensă pentru funcționarea lor corectă, chiar și în modurile standard și cu atât mai mult în modurile de overclock.

module Peltier

În frigiderele Peltier se folosește un așa-numit frigider termoelectric convențional, a cărui acțiune se bazează pe efectul Peltier. Acest efect este numit după ceasornicarul francez Peltier (1785-1845), care și-a făcut descoperirea cu mai bine de un secol și jumătate în urmă - în 1834.

Peltier însuși nu a înțeles prea bine esența fenomenului pe care l-a descoperit. Adevăratul sens al fenomenului a fost stabilit câțiva ani mai târziu, în 1838, de către Lenz (1804-1865).

Lenz a pus o picătură de apă într-o depresiune la joncțiunea a două tije din bismut și antimoniu. Când un curent electric a fost trecut într-o direcție, o picătură de apă a înghețat. Când curentul a fost trecut în sens opus, gheața formată s-a topit. Astfel, s-a constatat că atunci când doi conductori de curent electric trec prin contact, în funcție de direcția acestuia din urmă, pe lângă căldura Joule, se eliberează sau se absoarbe căldură suplimentară, care se numește căldură Peltier. Acest fenomen se numește fenomenul Peltier (efectul Peltier). Astfel, este opusul fenomenului Seebeck.

Dacă într-un circuit închis format din mai multe metale sau semiconductori, temperaturile la locurile de contact ale metalelor sau semiconductorilor sunt diferite, atunci în circuit apare un curent electric. Acest fenomen de curent termoelectric a fost descoperit în 1821 de către fizicianul german Seebeck (1770-1831).

Spre deosebire de căldura Joule-Lenz, care este proporțională cu pătratul puterii curentului (Q ​​= R · I · I · t), căldura Peltier este proporțională cu primul grad al puterii curentului și își schimbă semnul când direcția ultimele modificări. Căldura Peltier, așa cum arată studiile experimentale, poate fi exprimată prin formula:

Qп = П q

unde q este cantitatea de energie electrică transmisă (q = I · t), P este așa-numitul coeficient Peltier, a cărui valoare depinde de natura materialelor în contact și de temperatura acestora.

Căldura Peltier Qp este considerată pozitivă dacă este eliberată și negativă dacă este absorbită.

Orez. 1. Schema experimentului de măsurare a căldurii Peltier, Cu - cupru, Bi - bismut.

În schema prezentată a experimentului de măsurare a căldurii Peltier cu aceeași rezistență a firelor R (Cu + Bi) coborâte în calorimetre, aceeași căldură Joule va fi eliberată în fiecare calorimetru, și anume, Q = R I I t. Căldura Peltier, pe de altă parte, va fi pozitivă într-un calorimetru și negativă în celălalt. În conformitate cu această schemă, puteți măsura căldura Peltier și puteți calcula valorile coeficienților Peltier pentru diferite perechi de conductori.

Trebuie remarcat faptul că coeficientul Peltier depinde în mod semnificativ de temperatură. Unele valori ale coeficientului Peltier pentru diferite perechi de metale sunt prezentate în tabel.

Coeficientul Peltier, care este o caracteristică tehnică importantă a materialelor, nu este de obicei măsurat, ci calculat prin coeficientul Thomson:

P = un T

unde P este coeficientul Peltier, a este coeficientul Thomson și T este temperatura absolută.

Descoperirea efectului Peltier a avut o mare influență asupra dezvoltării ulterioare a fizicii, iar mai târziu asupra diferitelor domenii ale tehnologiei.

Deci, esența efectului deschis este următoarea: atunci când un curent electric trece prin contactul a doi conductori din materiale diferite, în funcție de direcția sa, pe lângă căldura Joule, se eliberează sau se absoarbe căldură suplimentară, care se numește Peltier căldură. Gradul de manifestare a acestui efect depinde în mare măsură de materialele conductorilor selectați și de modurile electrice utilizate.

Teoria clasică explică fenomenul Peltier prin faptul că electronii transportați de curent de la un metal la altul sunt accelerați sau decelerati sub acțiunea unei diferențe interne de potențial de contact între metale. În primul caz, energia cinetică a electronilor crește și apoi este eliberată sub formă de căldură. În al doilea caz, energia cinetică a electronilor scade, iar această scădere a energiei este completată datorită vibrațiilor termice ale atomilor celui de-al doilea conductor. Ca urmare, are loc răcirea. O teorie mai completă ia în considerare nu modificarea energiei potențiale în timpul transferului unui electron de la un metal la altul, ci modificarea energiei totale.

Efectul Peltier este observat cel mai puternic în cazul utilizării semiconductoarelor de tip p și n. În funcție de direcția curentului electric prin contactul semiconductorilor de diferite tipuri - pn- și np-joncțiuni datorate interacțiunii sarcinilor reprezentate de electroni (n) și găuri (p), și recombinarea acestora, energia este fie absorbită, fie eliberată. Ca rezultat al acestor interacțiuni și al proceselor energetice generate, căldura este fie absorbită, fie eliberată. Utilizarea semiconductorilor de tip p și n în frigiderele termoelectrice este ilustrată în Fig. 2.

Orez. 2. Utilizarea semiconductoarelor de tip p și n în frigiderele termoelectrice.

Combinarea unui număr mare de perechi de semiconductori de tip p și n face posibilă crearea de elemente de răcire - module Peltier de putere relativ mare. Structura modulului semiconductor termoelectric Peltier este prezentată în Fig. 3.

Orez. 3. Structura modulului Peltier

Modulul Peltier este un frigider termoelectric format din semiconductori de tip p și n conectați în serie, formând joncțiuni p-n- și n-p. Fiecare dintre aceste joncțiuni are contact termic cu unul dintre cele două radiatoare. Ca urmare a trecerii unui curent electric de o anumită polaritate, între radiatoarele modulului Peltier se formează o diferență de temperatură: un radiator funcționează ca un frigider, celălalt radiator se încălzește și servește la îndepărtarea căldurii. În fig. 4 prezintă aspectul unui modul Peltier tipic.

