Модулі Пельтьє у ПК: теорія та практика

https://secure.gravatar.com/avatar/2f8d57cddfeb455ba418faa11ee01bb0?s=96&r=g&d=https://itc.ua/wp-content/uploads/2023/06/no-avatar.png *** https:// secure.gravatar.com/avatar/2f8d57cddfeb455ba418faa11ee01bb0?s=96&r=g&d=https://itc.ua/wp-content/uploads/2023/06/no-avatar.png *** https://itc.ua/ wp-content/themes/ITC_6.0/images/no-avatar.svg

Автор | Стажер | Репутація Наднизька | Карма 0

Тема охолодження компонентів ПК хвилює багатьох користувачів. Більшість їх обмежуються стандартними повітряними кулерами, окремі ентузіасти збирають СВО. А що далі? Напевно ті, хто серйозно цікавився розгоном, чули про модулі Пельтьє (або термоелектричні модулі, далі за текстом – ТЕМ; англійський варіант – TEC, Thermoelectric Cooler) та їх застосування в якості тепло-відводів для елементів комп'ютера, що сильно нагріваються.

Однак найчастіше навіть базову інформацію щодо правильного використання цих дивовижних пристроїв знайти важко, звідси – численні помилки тих, хто вперше з ними стикається. До речі, виробники систем охолодження також експериментують з модулями Пельтьє, часом представляючи на суд публіки цікаві концепти. Як працюють ТЕМ, чи справді вони такі вже необхідні в СО комп'ютера, як самостійно зібрати нехитрі кулери і уникнути найпростіших помилок, досить характерних для новачків, – про все це ми розповімо в даному матеріалі.

Трохи теорії

Чим же є модулі Пельтьє? У базовому визначенні це термоелектричні перетворювачі, принцип дії яких ґрунтується на ефекті Пельтьє, відкритому далекого 1834 року.Суть цього процесу полягає у виникненні різниці температур у місці контакту матеріалів при протіканні крізь них електричного струму.

Ми не вдаватимемося до подробиць історії відкриття та наукового обґрунтування специфіки роботи ТЕМ, оскільки цій темі можна присвятити цілу дисертацію. Проте загальні поняття згадаємо.

Елементи Пельтьє складаються з двох струмопровідних матеріалів (напівпровідників) із різними рівнями енергії електронів у зоні провідності. Фізика протікання струму через подібні речовини така, що для переходу електронів їм потрібне певне підживлення, одержуване в момент проходження струму через спайку. У такому разі можливе переміщення частинок у високоенергетичну зону провідності від одного матеріалу до іншого. Місце зіткнення напівпровідників у момент поглинання енергії охолоджується. Зміна напрямку струму або переміщення електронів з більш енергетичної зони менш насичену призводить до нагрівання місця контакту. Крім цього, у модулях Пельтьє спостерігається тепловий ефект, характерний для будь-яких речовин, через які пропускають електричний струм. Взагалі процеси, властиві ТЕМ, виявляються і місці контакту звичайних металів, проте визначити їх без складних приладів майже неможливо. Тому основою для модулів є напівпровідники.

Елемент Пельтьє складається з однієї або більше пар напівпровідникових паралелепіпедів різних типів (як у діодах чи транзисторах, n- та p-типу). Сучасна індустрія з цією метою найчастіше вибирає германід кремнію і телурид вісмуту. Напівпровідники попарно з'єднуються металевими перемичками із легкоплавких речовин.Останні виконують роль термоконтактів і безпосередньо стикаються з керамічною пластинкою або підставкою. Пари напівпровідників з'єднані послідовно, різні види провідності контактують один з одним. З одного боку модуля є лише n->p-переходи, з іншого – p->n. Перебіг струму викликає охолодження та нагрівання протилежних груп контактів. Тому можна говорити про перенесення струмом теплової енергії з одного боку модуля Пельтьє на іншу і, як наслідок, виникнення різниці температур на платівці. Правильне застосування модулів дозволяє отримати деякі вигоди для промислових, зокрема комп'ютерних СО. До речі, елементи можуть бути використані і як електрогенератори – ґрунтуючись на тих же принципах роботи, фізика протікають усередині процесів пояснюється ефектом Зеєбека (умовно кажучи, той самий ефект Пельтьє з «протилежним знаком»).

Плюси та мінуси застосування ТЕМ

Найчастіше до переваг модулів Пельтьє відносять:

• порівняно невеликі габарити;
• можливість роботи і охолодження, і нагрівання системи;
• відсутність рухомих частин, механічних складових, схильних до зносу.

