Элементы Пельтье. Работа и применение
Определение 1
Статья о температурных аномалиях, которые наблюдаются на границах двух разных проводников, когда по ним течет электрический ток, была опубликована Пельтье в 1834 г. Сам Пельтье в сущности явления не разобрался, его разъяснил Ленц в 1838 г. Ленц проводил следующий опыт. В выемку на стыке стержней висмута и сурьмы он помещал каплю воды. Если ток пропускался в одном направлении, вода замерзала, в ток шел в противоположном направлении полученный лед таял. Так было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, кроме джоулева тепла выделяется или поглощается (это зависит от направления тока) дополнительная теплота. Эта теплота получила название - теплота Пельтье. Процесс выделения (поглощения) дополнительной теплоты в контакте двух проводников -- носит название «явление Пельтье» . Теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока, изменяет знак при изменении направления тока. Эмпирически получено, что теплоту Пельтье ($Q_P$) можно выразить с помощью формулы:
где $q$ -- заряд, $П$ -- коэффициент Пельтье, который зависит от контактирующих материалов и их температуры. $Q_P>0$, если она выделяется.
Объяснение эффекта Пельтье в классической теории
Классическая электронная теория проводимости трактовала явление Пельтье так: электроны, которые переносятся током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под воздействием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В одном случае кинетическая энергия электронов растет, а затем выделяется как теплота. В другом случае, кинетическая энергия уменьшается, и это уменьшение пополняется за счет тепловых колебаний атомов, в результате чего происходит охлаждение.
Следовало бы ожидать, что коэффициент эффекта Пельтье будет равен контактной разности потенциалов, но это не так. В соответствии с классической теорией средняя кинетическая энергия теплового движения электронов в контактирующих металлах считается одинаковой, а это не так. Дело в том, что положения уровней Ферми в разных металлах различно. Классическая теория учитывает только разницу потенциальных энергий по разные стороны границы раздела металлов, при этом считает, что кинетические энергии электронов одинаковы. Однако следует учесть изменение полной энергии электрона его при переносе из одного металла в другой.
Для большинства пар проводников коэффициент Пельтье имеет значение порядка ${10}^{-2}-\ {10}^{-3}В$ (вольт).
Эффект Пельтье для полупроводников
Эффект Пельтье, как в прочем все термоэлектронные явления, особенно сильно проявляется в цепях из электронных и дырочных полупроводников.
Допустим, что имеется контакт дырочного полупроводника и электронного, причем ток идет от дырочного проводника к электронному. В таком случае дырки в дырочном полупроводнике и электроны в электронном полупроводнике станут двигаться навстречу друг другу. Электроны, из свободных зон электронного полупроводника пройдя границу раздела, попадают в заполненную зону дырочного полупроводника и там аннигилируется с дыркой. Как следствие такой рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в виде тепла в контакте полупроводников.
Рассмотрим случай, когда ток идет от электронного полупроводника к дырочному. В этом случае, электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике движутся в противоположные стороны. Дырки, перемещающиеся от границы раздела полупроводников, пополняются в результате образования новых пар при переходе электронов из заполненной зоны дырочного полупроводника в свободную зону. На образование подобных пар необходима энергия, которая предоставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Под воздействием электрического поля возникающие электроны и дырки движутся в противоположные стороны. Непрерывное рождение новых пар идет пока ток течет через контакт. В результате этого процесса теплота поглощается.
Примечание 1
Явление Пельтье в полупроводниках используют в охлаждающих устройствах.
Тепло Джоуля - Ленца и тепло Пельтье
Надо отметить, что между явлением Пельтье и выделением тепла Джоуля -- Ленца есть существенные различия. Количество теплоты, которая выделяется в соответствии с законом Джоуля -- Ленца ($Q\sim I^2$) не зависит от направления тока. Теплота, которая выделяется (или поглощается) в результате эффекта Пельтье пропорциональна первой степени силы тока ($Q_P\sim I$) и изменяет знак при смене направления тока. Кроме того, тепло Джоуля - Ленца зависит от сопротивления проводника, теплота Пельтье от него не зависит.
Обычно, теплота Пельтье существенно меньше, чем тепло Джоуля -- Ленца. Для того, чтобы выявить эффект именно от явления Пельтье следует как можно сильнее уменьшить тепло Джоуля - Ленца, применяя толстые проводники с минимальным сопротивлением.