Orez. 4. Aspectul modulului Peltier

Un modul tipic oferă o diferență semnificativă de temperatură, care este de câteva zeci de grade. Cu răcirea forțată corespunzătoare a radiatorului de încălzire, al doilea radiator - frigider, permite atingerea temperaturilor negative. Pentru a crește diferența de temperatură, este posibilă o conectare în cascadă a modulelor termoelectrice Peltier, asigurând în același timp răcirea adecvată a acestora. Aceasta face posibilă, prin mijloace relativ simple, obținerea unei diferențe semnificative de temperatură și asigurarea răcirii efective a elementelor protejate. În fig. 5 prezintă un exemplu de cascadă a modulelor Peltier tipice.

Orez. 5. Exemplu de module Peltier în cascadă

Dispozitivele de răcire bazate pe module Peltier sunt adesea numite răcitoare Peltier active sau pur și simplu răcitoare Peltier.

Utilizarea modulelor Peltier în răcitoarele active le face mult mai eficiente în comparație cu tipurile standard de răcitoare bazate pe radiatoare și ventilatoare tradiționale. Cu toate acestea, în procesul de proiectare și utilizare a răcitoarelor cu module Peltier, este necesar să se țină seama de o serie de caracteristici specifice care decurg din proiectarea modulelor, principiul lor de funcționare, arhitectura hardware-ului modern de calculator și funcționalitatea software de sistem și aplicație.

Puterea modulului Peltier este de mare importanță, care, de regulă, depinde de dimensiunea acestuia. Un modul de putere redusă nu asigură nivelul necesar de răcire, ceea ce poate duce la funcționarea defectuoasă a elementului electronic protejat, de exemplu, un procesor, din cauza supraîncălzirii acestuia. Cu toate acestea, utilizarea modulelor cu capacitate prea mare poate determina scăderea temperaturii radiatorului de răcire până la nivelul de condensare a umezelii din aer, ceea ce este periculos pentru circuitele electronice. Acest lucru se datorează faptului că apa, obținută în mod continuu ca urmare a condensului, poate duce la scurtcircuite în circuitele electronice ale computerului. Este pertinent să ne amintim aici că distanța dintre conductorii purtători de curent de pe plăcile de circuite imprimate moderne este adesea de fracțiuni de milimetru. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, modulele Peltier puternice din coolere de înaltă performanță și sistemele suplimentare de răcire și ventilație corespunzătoare au fost cele care au permis KryoTech și AMD, în cercetările lor comune, să overclockeze procesoarele AMD, create folosind tehnologia tradițională, la o frecvență care depășește 1. GHz. , adică să-și mărească frecvența de funcționare de aproape 2 ori în comparație cu modul standard de funcționare. Și trebuie subliniat că acest nivel de performanță a fost atins în condițiile asigurării stabilității și fiabilității necesare procesoarelor în moduri forțate. Ei bine, rezultatul unei astfel de overclockări extreme a fost un record de performanță printre procesoarele arhitecturii și setul de instrucțiuni 80x86. Iar compania KryoTech a făcut bani frumoși, oferind pe piață unitățile sale de răcire. Echipate cu electronice adecvate, acestea s-au dovedit a fi solicitate ca platforme pentru servere și stații de lucru de înaltă performanță. Iar AMD a primit confirmarea nivelului înalt al produselor sale și o bogăție de material experimental pentru a îmbunătăți în continuare arhitectura procesoarelor sale. Apropo, studii similare au fost efectuate cu procesoare Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, în urma cărora s-a obținut și o creștere semnificativă a performanței.

Trebuie remarcat faptul că modulele Peltier generează o cantitate relativ mare de căldură în timpul funcționării lor. Din acest motiv, ar trebui să utilizați nu numai un ventilator puternic ca parte a răcitorului, ci și măsuri de reducere a temperaturii din interiorul carcasei computerului pentru a preveni supraîncălzirea restului componentelor computerului. Pentru aceasta, este recomandabil să folosiți ventilatoare suplimentare în construcția carcasei computerului pentru a asigura un schimb mai bun de căldură cu mediul din afara carcasei.

În fig. 6 prezintă aspectul unui răcitor activ, care include un modul Peltier semiconductor.

Orez. 6. Aspectul unui cooler cu modul Peltier

Trebuie remarcat faptul că sistemele de răcire bazate pe module Peltier sunt utilizate nu numai în sistemele electronice precum computerele. Astfel de module sunt folosite pentru a răci diverse dispozitive de înaltă precizie. Modulele Peltier sunt de mare importanță pentru știință. În primul rând, aceasta se referă la cercetări experimentale efectuate în fizică, chimie și biologie.

Informații despre modulele și frigiderele Peltier, precum și caracteristicile și rezultatele utilizării acestora, pot fi găsite pe site-urile de pe Internet, de exemplu, la următoarele adrese:

Caracteristici de funcționare

Modulele Peltier utilizate ca parte a mijloacelor de răcire a elementelor electronice se disting printr-o fiabilitate relativ ridicată și, spre deosebire de frigiderele create folosind tehnologia tradițională, nu au părți mobile. Și, după cum s-a menționat mai sus, pentru a crește eficiența muncii lor, acestea permit utilizarea în cascadă, ceea ce face posibilă aducerea temperaturii carcasei elementelor electronice protejate la valori negative, chiar și cu puterea lor semnificativă de disipare.