У той же час ТЕМ мають ряд недоліків, які стримують їх повсюдне практичне застосування. Серед них такі:

• низький ККД модулів;
• необхідність наявності джерела струму для їх роботи;
• велика споживана потужність для досягнення помітної різниці температур і, як наслідок, суттєве тепловиділення;
• обмежені габарити та корисні характеристики.

Однак, незважаючи на негативні характеристики модулів Пельтьє, вони знайшли своє застосування у ряді продуктів.ТЕМ вигідні насамперед там, де енергетична ефективність охолоджувача некритична, що менше – то краще. Елементи служать для охолодження пристроїв із зарядним зв'язком у цифрових фотокамерах, що дозволяють досягти помітного зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях. Модулі Пельтьє часто застосовують для охолодження і термостатування діодних лазерів з метою стабілізації довжини хвилі їх випромінювання. Можливе використання кількох ТЕМ, складених послідовно у вигляді каскадів (холодна сторона одного охолоджує гарячу іншу), завдяки чому реально досягти дуже низьких температур для пристроїв, що мають малий тепловиділення. Елементи Пельтьє – основа компактних холодильників, насамперед автомобільних. Їх застосовують і в мініатюрних сувенірах з комп'ютерної периферії, і в продуктивних СО в якості основних або допоміжних компонентів. Саме про останній варіант ми й поговоримо докладніше.

Модулі Пельтьє у ПК: практика

При переході до практичної реалізації СО з урахуванням ТЕМ необхідно зробити кілька застережень, які дозволять правильно підібрати параметри підсумкових конструкцій. Нерідко експерименти новачків закінчуються плачевно: або температури на холодній стороні модулів під час роботи виходять вище, ніж на гарячій, або системи демонструють відверто слабкі результати навіть у порівнянні зі стоковими кулерами без елементів Пельтьє. Причини часто криються в неправильному розрахунку (або побудові СО навмання).Справа в тому, що будь-який ТЕМ має свої штатні характеристики, зазвичай виділяють два значення (розглянемо їх на прикладі модуля ТЕС1-12709 із заявленою максимальною потужністю 136 Вт), наприклад, пишуть, що ΔTmax Qcmax=0(°С) 66 і Qcmax ΔTmax = 0 (W) 89.2. Перефразовуючи цей вираз: модуль здатний забезпечити максимальний перепад температур між сторонами, що дорівнює 89,2 ºС за відсутності теплового навантаження і 0 ºС за наявності такої на холодну сторону 66 Вт. Таким чином, корисне навантаження модуля лежить в межах від 0 до 66 Вт, в ідеалі – чим менше – тим краще та тим більшу різницю температур забезпечить ТЕМ. У той же час, будь-який модуль має іншу характеристику – максимальну споживану потужність, яку теж потрібно відвести від нього за допомогою системи охолодження. Для ТЕС1-12709 Umax (В), що розглядається, дорівнює 15.2 В, I max- 9 А. Отже, при зазначених параметрах маємо енергоспоживання 136,8 Вт, що, погодьтеся, чимало.

Система охолодження повинна успішно відводити тепло безпосередньо від модуля (забезпечуючи максимально можливу низьку температуру гарячої сторони) та компонентів ПК. Приблизний ККД такої системи можете обчислити самі - при корисній складовій 150-200 Вт (приблизно стільки виділяють сучасні розігнані CPU) для отримання хоч якихось видимих ​​результатів доведеться витратити не менше 600-800 Вт електричної потужності і відвести не менше кіловата теплової. Саме тому продуктивні СО на базі модулів Пельтьє не набули широкого поширення. Втім, прецеденти порівняно успішної реалізації гібридних кулерів відомі, а ми спробуємо створити свої – малопотужний та оптимальний.Щоб уникнути обмежень у вигляді недостатнього тепловідведення, на гарячу сторону ТЕМ помістимо продуктивні водоблоки, підключені в контур СВО. До речі, модулі Пельтьє не можна встановлювати безпосередньо на ядро/теплорозподільну кришку чіпів – тонка керамічна підкладка не здатна підтримувати ефективну теплопередачу до всіх напівпровідникових пар, що становлять ТЕМ. Для цієї мети найкраще підійде проміжний «буфер» - мідна пластинка завтовшки 5-7 мм, що повністю закриває поверхню модуля. До речі, оптимальний режим експлуатації елементів Пельтьє забезпечується при зниженій напрузі та струмі, що споживається. Наближення цих параметрів до максимальних істотно підвищує теплову віддачу пластини, проте не так відчутно корисну складову.