Пример 1
Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:
где $j$ -- плотность тока, $q_e\ $-- заряд электрона.
Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:
где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT-- не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.
Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:
\[\left\langle E_{k1}\right\rangle \ne \left\langle E_{k2}\right\rangle \left(1.3\right).\]
Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:
Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ -- площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:
\It\left(1.5\right),\]
где $I=jS$ -- сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:
Или для нашего случая из выражения (1.7) можно записать:
Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:
\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(1.8\right).\]
Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля -- Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ - контактный скачок потенциала.
Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:
\[П_{12}=ц_1-\ ц_2=U_{i12}.\ \]
В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.
Что и требовалось показать.
Пример 2
Задание: Чему равен коэффициент Пельтье при температуре T=0 K (случай сильно вырожденного электронного газа)?
В состоянии сильного вырождения (T=0 K) все квантовые состояния в зоне проводимости с энергией, которая меньше уровня Ферми полностью заняты электронами. При этом ускоряться полем могут только электроны, которые имею энергии равную энергии Ферми (в первом приближении энергию Ферми примем равной химическому потенциалу $\mu $). Поэтому в формуле для коэффициента Пельтье, которую мы получили в предыдущем примере:
\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(2.1\right)\]
под $\left\langle E_{k2}\right\rangle \ и\ \left\langle E_{k1}\right\rangle $ надо понимать максимальные кинетические энергии электронов и принять, что:
\[\left\langle E_{k2}\right\rangle ={\mu }_2,\ \left\langle E_{k1}\right\rangle {=\mu }_1\left(2.2\right).\]
С другой стороны мы знаем, что:
Подставим выражения (2.3) и (2.2)
в формулу (2.1), получим:
\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(м_2-м_1\right)-\left(м_1-м_2\right)\right]=0.\]
Ответ: При $T$=0 $K$, $П_{12}=0\ В.$
Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.
Ролик 1
Ролик 2
В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.
Это физическое явление было открыто в 1834
году Жаном-Шарлем Пельтье
, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье.
Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.
Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе
предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.
Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека , более известному как термоэлектрический эффект.
Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.
Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением
термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи
.
Батарея Пельтье
Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.
Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.
НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.
Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.
Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.
Пельтье эффект Пельтье́ эффе́кт
выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье.
ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТПЕЛЬТЬЕ́ ЭФФЕ́КТ, для термоэлектрических явлений (см.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ)
, заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разных проводников. Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека (см.
ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ)
.
Открыт в 1834 г.
Ж. Пельтье (см.
ПЕЛЬТЬЕ Жан Шарль Атаназ)
, который обнаружил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. В 1838 г. Э. Х. Ленц (см.
ЛЕНЦ Эмилий Христианович)
показал, что при достаточно большой силе тока можно либо заморозить, либо довести до кипения каплю воды, нанесенную на спай, изменяя направление тока.
Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом Пельтье Q п. В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина Q п пропорциональна первой степени тока.
Q п = П. I . t.
t - время прохождения тока,
I - сила тока.
П - коэффициент Пельтье, коэффициент пропорциональности, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Теоретические представления позволяют выразить коэффициент Пельтье через микроскопические характеристики электронов проводимости.
Коэффициент Пельтье П = Т Da, где Т - абсолютная температура, а Da - разность термоэлектрических коэффициентов проводников. От направления тока зависит, выделяется или поглощается тепло Пельтье.
Причина возникновения эффекта заключается в том, что в случае контакта металлов или полупроводников на границе возникает внутренняя контактная разность потенциалов. Это приводит к тому, что потенциальная энергия носителей по обе стороны контакта становится различной, так как средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и различна в разных проводниках. Так как средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в разных проводниках различается, в процессе соударений с ионами решетки носители отдают избыток кинетической энергии решетке, и тепло выделяется. Если при переходе через контакт потенциальная энергия носителей уменьшается, то увеличивается их кинетическая энергия и электроны, сталкиваясь с ионами решетки, увеличивают свою энергия до среднего значения, при этом тепло Пельтье поглощается. Таким образом, при переходе электронов через контакт электроны либо передают избыточную энергия атомам, либо пополняют ее за их счет.
При переходе электронов из полупроводника в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми (см. Ферми энергия (см.