Cu toate acestea, pe lângă avantajele evidente, modulele Peltier au și o serie de proprietăți și caracteristici specifice care trebuie luate în considerare atunci când le folosesc în compoziția lichidelor de răcire. Unele dintre ele au fost deja notate, dar pentru aplicarea corectă a modulelor Peltier, necesită o analiză mai detaliată. Cele mai importante caracteristici includ următoarele caracteristici de operare:

• Modulele Peltier, care emit o cantitate mare de căldură în timpul funcționării lor, necesită prezența radiatoarelor și ventilatoarelor adecvate în răcitor, capabile să elimine în mod eficient căldura în exces din modulele de răcire. Trebuie remarcat faptul că modulele termoelectrice se disting printr-o eficiență (eficiență) relativ scăzută și, îndeplinind funcțiile unei pompe de căldură, ele însele sunt surse puternice de căldură. Utilizarea acestor module ca parte a mijloacelor de răcire a componentelor electronice ale unui computer determină o creștere semnificativă a temperaturii în interiorul unității de sistem, ceea ce necesită adesea măsuri și mijloace suplimentare de reducere a temperaturii din interiorul carcasei computerului. În caz contrar, temperatura crescută din interiorul carcasei creează dificultăți de funcționare nu numai pentru elementele protejate și sistemele de răcire ale acestora, ci și pentru restul componentelor computerului. De asemenea, trebuie subliniat faptul că modulele Peltier reprezintă o sarcină suplimentară relativ puternică pentru sursa de alimentare. Ținând cont de valoarea consumului de curent al modulelor Peltier, valoarea de putere a sursei de alimentare a computerului trebuie să fie de cel puțin 250 W. Toate acestea duc la oportunitatea de a alege plăci de bază și carcase ATX cu surse de alimentare suficiente. Utilizarea acestui construct facilitează organizarea modurilor termice și electrice optime de către componentele computerului. Trebuie remarcat faptul că există frigidere Peltier cu alimentare proprie.
• Modulul Peltier, în caz de defecțiune, izolează elementul răcit de radiatorul răcitor. Acest lucru duce la o încălcare foarte rapidă a regimului termic al elementului protejat și la eșecul rapid al acestuia din cauza supraîncălzirii ulterioare.
• Temperaturile scăzute care apar în timpul funcționării frigiderelor Peltier cu capacitate în exces contribuie la condensarea umidității din aer. Acest lucru reprezintă un pericol pentru componentele electronice, deoarece condensul poate provoca scurtcircuite între componente. Pentru a elimina acest pericol, este indicat sa folositi frigidere Peltier de putere optima. Apariția sau nu condensului depinde de mai mulți parametri. Cele mai importante sunt: ​​temperatura mediului ambiant (în acest caz, temperatura aerului din interiorul carcasei), temperatura obiectului răcit și umiditatea aerului. Cu cât aerul din interiorul carcasei este mai cald și umiditatea este mai mare, cu atât este mai probabil să existe condens de umezeală și defecțiunea ulterioară a componentelor electronice ale computerului. Mai jos este un tabel care ilustrează dependența temperaturii de condensare a umidității de obiectul răcit, în funcție de umiditate și temperatura ambiantă. Folosind acest tabel, puteți determina cu ușurință dacă există sau nu riscul de condensare a umezelii. De exemplu, dacă temperatura exterioară este de 25 ° C, iar umiditatea este de 65%, atunci condensul de umiditate pe obiectul răcit are loc atunci când temperatura suprafeței acestuia este sub 18 ° C.

Temperatura de condensare a umezelii

În plus față de aceste caracteristici, este necesar să se țină seama de o serie de circumstanțe specifice asociate cu utilizarea modulelor termoelectrice Peltier ca parte a răcitoarelor utilizate pentru răcirea procesoarelor centrale de înaltă performanță ale computerelor puternice.

Arhitectura procesoarelor moderne și unele programe de sistem prevăd o modificare a consumului de energie în funcție de sarcina procesoarelor. Acest lucru le permite să-și optimizeze consumul de energie. Apropo, acest lucru este stipulat și de standardele de economisire a energiei susținute de unele funcții încorporate în hardware-ul și software-ul computerelor moderne. În condiții normale, optimizarea funcționării procesorului și a consumului de energie a acestuia are un efect benefic atât asupra modului termic al procesorului în sine, cât și asupra echilibrului termic general. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că modurile cu modificări periodice ale consumului de energie pot fi combinate prost cu mijloacele de răcire a procesoarelor care utilizează module Peltier. Acest lucru se datorează faptului că frigiderele Peltier existente sunt de obicei proiectate pentru funcționare continuă. În acest sens, cele mai simple frigidere Peltier care nu au comenzi nu sunt recomandate pentru utilizarea cu programe de răcire precum, de exemplu, CpuIdle, precum și cu sistemele de operare Windows NT/2000 sau Linux.

Dacă procesorul intră într-un mod de consum redus de energie și, în consecință, disiparea căldurii, este posibilă o scădere semnificativă a temperaturii carcasei și a cristalului procesorului. Suprarăcirea nucleului procesorului poate provoca în unele cazuri o oprire temporară a performanței acestuia și, ca urmare, înghețarea permanentă a computerului. Trebuie amintit că, conform documentației Intel, temperatura minimă la care este garantată funcționarea corectă a procesoarelor seriale Pentium II și Pentium III este de obicei de +5 ° C, deși, după cum arată practica, acestea funcționează perfect bine la temperaturi mai scăzute. .

Unele probleme pot apărea și ca urmare a funcționării unui număr de funcții încorporate, de exemplu, cele care controlează ventilatoarele răcitoarelor. Mai exact, modurile de gestionare a puterii procesorului din unele sisteme informatice presupun reglarea vitezei de rotație a ventilatoarelor de răcire prin hardware-ul încorporat al plăcii de bază. În condiții normale, acest lucru îmbunătățește semnificativ performanța termică a procesorului computerului. Totuși, în cazul utilizării celor mai simple frigidere Peltier, o scădere a vitezei de rotație poate duce la o deteriorare a regimului termic cu un rezultat fatal pentru procesor din cauza supraîncălzirii acestuia de către modulul Peltier de funcționare, care, pe lângă performanțele sale. funcțiile unei pompe de căldură, este o sursă puternică de căldură suplimentară.