Ми вирішили максимально охолодити графічний чіп відеокарти Radeon HD 4350 і CPU Core 2 Duo E8500, спробувавши розігнати дані компоненти. Для відведення тепла від GPU використовувалися вже згаданий ТЕС1-12709 (максимальна споживана потужність – 136 Вт) та саморобний мідний водоблок, у парі з процесором працювали ТЕС1-12726 (395 Вт) та один з найкращих промислових водоблоків Swiftech Apogee. Модулі підключалися безпосередньо до комп'ютерного БП в 12-вольтовий ланцюг. Застосування кіловатного be quiet! Dark Power PRO BQT P6PRO-1000W давало всі підстави не переживати за нестачу потужності для живлення ПК та елементів системи охолодження. У контурі СВО працювали два «подвійні» радіатори під 120-міліметрові вентилятори та помпа Hydor Seltz L30 (продуктивністю 1200 л/год на холостому ході).

У разі охолодження компонентів до температур нижче за кімнатні (зокрема, нижче «точки роси») варто очікувати появи конденсату на переохолоджених поверхнях. Зрозуміло, що вода в такому вигляді є головним ворогом користувача і її виділення необхідно попередити. Робиться це шляхом ретельної теплоізоляції будь-яких поверхонь (частин РСВ, навколосокетного простору з обох боків плати, власне ТЕМ, теплорозподільника процесора та GPU) матеріалами, що не пропускають повітря. Найкраще для цих цілей підходить стандартний теплоізоляційний матеріал для труб водопостачання (на підставі спіненого каучуку), спеціальні замазки, окремі види поролону, що поставляється в комплекті з компонентами ПК, на крайній кінець термопасту та паперові серветки. В останньому випадку допустима експлуатація ПК лише для проведення короткочасних бенчінг-сесій. Теплоізоляція забезпечить підвищення загального ККД установки.

Підсумкові температури, отримані в різних режимах роботи компонентів, порівняння їх з показниками, що забезпечуються виключно системою водяного охолодження, наведені в діаграмі. Як бачите, модулі Пельтьє дозволили знизити температуру компонентів відчутно нижче за кімнатну (залежно від завантаження). У таких умовах не склало особливих труднощів розігнати процесор до частоти 4,3 ГГц з підвищенням напруги живлення до 1,35 В, а GPU змусити функціонувати на 800 МГц (штатне значення - 600 МГц). У той же час ми отримали відчутний нагрівання СО тестового стенду (в корпусі ситуація погіршилася б суттєвіше) і різке зростання рівня енергоспоживання ПК (власне, вся конструкція споживає більше, ніж окремо взятий комп'ютер на базі компонентів тестового стенду).Подібне рішення однозначно стане в нагоді взимку, проте влітку навряд чи порадує більшість користувачів.

Чи готові ви на такі жертви для досягнення порівняно низьких температур на компонентах ПК? Вирішуйте самі, але пам'ятайте про базові поради, наведені в цій частині матеріалу – вони допоможуть правильно застосувати модулі Пельтьє на практиці. Використання систем охолодження на основі ТЕМ розумно та виправдано у випадку з малопотужними компонентами (чіпсетами материнських плат, GPU низько- та середньорівневих відеокарт). Не забувайте і про теплоізоляцію елементів, що охолоджуються – адже конденсат є головним ворогом системи під час експериментів з ТЕМ.

Висновки

Підсумовуючи вищесказане щодо особливостей роботи модулів Пельтьє та доцільності їх практичного застосування, повторимося: ТЕМ мають згадані переваги та недоліки, які не дозволяють дати однозначної відповіді на запитання: «Чи варто…?» Їх використання виправдане для відведення незначних теплових навантажень (саме до них належать компактні холодильники, термостатовані лазери; ЗІ для малопотужних компонентів ПК – чіпсетів та окремих GPU).

На базі елементів Пельтьє можна створювати різні саморобні охолоджувальні та нагрівальні пристрої, є приклади успішної реалізації малопотужних генераторів. Але перш ніж займатися виготовленням подібних конструкцій, ознайомтеся все ж таки з теоретичної складової – попередня підготовка позбавить помилок і заощадить час у момент практичного втілення проектів.