ФЕРМИ-ЭНЕРГИЯ)
) металла, и электроны отдают свою избыточную энергию. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых приборов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Смотреть что такое "Пельтье эффект" в других словарях:
Выделение или поглощение теплоты при прохождении электрич. тока I через контакт двух разл. проводников. Выделение теплоты сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт франц. физиком Ж. Пельтье (J. Peltier) в 1834. Кол во теплоты… … Физическая энциклопедия
Эффект Пельтье процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения… … Википедия
Выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье … Большой Энциклопедический словарь
Выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух различных проводников. Выделение тепла сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт Ж. Пельтье в 1834. Количество выделенного или … Большая советская энциклопедия
Эффект Пельтье термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида … Википедия
Полупроводниковые холодильники Пельтье
Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютеров, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах разгона (overclocking). Эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы их работы. Как правило, такими средствами поддержки оптимальных температурных режимов являются кулеры, основой которых являются традиционные радиаторы и вентиляторы.
Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новейших технологий и применения в их составе разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой с целью достижения наибольшей эффективности при обеспечении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, что повышает надежность и удлиняет сроки их безаварийной работы.
Параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, тем не менее, в последнее время на компьютерном рынке появились и вскоре стали популярными такие специфические средства охлаждения электронных элементов как полупроводниковые холодильники Пельтье (хотя часто применяется слово кулер, но правильным термином в случае элементов Пельтье является именно холодильник).
Холодильники Пельтье, содержащие специальные полупроводниковые термоэлектрические модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 г., являются чрезвычайно перспективными устройствами охлаждения. Подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники.
В шестидесятых и семидесятых годах отечественной промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых была основана на эффекте Пельтье. Однако несовершенство существовавших технологий, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие цены не позволили в те времена подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды.
Но эффект Пельтье и термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить. В результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.
В последние годы данные модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. Их, в частности, стали применять для охлаждения современных мощных процессоров, работа которых сопровождается высоким уровнем тепловыделения.
Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. Как кулеры электронных компонентов, данные средства поддержки необходимых температурных режимов их эксплуатации являются чрезвычайно перспективными. Они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью работы.
Особенно большой интерес полупроводниковые холодильники представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых, установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов — разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности применяемых электронных компонентов, а, следовательно, как правило, и всей системы компьютера. Однако работа компьютерных компонентов в подобных режимах отличается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий. Такими компьютерными компонентами, работа которых сопровождается высоким тепловыделением, являются не только высокопроизводительные процессоры, но и элементы современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и микросхемы модулей памяти. Подобные мощные элементы требуют для своей корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.
Модули Пельтье
В холодильниках Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845 г.), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад — в 1834 г.
Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Ленцем (1804-1865 г.).
В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление получило название явления Пельтье (эффекта Пельтье). Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Если в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников, температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770-1831 г.).
В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q=R·I·I·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:
Qп = П ·q
где q — количество прошедшего электричества (q=I·t), П — так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.
Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.
Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu — медь, Bi — висмут.
В представленной схеме опыта измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.
Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.
| Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Железо-константан | Медь-никель | Свинец-константан | |||
| T, К | П, мВ | T, К | П, мВ | T, К | П, мВ |
| 273 | 13,0 | 292 | 8,0 | 293 | 8,7 |
| 299 | 15,0 | 328 | 9,0 | 383 | 11,8 |
| 403 | 19,0 | 478 | 10,3 | 508 | 16,0 |
| 513 | 26,0 | 563 | 8,6 | 578 | 18,7 |
| 593 | 34,0 | 613 | 8,0 | 633 | 20,6 |
| 833 | 52,0 | 718 | 10,0 | 713 | 23,4 |
Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:
П = a · T
где П — коэффициент Пельтье, a — коэффициент Томсона, T — абсолютная температура.
Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.
Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.
Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.
Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа — p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 2.
Рис. 2. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.
Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура модуля Пельтье
Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 4 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.
Рис. 4. Внешний вид модуля Пельтье
Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор — холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 5 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.
Рис. 5. Пример каскадного включения модулей Пельтье
Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье.
Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.
Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводящими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. Тем не менее, несмотря ни на что, именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD в совместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, то есть увеличить их частоту работы почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. И необходимо подчеркнуть, что данный уровень производительности достигнут в условиях обеспечения необходимой стабильности и надежности работы процессоров в форсированных режимах. Ну, а следствием такого экстремального разгона явился рекорд производительности среди процессоров архитектуры и системы команд 80х86. А фирма KryoTech неплохо заработала, предлагая на рынке свои установки охлаждения. Снабженные соответствующей электронной начинкой, они оказались востребованными в качестве платформ высокопроизводительных серверов и рабочих станций. А фирма AMD получила подтверждение высокого уровня своих изделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствования архитектуры своих процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования были проведены и с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, в результате которых был получен тоже значительный прирост производительности.
Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.
На рис. 6 представлен внешний вид активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье.
Рис. 6. Внешний вид кулера с модулем Пельтье
Следует отметить, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение модули Пельтье имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии.
Информацию о модулях и холодильниках Пельтье, а также особенностях и результатах их применения можно найти на сайтах в Internet, например, по следующим адресам:
Особенности эксплуатации
Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.
Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:
- Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера. Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов. Следует отметить, что существуют холодильники Пельтье с собственным блоком питания.
- Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
- Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Ниже представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуру конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25°C, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18°C.
Температура конденсации влаги
| Влажность, % | |||||||||
| Температура окружающей среды, °C |
30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 |
| 30 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 23 | 24 |
| 29 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 19 | 20 | 22 | 23 |
| 28 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 | 21 | 22 |
| 27 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 17 | 19 | 20 | 21 |
| 26 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 20 |
| 25 | 6 | 9 | 11 | 12 | 14 | 15 | 17 | 18 | 19 |
| 24 | 5 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 16 | 17 | 18 |
| 23 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 14 | 15 | 16 | 17 |
| 22 | 4 | 6 | 8 | 10 | 11 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 21 | 3 | 5 | 7 | 9 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 20 | 2 | 4 | 6 | 8 | 9 | 11 | 12 | 13 | 14 |
Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.
Архитектура современных процессоров и некоторые системные программы предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки процессоров. Это позволяет оптимизировать их энергопотребление. Кстати, это предусмотрено и стандартами энергосбережения, поддерживаемыми некоторыми функциями, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора и его энергопотребления благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что существующие холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В связи с этим, простейшие холодильники Пельтье, не обладающие средствами контроля, не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также с операционными системами Windows NT/2000 или Linux.
В случае перехода процессора в режим пониженного энергопотребления и соответственно тепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса и кристалла процессора. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаях временное прекращение его работоспособности, и как результат, стойкое зависание компьютера. Необходимо напомнить, что в соответствии с документацией фирмы Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа серийных процессоров Pentium II и Pentium III, обычно составляет +5 °C, хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах.
Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.
Необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники Пельтье могут быть хорошей альтернативой традиционным средствам охлаждения видеочипсетов, используемых в составе современных высокопроизводительных видеоадаптеров. Работа таких видеочипсетов сопровождается значительным тепловыделением и обычно не подвержена резким изменениям режимов их функционирования.
Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.
Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.
Работы в направлении совершенствования систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.
Примеры холодильников Пельтье
Сравнительно недавно на компьютерном рынке появились модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надежные и сравнительно дешевые ($7-$15) устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав. Тем не менее, подобные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению в системах защиты компьютерных компонентов. Вот краткие параметры одного из образцов.
Размер модуля (Рис.7) — 40×40 мм, максимальный ток — 6 А, максимальное напряжение — 15 В, потребляемая мощность — до 85 Вт, перепад температур — более 60 °C. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.
Рис. 7. Внешний вид холодильника PAP2X3B
На рынке представлены как менее, так и более мощные варианты отечественных модулей Пельтье.
Спектр зарубежных устройств значительно шире. Ниже приведены примеры холодильников, в конструкции которых использованы термоэлектрические модули Пельтье.