Trebuie remarcat faptul că, ca și în cazul procesoarelor centrale de computer, frigiderele Peltier pot fi o alternativă bună la mijloacele tradiționale de răcire a chipset-urilor video utilizate în adaptoarele video moderne de înaltă performanță. Funcționarea unor astfel de chipset-uri video este însoțită de o eliberare semnificativă de căldură și, de obicei, nu este supusă unor schimbări bruște în modurile lor de funcționare.

Pentru a elimina problemele cu modurile de consum variabil de energie care provoacă condensarea umezelii din aer și posibila hipotermie și, în unele cazuri, chiar supraîncălzirea elementelor protejate, cum ar fi procesoarele computerelor, ar trebui să renunțați la utilizarea unor astfel de moduri și a unui număr de integrate. in functii. Alternativ, totuși, pot fi utilizate sisteme de refrigerare cu comenzi inteligente ale frigiderului Peltier. Astfel de mijloace pot controla nu numai funcționarea ventilatoarelor, ci și pot schimba modurile de funcționare ale modulelor termoelectrice în sine, care sunt utilizate ca parte a răcitorilor activi.

Au existat rapoarte de experimente privind încorporarea modulelor Peltier miniaturale direct în microcircuitele procesorului pentru a răci structurile lor cele mai critice. Această soluție contribuie la o răcire mai bună prin reducerea rezistenței termice și poate crește semnificativ frecvența de funcționare și performanța procesoarelor.

Multe laboratoare de cercetare lucrează la îmbunătățirea sistemelor de asigurare a condițiilor optime de temperatură pentru elementele electronice. Și sistemele de răcire care implică utilizarea modulelor termoelectrice Peltier sunt considerate extrem de promițătoare.

Exemple de frigidere Peltier

Mai recent, pe piața calculatoarelor au apărut module Peltier produse pe plan intern. Sunt dispozitive simple, fiabile și relativ ieftine (7 USD- 15 USD). De obicei, un ventilator de răcire nu este inclus. Cu toate acestea, astfel de module permit nu numai să se familiarizeze cu mijloace de răcire promițătoare, ci și să le folosească în scopul propus în sistemele de protecție a componentelor computerului. Iată parametrii rapidi ai uneia dintre mostre.

Dimensiunea modulului (Fig. 7) - 40 × 40 mm, curent maxim - 6 A, tensiune maximă - 15 V, consum de energie - până la 85 W, diferență de temperatură - mai mult de 60 ° C. Oferind un ventilator puternic, modulul este capabil să protejeze procesorul cu o putere de disipare de până la 40 W.

Orez. 7. Vedere exterioară a frigiderului PAP2X3B

Pe piață există atât versiuni mai puțin, cât și mai puternice ale modulelor Peltier autohtone.

Gama de dispozitive străine este mult mai largă. Mai jos sunt exemple de frigidere în designul cărora sunt utilizate module termoelectrice Peltier.

Frigidere Peltier active de la Computernerd

Frigiderul PAX56B este proiectat pentru a răci procesoarele Pentium și Pentium-MMX de la Intel, Cyrix și AMD care funcționează la frecvențe de până la 200 MHz. Modulul termoelectric de 30x30mm permite frigiderului să mențină temperatura procesorului sub 63 ° C, cu o putere de disipare de 25 W și o temperatură externă de 25 ° C. Datorită faptului că majoritatea procesoarelor disipă mai puțină putere, acest frigider vă permite să mențineți temperatura procesorului mult mai scăzută decât multe răcitoare alternative bazate pe radiatoare și ventilatoare. Modulul Peltier PAX56B este alimentat de o sursă de 5 V capabilă să furnizeze maxim 1,5 A. Ventilatorul acestui frigider necesită o tensiune de 12 V și un curent de 0,1 A (maximum). Parametrii ventilatorului frigiderului PAX56B: rulment cu bile, 47,5 mm, 65000 ore, 26 dB. Dimensiunea totală a acestui frigider este de 25 x 25 x 28,7 mm. Prețul aproximativ al frigiderului PAX56B este de 35 USD. Pretul indicat este dat in conformitate cu lista de preturi a companiei pentru jumatatea anului 2000.

Frigiderul PA6EXB este conceput pentru a răci procesoarele Pentium-MMX mai puternice, care disipă putere până la 40W. Acest frigider este potrivit pentru toate procesoarele de la Intel, Cyrix și AMD, conectate prin Socket 5 sau Socket 7. Modulul termoelectric Peltier inclus în frigiderul PA6EXB are o dimensiune de 40 × 40 mm și consumă un curent maxim de 8 A (de obicei 3 A) la o tensiune de 5 B cu conectare printr-un conector de alimentare standard al computerului. Dimensiunea totală a frigiderului PA6EXB este de 60 × 60 × 52,5 mm. La instalarea acestui frigider, pentru un bun schimb de căldură al caloriferului cu mediul înconjurător, este necesar să se prevadă un spațiu deschis în jurul frigiderului de minim 10 mm în sus și 2,5 mm în lateral. Frigiderul PA6EXB oferă o temperatură a procesorului de 62,7 ° C cu o putere de disipare de 40 W și o temperatură externă de 45 ° C. Ținând cont de principiul de funcționare al modulului termoelectric, care face parte din acest frigider, pentru a evita condensarea umezelii și scurtcircuitul, este necesar să se evite utilizarea programelor care pun procesorul în modul de repaus pentru o perioadă lungă de timp. Prețul aproximativ al unui astfel de frigider este de 65 USD. Pretul indicat este dat in conformitate cu lista de preturi a companiei pentru jumatatea anului 2000.