Говорити про застосування модулів Пельтьє в ПК слід досить обережно: прочитавши про отримання низьких температур на елементах, що охолоджуються, новачки часто забувають про значну споживану і виділяється потужність подібних СО, не враховують параметри і «запас міцності» окремо взятої конструкції. ТЕМ зацікавлять насамперед оверклокерів, для яких будь-який виграшний градус і кожен мегагерц є важливими. Розглянуті елементи – проміжна ланка між класичними системами водяного охолодження та чилерами чи фреонками, що працюють за принципом фазового переходу. Втім, застосування ТЕМ не назвеш простим, тому перш ніж приступати до серйозних експериментів, ретельно зважте всі «за» і «проти».

Що таке "елемент Пельтьє": переваги технології

Ефект Пельтьє є протилежним «термомагнітним» ефектом Зеєбека.

➞ Елемент Пельтьє — це термоелектричний пристрій також відомий як термоелектричний модуль (TEM) або Peltier cooler. Цей пристрій заснований на термоелектричному ефекті, який виявив французький фізик Жан Чарльз Атанасіус Пельтьє у 1834 році.

Основна ідея у тому, що електричний струм може створювати термічну передачу між двома провідниками з різними температурами.

Принцип дії елемента Пельтьє

Розберемо що таке елемент Пельтьє відповідно до його термоелектрорушійної сили:

Механізм пристрою ґрунтується на термоелектричному ефекті, який проявляється у напівпровідниках. Цей ефект дозволяє використовувати електричний струм для передачі тепла між двома зарядженими напівпровідниками.

Основні компоненти включають два різні напівпровідники, зазвичай бісмут-телурид (Bi2Te3) і твердий розчин SiGe, з'єднані металевими елементами на обох кінцях.

При протіканні електричного струму через такий матеріал електрон повинен отримати енергію для переходу в більш високу енергетичну зону та переміщення в інший провідник. У результаті один кінець матеріалу нагрівається, а інший охолоджується.

Різні терморегулюючі пристрої, наприклад інкубатори, часто використовують цю технологію як ключовий компонент для досягнення потрібних температурних умов.

Переваги холодильного обладнання з елементами Пельтьє

Холодильне обладнання, що використовує технологію Пельтьє, має багато переваг. Розглянемо основні:

Відсутність рухомих частин

Холодильні пристрої з елементами Пельтьє не мають механічних компресорів і частин, що рухаються, що робить їх більш надійними і довговічними. Відсутність компресора також зменшує шум та вібрації, що може бути важливим у чутливих до шуму додатках.

Компактність

Пельтьє-модулі мають невеликі обсяги. Це особливо важливо у випадках, коли обмежений простір, такий як міні-холодильники, автомобільні холодильники або портативні системи.

Оборотність

Елементи Пельтьє мають оборотний ефект, що означає, що вони можуть працювати як охолоджувачі та нагрівачі в залежності від напрямку електричного струму. Така функція потрібна регулювання температури.

Безпека та екологічність

Термоелектричні модулі не використовують шкідливі холодоагенти, такі як фреони, що робить їх безпечнішими для навколишнього середовища.

Низьке енергоспоживання

У разі відсутності навантаження (наприклад, коли потрібна лише підтримка низької температури), системи з елементами Пельтьє можуть мати низьке енергоспоживання.

Швидкий відгук

Елементи можуть забезпечувати швидкий відгук на зміни температури, що важливо, наприклад, для медичних та лабораторних програм.

Класичним прикладом термостатування за допомогою цієї технології є інкубатори. Охолоджувальні моделі не можуть підтримувати низькі температури (нижче 10 °C) протягом тривалого часу. З іншого боку, обладнання для інкубації в межах 15 – 70 °C має широке застосування в лабораторних дослідженнях.

При виготовленні елементів неминуче створюється тісне розташування теплових та холодних сторін. Сучасні модулі виробляють товщиною до 3-5 мм, що потребує ефективної системи тепловідведення. Для вирішення цієї технічної задачі широко використовуються великі радіатори з вентиляторами.

Однак варто зазначити, що термоелектричні модулі також мають свої недоліки, такі як відносно низький коефіцієнт корисної дії порівняно з компресорними системами у великих масштабах та обмежену здатність до охолодження на значні температурні відмінності. Тому вибір між системами з елементами Пельтьє та традиційними холодильними системами залежить від конкретних вимог до застосування.