Активные холодильники Пельтье фирмы Computernerd
| Название | Производитель / поставщик | Параметры вентилятора | Процессор |
| PAX56B | Computernerd | ball-bearing | Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт |
| PA6EXB | Computernerd | dual ball-bearing, тахометр | Pentium MMX до 40 Вт |
| DT-P54A | DesTech Solutions | dual ball bearing | Pentium |
| AC-P2 | AOC Cooler | ball bearing | Pentium II |
| PAP2X3B | Computernerd | 3 ball bearing | Pentium II |
| STEP-UP-53X2 | Step Thermodynamics | 2 ball bearing | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
| PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier | Computernerd | 3 ball-bearing, тахометр | Pentium II, Celeron |
Холодильник PAX56B разработан для охлаждения процессоров Pentium и Pentium-MMX фирм Intel, Cyrix и AMD, работающих на частотах до 200 МГц. Термоэлектрический модуль размером 30×30 мм позволяет холодильнику поддерживать температуру процессора ниже 63 °C при рассеиваемой им мощности 25 Вт и внешней температуре равной 25 °C. В связи с тем, что большинство процессоров рассеивают меньшую мощность, данный холодильник позволяет поддерживать температуру процессора гораздо ниже, чем многие альтернативные кулеры на основе радиаторов и вентиляторов. Питание модуля Пельтье, входящего в состав холодильника PAX56B, осуществляется от источника 5 В, способного обеспечить ток 1,5 А (максимум). Вентилятор данного холодильника требует напряжение 12 В и ток 0,1 А (максимум). Параметры вентилятора холодильника PAX56B: ball-bearing, 47,5 мм, 65000 часов, 26 дБ. Общий размер данного холодильника составляет 25×25×28,7 мм. Ориентировочная цена холодильника PAX56B равна $35. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.
Холодильник PA6EXB разработан для охлаждения более мощных процессоров Pentium-MMX, рассеивающих мощность до 40 Вт. Этот холодильник подходит для всех процессоров фирм Intel, Cyrix и AMD, подключаемых через Socket 5 или Socket 7. Термоэлектрический модуль Пельтье, входящий в состав холодильника PA6EXB имеет размер 40×40 мм и потребляет максимум ток 8 А (обычно 3 А) при напряжении 5 В с подключением через стандартный разъем питания компьютера. Общий размер холодильника PA6EXB составляет 60×60×52,5 мм. При установке данного холодильника для хорошего теплообмена радиатора с окружающей средой необходимо обеспечить открытое пространство вокруг холодильника как минимум 10 мм сверху и 2,5 мм по бокам. Холодильник PA6EXB обеспечивает температуру процессора 62,7 °C при рассеиваемой им мощности 40 Вт и внешней температуре 45 °C. Учитывая принцип работы термоэлектрического модуля, входящего в состав данного холодильника, во избежание конденсации влаги и короткого замыкания необходимо избегать использования программ, которые переводят процессор в спящий режим на длительное время. Ориентировочная цена такого холодильника составляет $65. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.
Холодильник DT-P54A (также известен под названием PA5B фирмы Computernerd) разработан для процессоров Pentium. Однако некоторые фирмы, предлагающие эти холодильники на рынке, рекомендуют его и пользователям Cyrix/IBM 6x86 и AMD K6. Радиатор, входящий в состав холодильника, достаточно мал. Его размеры 29×29 мм. В холодильник встроен термодатчик, который при необходимости оповестит о перегреве. Он также контролирует элемент Пельтье. В комплект входит внешнее контролирующее устройство. Оно выполняет функции контроля за напряжением и самой работой элемента Пельтье, работой вентилятора, а также температурой процессора. Устройство выдаст сигнал тревоги, если элемент Пельтье или вентилятор вышли из строя, если вентилятор вращается со скоростью меньшей, чем на 70% от необходимого значения (4500 RPM) или же температура процессора поднялась выше 145°F (63°C). Если температура процессора поднялась выше 100°F (38°C), то элемент Пельтье автоматически включается, в противном случае он находится в режиме отключения. Последняя функция ликвидирует проблемы, связанные с конденсацией влаги. К сожалению, сам элемент приклеен к радиатору настолько сильно, что его невозможно отделить, не разрушив его конструкцию. Это лишает возможности установить его на другой, более мощный радиатор. Что касается вентилятора, то его конструкция характеризуется высоким уровнем надежности и он обладает высокими параметрами: напряжение питания — 12 В, скорость вращения — 4500 RPM, скорость подачи воздуха — 6.0 CFM, потребляемая мощность — 1 Вт, шумовые характеристики — 30 дБ. Этот холодильник достаточно производителен и полезен при разгоне. Однако в некоторых случаях разгона процессора следует воспользоваться просто большим радиатором и хорошим кулером. Цена этого холодильника составляет от $39 до $49. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом нескольких фирм на середину 2000 г.
Холодильник AC-P2 разработан для процессоров типа Pentium II. В комплект входит 60 мм кулер, радиатор и элемент Пельтье размером 40 мм. Плохо подходит к процессорам Pentium II 400 МГц и выше, так как практически не охлаждаются чипы памяти SRAM. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $59.