Frigiderul DT-P54A (cunoscut și sub numele de Computernerd's PA5B) este proiectat pentru procesoarele Pentium. Cu toate acestea, unele companii care oferă aceste frigidere pe piață îl recomandă utilizatorilor Cyrix / IBM 6x86 și AMD K6. Radiatorul inclus in frigider este suficient de mic. Dimensiunile sale sunt 29 × 29 mm. Frigiderul are un senzor termic încorporat, care, dacă este necesar, va anunța despre supraîncălzire. El controlează și elementul Peltier. Setul include un dispozitiv de control extern. Îndeplinește funcțiile de monitorizare a tensiunii și a funcționării elementului Peltier în sine, a funcționării ventilatorului, precum și a temperaturii procesorului. Dispozitivul va genera o alarmă dacă elementul Peltier sau ventilatorul este defect, dacă ventilatorul se rotește sub 70% din viteza necesară (4500 RPM) sau dacă temperatura procesorului crește peste 145 ° F (63 ° C). Dacă temperatura procesorului crește peste 100 ° F (38 ° C), atunci elementul Peltier este pornit automat, altfel este în modul de oprire. Ultima caracteristică elimină problemele de condensare a umezelii. Din păcate, elementul în sine este lipit de radiator atât de puternic încât nu poate fi separat fără a-i distruge structura. Acest lucru face imposibilă instalarea lui pe un alt radiator, mai puternic. În ceea ce privește ventilatorul, designul său se caracterizează printr-un nivel ridicat de fiabilitate și are parametri înalți: tensiune de alimentare - 12 V, viteza de rotație - 4500 RPM, debit de aer - 6,0 CFM, consum de energie - 1 W, caracteristici de zgomot - 30 dB. Acest frigider este suficient de puternic și util pentru overclocking. Cu toate acestea, în unele cazuri de overclockare a procesorului, ar trebui să utilizați doar un radiator mare și un cooler bun. Prețul acestui frigider variază de la 39 USD la 49 USD. Pretul indicat este dat in conformitate cu lista de preturi a mai multor firme pentru jumatatea anului 2000.

Frigiderul AC-P2 este proiectat pentru procesoarele Pentium II. Setul include un cooler de 60 mm, un radiator și un element Peltier de 40 mm. Prost potrivit pentru procesoarele Pentium II 400 MHz și mai mari, deoarece cipurile de memorie SRAM practic nu sunt răcite. Preț estimat la mijlocul anului 2000 - 59 USD.

Frigiderul PAP2X3B (fig. 8) este similar cu AOC AC-P2. Include două coolere de 60 mm. Problemele de răcire SRAM au rămas nerezolvate. Trebuie remarcat faptul că frigiderul nu este recomandat să fie folosit împreună cu programe de răcire, cum ar fi, de exemplu, CpuIdle, precum și sub sistemele de operare Windows NT sau Linux, deoarece este probabil condensul de umezeală pe procesor. Prețul estimat la mijlocul anului 2000 este de 79 USD.

Orez. 8. Vedere exterioară a frigiderului PAP2X3B

Frigiderul STEP-UP-53X2 este echipat cu doua ventilatoare care circula o cantitate mare de aer prin calorifer. Preț estimat la mijlocul anului 2000 - 79 USD (Pentium II), 69 USD (Celeron).

Frigiderele din seria Computernerd Bcool (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) sunt proiectate pentru procesoarele Pentium II și Celeron și au caracteristici similare, care sunt prezentate în tabelul următor.

Frigidere seria BCool

De remarcat că grupul de frigidere BCool include și dispozitive care au caracteristici similare, dar care nu au elemente Peltier. Astfel de frigidere sunt în mod natural mai ieftine, dar și mai puțin eficiente ca mijloc de răcire a componentelor computerului.

La pregătirea acestui articol s-au folosit materiale din cartea „PC: tuning, optimization and overclocking”. Ed. a II-a, Rev. și suplimentar, - SPb .: BHV - Petersburg. 2000 .-- 336 p.

Un element Peltier este un traductor termoelectric care creează o diferență de temperatură pe suprafețele sale atunci când curge un curent electric. Principiul de funcționare se bazează pe efectul Peltier - apariția unei diferențe de temperatură la punctul de contact al conductorilor sub influența unui curent electric.

Dispozitivul și principiul de funcționare al elementului Peltier.

Cred că numai fizicienii pot înțelege cum funcționează de fapt elementul Peltier. Pentru practicieni, principalul lucru este că există o unitate minimă a modulului - un termocuplu, care este doi conductori de tip p și n conectați.

Când un curent trece prin termocuplu, căldura este absorbită la contactul n-p și căldura este eliberată la contactul p-n. Ca rezultat, secțiunea semiconductorului adiacent joncțiunii n-p va fi răcită, iar secțiunea opusă va fi încălzită. Dacă schimbați polaritatea curentului, atunci, pe de altă parte, secțiunea n-p va fi încălzită, iar cea opusă va fi răcită.

Există și efectul opus. Când o parte a termocuplului este încălzită, se generează un curent electric.

Pentru aplicarea practică a energiei de absorbție a căldurii, un termocuplu nu este suficient. Modulul termoelectric folosește multe termocupluri. Sunt conectate electric în serie. Și constructiv - astfel încât tranzițiile de răcire și încălzire să fie situate pe diferite părți ale modulului.

Termocuplurile sunt instalate între două plăci ceramice. Acestea sunt conectate prin bare de cupru. Numărul de termocupluri poate fi de până la câteva sute. Puterea modulului depinde de numărul lor.

Diferența de temperatură dintre partea caldă și cea rece a modulului Peltier poate fi de până la 70 ° C.

Trebuie înțeles că modulul termoelectric Peltier reduce temperatura unei părți în raport cu cealaltă. Acestea. pentru ca partea rece sa aiba o temperatura scazuta este necesara eliminarea caldura de pe suprafata fierbinte, reducand temperatura acesteia.

Pentru a crește diferența de temperatură, este posibilă o conectare în serie (în cascadă) a modulelor.

Aplicație.

Se folosesc module Peltier termoelectrice:

• în frigidere mici de uz casnic și auto;
• în răcitoare de apă;
• în sisteme de răcire pentru dispozitive electronice;
• în generatoarele termoelectrice.

Am făcut folosind elementul Peltier.

Avantajele și dezavantajele modulelor Peltier.

Este cumva greșit să compari elementele Peltier cu unitățile de răcire ale compresorului. Dispozitive foarte diferite - un sistem mecanic mare cu un compresor, gaz, lichid și o componentă semiconductoare mică. Și nu mai există nimic cu care să se compare. Prin urmare, avantajele și dezavantajele modulelor Peltier sunt un concept foarte convențional. Există zone în care nu sunt interschimbabile, iar în alte cazuri, utilizarea lor este complet nepractică.

Avantajele elementelor Peltier includ:

• absența pieselor în mișcare mecanic, gaze, lichide;
• muncă tăcută;
• mărime mică;
• capacitatea de a furniza atât răcire, cât și încălzire;
• posibilitatea de reglare lină a puterii de răcire.

Dezavantaje:

• eficiență scăzută;
• necesitatea unei surse de alimentare;
• număr limitat de porniri-opriri;
• costul ridicat al modulelor puternice.

Parametrii elementului Peltier.

• Qmax(W) - capacitate de racire, la curentul maxim admis si diferenta de temperatura dintre laturile calde si reci egala cu 0. Se considera ca toata energia termica care intra pe suprafata rece este transferata instantaneu catre cea calda fara pierderi.
• Delta Tmax(deg) - diferența maximă de temperatură dintre suprafețele modulului în condiții ideale: temperatura părții fierbinți - 27 ° C și a părții rece cu transfer de căldură zero.
• Imax(A) - curent care furnizează diferența de temperatură delta Tmax.
• Umax(V) - tensiune, la curent Imax și diferență de temperatură delta Tmax.
• Rezistenţă(Ohm) - rezistența modulului la curent continuu.
• POLIŢIST(Сoeficient Of Рerformance) - coeficient, raportul dintre puterea de răcire și puterea electrică consumată de modul. Acestea. asemănarea eficienței. De obicei 0,3-0,5.

Cerințe de performanță pentru elementele Peltier.

Modulele Peltier sunt dispozitive capricioase. Utilizarea lor este asociată cu o serie de cerințe, a căror defecțiune duce la: degradarea modulului sau defecțiunea, o scădere a eficienței sistemului.

• Modulele generează o cantitate semnificativă de căldură. Pentru disiparea căldurii trebuie instalat un radiator adecvat... In caz contrar:
  • Nu se poate atinge temperatura dorită pe partea rece deoarece elementul Peltier reduce temperatura față de suprafața fierbinte.
  • Încălzirea admisă a părții fierbinți este în general de + 80 ° C (în partea de temperatură ridicată până la 150 ° C). Acestea. modulul poate eșua pur și simplu.
  • La temperaturi ridicate, cristalele modulului se degradează, adică. eficiența și durata de viață a modulului scade.
• Important contact termic fiabil al modulului cu un radiator de racire.
• Sursa de alimentare pentru modul trebuie să asigure curent de ondulare nu mai mult de 5%... La un nivel mai mare de ondulație, eficiența modulului va scădea, conform unor date, cu 30-40%.
• Nu este permisă utilizarea regulatoarelor cu relee pentru a controla elementul Peltier. Acest lucru va duce la degradarea rapidă a modulului. Fiecare pornire și oprire provoacă degradarea termocuplurilor semiconductoare. Datorită schimbărilor bruște de temperatură dintre plăcile modulului, în locurile de lipire cu semiconductori apar tensiuni mecanice. Producătorii de elemente Peltier standardizează numărul de cicluri de pornire-oprire a modulelor. Pentru modulele de uz casnic, aceasta este de aproximativ 5000 de cicluri. Controlerul releului va dezactiva modulul Peltier în 1-2 luni.
• În plus, elementul Peltier are o conductivitate termică ridicată între suprafețe. Când este oprit, căldura de la radiatorul din partea fierbinte va fi transferată prin modul în partea rece.
• Inacceptabil, pentru controlul puterii pe elementul Peltier, utilizați modulația PWM.
• Ce ar trebui folosit pentru a alimenta elementul Peltier cu o sursă de curent sau tensiune? De obicei se folosește o sursă de tensiune. Este mai ușor de implementat. Dar caracteristica curent-tensiune a modulului Peltier este neliniară și abruptă. Acestea. cu o mică modificare a tensiunii, curentul se modifică semnificativ. Și în plus, caracteristica se modifică atunci când temperatura suprafețelor modulului se modifică. Trebuie să stabilizăm puterea, adică produsul dintre curentul prin modul și tensiunea pe acesta. Capacitatea de răcire a unui element Peltier este direct legată de puterea electrică. Desigur, acest lucru necesită un regulator destul de complex.
• Tensiunea unui modul depinde de numărul de termocupluri din acesta. Cel mai adesea acestea sunt 127 de termocupluri, ceea ce corespunde unei tensiuni de 16 V. Recomand să alimentați până la 12 V, sau 75% Umax. La această tensiune, modulele sunt optim eficiente.
• Modulele sunt sigilate ermetic si pot fi folosite chiar si in apa.
• Polaritatea modulului este marcată cu culorile firelor - negru și roșu. De obicei, firul roșu (pozitiv) este situat la dreapta, în raport cu partea rece.

Am dezvoltat un frigider care îndeplinește toate aceste cerințe. El:

• Oferă putere pentru elementul Peltier cu ondulație de cel mult 2%.
• Stabilizează puterea electrică a modulului, adică produs dintre curent și tensiune.
• Oferă pornirea lină a modulului.
• Temperatura este controlată conform principiului de control analogic, adică schimbare lină a puterii pe elementul peltier.
• Controlerul este proiectat pentru un frigider, prin urmare matematica regulatoarelor ține cont de inerția de răcire a aerului din cameră.
• Oferă controlul temperaturii pe partea fierbinte și controlul ventilatorului.
• Are o eficiență ridicată, o funcționalitate largă.

Modul Peltier termoelectric TEC1-12706.

Acesta este cel mai comun tip de element Peltier. Folosit în multe aparate electrocasnice. Nu este scump, cu parametri buni. O opțiune bună pentru fabricarea de frigidere cu putere redusă, răcitoare de apă etc.

Caracteristicile modulului TEC1-12706 sunt traduse în rusă din documentația companiei producătorului - HB Corporation.

Parametrii tehnici ai TEC1-12706.

Caracteristici grafice.

Modulele termoelectrice standard au un principiu de funcționare invers. În acest articol, vom vorbi despre utilizarea modulelor Peltier-Seebeck în schimbătoarele de căldură și vom oferi un exemplu de asamblare a unui răcitor de apă și a unui sistem de bază de răcire pentru aer cu posibilitatea de repornire (încălzire).

Principiul de funcționare al modulelor termoelectrice (TEM) utilizate pentru răcire se bazează pe efectul Seebeck - proces opus efectului Peltier. Elementul principal este același TEM descris în prima parte. Când se aplică curent continuu câmpului termocuplurilor, se observă o diferență de temperatură pe planurile plăcii ceramice. Acesta este un fapt bazat pe un proces termodinamic, pe care nu îl vom descrie (pentru a nu obosi de calcule științifice), dar vom arăta cum să îl aplicăm în viața de zi cu zi.

Notă. Pentru a construi unitățile, ale căror instrucțiuni sunt date mai jos, veți avea nevoie de abilități practice de bază în asamblarea circuitelor electrice. Modelele date de noduri sunt aproximative și pot fi înlocuite cu similare (sau mai/mai puțin puternice) la discreția maestrului.

Cum să-ți faci propriul răcitor de apă

Cititorul cu discernământ și-a dat deja seama că „găleata miracolă” din prima parte poate fi folosită pentru a răci lichidul, dacă îl rulați „în direcția opusă” prin conectarea unui curent continuu.

TEM-urile sunt folosite în fiecare răcitor de apă. Este foarte posibil să construiți un analog al acestui dispozitiv din fabrică cu propriile mâini, în timp ce nu va funcționa mai rău. Vom descrie însuși principiul de funcționare și schema de asamblare. Opțiunile de aspect și execuție pot fi selectate în funcție de propriile nevoi. De exemplu, faceți-l portabil sau staționar, integrat în mobilierul de bucătărie sau într-un sistem de tratare a apei potabile. Ultima opțiune este optimă, deoarece răcirea în sistem va fi controlată (la sursa de alimentare).

Pentru asta avem nevoie de:

1. Recipient dreptunghiular plat sigilat din otel inoxidabil cu dimensiunile 100x100x30 (balon schimbator de caldura) cu iesiri filetate de 1/2" pe laturile scurte. Acesta este singurul element, a cărui fabricație este cel mai bine comandată de un meșter din fabrică.
2. Alimentare cu apă potabilă cu racord de ½” (din rezervor sau alimentare cu apă).
3. Unitate de alimentare pentru 10-12 volți cu reglare curentă.
4. Module termoelectrice TEC1-12705 (40x40) - 2 buc.
5. Fire cu o secțiune transversală de 0,2 mm.
6. Adeziv termofuzibil sau pastă termică.
7. Cheie pentru 2 canale (comutator, buton).
8. Baterie, fier de lipit, lipit.

Folosind lipici fierbinte, fixăm TEM-ul pe balon. Conectăm firele în grupurile corespunzătoare (plus și minus). Determinăm o locație convenabilă pentru cheie, ținând cont de posibilitatea de înlocuire în timpul reparației și accesibilitatea în timpul utilizării. O includem în diagramă. Conectăm firele la sursa de alimentare. Efectuăm teste de circuit.

Atenţie! Când testați, limitați-vă la observarea faptului de funcționare corectă, dar nu încercați să lăsați sarcina maximă uscată - acest lucru poate duce la defecțiunea TEM (nu poate fi reparată).

Apoi conectăm fitingul de intrare al balonului schimbător de căldură cu canalul de alimentare cu apă și ieșirea cu furtunul (flexibil sau rigid) la robinet.

Umplem sistemul cu apă și setăm amperajul optim la presiunea jetului necesară. Capul optim este puțin mai puternic decât gravitația. Acest lucru va fi suficient pentru aportul de apă rece de băut. Restul nuanțelor - elemente de fixare, lungimea firului, locație - sunt pur individuale în fiecare caz.

Acest sistem de bază poate fi dezvoltat și îmbunătățit. De exemplu, instalați un termostat în schimbătorul de căldură și includeți-l în circuit în loc de cheie (comutator cu comutator) - este potrivit acolo unde este nevoie constantă de apă la o anumită temperatură. Balonul schimbătorului de căldură poate fi din argint pentru ionizarea suplimentară a apei. Prin includerea unui convertor step-up de tensiune constantă EK-1674 în sistem, este posibil să se reducă consumul de energie la minimum.

Calcularea costurilor de construire a unui frigider:

În acest sistem, un radiator cu aripioare nu este implicat, deoarece obiectivul stabilit - răcirea (dar nu înghețarea) a unui volum mic de apă (300 ml) - este atins fără acesta.

Cum să faci singur un mini-frigider, chiller sau aer condiționat pe module termoelectrice

Răcirea aerului este o sarcină mai dificilă. Daca in cazul apei eficienta racitorului este garantata de diferenta de densitate a mediilor (apa - aer), atunci in cazul unui mediu omogen (aer - aer) situatia este mai complicata. Principala dificultate este eliminarea temperaturii de pe partea fierbinte a suprafeței TEM. Mai precis - îndepărtarea sincronă a temperaturii de pe ambele suprafețe. Dacă pur și simplu porniți elementul Peltier-Seebeck, aerul încălzit și răcit se va amesteca și temperatura se va egaliza.

În spațiile închise cu un volum mic (până la 0,7 m 3), un sistem de răcire bazat pe un TEM cu o evacuare a aerului pe două fețe este destul de aplicabil. Acest lucru vă permite să construiți o nouă cutie de răcire sau să dați o a doua viață unui vechi frigider (congelator). Pentru a face acest lucru, va trebui să complicați puțin sistemul incluzând o pereche de ventilatoare de evacuare de putere reciprocă, un releu de temperatură, un radiator cu aripioare și să utilizați module termoelectrice mai eficiente.

Avem nevoie (pentru un punct de răcire de bază):

1. TEM TES1-12712 (40X40), 106 wați - 1 buc.
2. Ventilator RQA 12025HSL 110VAC (sau mai puternic) - 2 buc.
3. Radiator HS 036-100 (100x85x25 mm).
4. Termostat TAM-133-1m (termostat cu senzor).
5. Alimentare DC 12 volți, 6 amperi (reglabilă).
6. Foaie de duraluminiu.
7. Fire, unsoare termica, elemente de fixare

În cutia finită, în partea superioară a zonei frigorifice, facem o fereastră dreptunghiulară cu dimensiunile de 100x100 mm. Decupam doua placi din duraluminiu cu dimensiunile de 130x130 mm si 180x180 mm. Fixăm ventilatorul în centrul plăcii mai mici în așa fel încât debitul de aer să rămână de 1 cm Instalați comutatorul de temperatură în interiorul cutiei. Montam plăcile mai mici din interiorul cutiei (cu un ventilator în interiorul cutiei) pe șuruburi sau nituri printr-un material de etanșare. Lipim TEM-urile pe placa montată și scoatem firele. Decupăm și îndoim o placă mare, astfel încât să se potrivească în orificiul de montare, dar în același timp există părți laterale pentru a o fixa pe peretele cutiei din exterior. Atașăm un radiator și un al doilea ventilator. Lubrifiați generos cu pastă termică TEM și montați placa pe peretele cutiei printr-un material de etanșare.

Atenţie! Trebuie sa existe un contact maxim intre zona TEM si placa!

Colectăm circuitul electric. Recomandăm pornirea ventilatoarelor la o putere maximă constantă, iar curentul pentru TEM prin regulator. Acest lucru va asigura eliminarea eficientă a temperaturii și amestecarea aerului atunci când funcționează în diferite moduri (nu la putere maximă).

Avantajele acestui design:

• funcționare silențioasă în comparație cu frigiderele cu compresor;
• lipsa mecanismelor și a pieselor mobile, forțe de frecare (nimic de spart);
• nu se folosesc purtători de căldură lichizi (freon);
• consum total de energie de aproximativ 200 wați;
• puteți actualiza designul, puteți varia performanța;
• disponibilitatea și întreținerea unităților individuale.

Dezavantaje:

• este posibilă apariția condensului pe plăcile de duraluminiu;
• unitate de control extern;
• mulți factori și nuanțe de lucru sunt dezvăluiți empiric în timpul utilizării;
• zonă mică de aplicare.

Calcularea costului construirii unui sistem de refrigerare de bază pentru un frigider și aer condiționat:

În principiu, acest design este un aparat de aer condiționat încorporat gata făcut, care poate fi instalat în cabina unei mașini, a unui tractor, într-o volieră închisă sau într-o cabină de securitate. Este necesar doar să ne gândim la protecția constructivă împotriva precipitațiilor atmosferice.

Rezerva de putere a modulului TEC1-12712 este destul de mare. Amplitudinea temperaturii pe părțile laterale ale elementului poate ajunge la 50 de grade. La o temperatură a aerului din încăpere de +27 ° C și la utilizarea unui sistem de răcire cu lichid (radiator + ventilator), puteți extrage un minus impresionant de 25 ° C la priză! Acest lucru vă permite să creați congelatoare fără compresor și silențioase, chiar și acasă.

Unde mai sunt folosite modulele termoelectrice?

Efectul Peltier-Seebeck este cunoscut încă din anii 1840. Este folosit în mod activ până în prezent, datorită stabilității legilor fizicii. Modulul termoelectric va găsi întotdeauna un loc în care există exces de energie sau este necesar să se efectueze rapid și silentios schimbul de căldură.

Principalele aplicații ale modulelor termoelectrice:

1. Răcirea microcircuitelor. Ventilatoarele, ca schimbător de căldură principal, sunt de domeniul trecutului. Ele sunt înlocuite cu TEM compacte, silențioase și aproape eterne.
2. Inginerie Mecanică. Chiar și cel mai modern ICE generează gaze de eșapament din camera de ardere. Inginerii își folosesc căldura pentru a genera energie suplimentară folosind elemente Peltier. Energia colectată este reintrodusă în sistemele motorului, dar sub formă de curent continuu, care economisește combustibil.
3. Aparate. Tot ce este descris mai sus, plus majoritatea aparatelor de uz casnic care funcționează pentru răcire sau încălzire (cu excepția frigiderelor cu compresor).

Și în sfârșit un mic secret. Modulul nostru are o proprietate aproape minunată - reversibilitatea. Aceasta înseamnă că atunci când polaritatea DC este inversată pe firele modulului (folosind un comutator), suprafețele calde și reci sunt inversate. Răcitorul se transformă într-un încălzitor, frigiderul se transformă într-o cameră termică (incubator), iar aparatul de aer condiționat se transformă într-un încălzitor cu ventilator de putere redusă. Pentru a face acest lucru, nu trebuie să modificați schema dispozitivului. Este suficient doar să schimbi polaritatea.

Acest principiu este utilizat într-un dispozitiv numit recuperator. Este o cutie formata din doua camere izolate, care comunica intre ele folosind ventilatoare. Cu ajutorul modulelor Peltier, aerul rece exterior este incalzit de energia extrasa din aerul incalzit care este scos din incapere. Dispozitivul vă permite să economisiți la încălzirea casei.

Vitali Dolbinov, rmnt.ru