Холодильник PAP2X3B (рис. 8) аналогичен AOC AC-P2. В него добавлены два 60 мм кулера. Проблемы с охлаждением памяти SRAM остались нерешенными. Стоит отметить, что
холодильник не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также под операционными системами Windows NT или Linux, так как вероятна конденсация влаги на процессоре. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79.
Рис. 8. Внешний вид холодильника PAP2X3B
Холодильник STEP-UP-53X2 оснащен двумя вентиляторами, прокачивающими большое количество воздуха через радиатор. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79 (Pentium II), $69 (Celeron).
Холодильники серии Bcool от Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) разработаны для процессоров Pentium II и Celeron и имеют похожие характеристики, которые представлены в следующей таблице.
Холодильники серии BCool
| Item | PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier |
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier |
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier |
|||||||
| Рекомендуемые процессоры | Pentium II and Celeron | |||||||||
| Количество вентиляторов | 3 | |||||||||
| Тип центрального вентилятора | Ball-Bearing, тахометр (12 В, 120 мА) | |||||||||
| Размер центрального вентилятора | 60x60x10 мм | |||||||||
| Тип внешнего вентилятора | Ball-Bearing | Ball-Bearing, тахометр | Ball-Bearing, термистр | |||||||
| Размер внешнего вентилятора | 60x60x10 мм | 60x60x25 мм | ||||||||
| Напряжение, ток | 12 В, 90 мА | 12 В, 130 мА | 12 В, 80-225 мА | |||||||
| Общая площадь охвата вентиляторами | 84.9 см 2 | |||||||||
| Общий ток для вентиляторов (мощность) | 300 мА (3.6 Вт) |
380 мА (4.56 Вт) |
280-570 мА (3.36-6.84 Вт) |
|||||||
| Количество штырьков на радиаторе (центр) | 63 длинных и 72 коротких | |||||||||
| Количество штырьков на радиаторе (с каждого края) | 45 длинных и 18 коротких | |||||||||
| Общее количество штырьков на радиаторе | 153 длинных и 108 коротких | |||||||||
| Размеры радиатора (центр) | 57x59x27 мм (включая термоэлектрической модуль) | |||||||||
| Размеры радиатора (с каждого края) | 41x59x32 мм | |||||||||
| Общие размеры радиатора | 145x59x38 мм (включая термоэлектрической модуль) | |||||||||
| Общие размеры холодильника | 145x60x50 мм | 145x60x65 мм | ||||||||
| Вес холодильника | 357 грамм | 416 грамм | 422 грамм | |||||||
| Гарантия | 5 лет | |||||||||
| Ориентировочная цена (2000 г.) | $74.95 | $79.95 | $84.95 | |||||||
Следует отметить, что группа холодильников BCool включет в себя также устройства, которые имеют похожие характеристики, но в которых отсутствуют элементы Пельтье. Такие холодильники, естественно, дешевле, но и менее эффективны как средства охлаждения компьютерных комплектующих.
При подготовке статьи были использованы материалы книги "PC: настройка, оптимизация и разгон". 2-е изд., перераб. и доп., — СПб.: BHV — Петербург. 2000. — 336 с.
Выполнил студент группы АТ-11
Мухарлямов Ильдар
Эффект Пельтье
Вход: электрический ток.
Выход: количество теплоты, температура.
Сущность
При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.
р или n ) (см. рис.). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействие электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-n перехода, с тепловым колебаниями атомов в массив полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев () или охлаждение (Т с ) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (р- n или n-p переходу).
Математическое описание
,
Где
- тепло Пельтье, Дж
П – коэффициент Пельтье;
q – заряд, прошедший через контакт, Кл;
I - Ток в проводнике, А;
t – время, с.
Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменения параметров:
до
1 В – полупроводник;
I –до нескольких ампер;
Q – от 0 до 50 Дж (за 1 сек.)
Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:
q
T,
Где
Томсона;
Применение
Модуль Пельтье Примечателен тем, что при прохождении через него электрического тока представляет собой термонасос, т.е. перекачивает тепло с одной стороны на другую, благодаря чему активно используется в различных системах охлаждения, от холодильников для напитков, до систем охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и различных чипов, особенно там, где нужно ускорить процесс забора тепла от нагревающегося элемента. Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.
Для увеличения отношения сигнал/ шум фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) предлагается способ охлаждения фотокатодов термоэлектрическими элементами, расположенными внутри вакуумной оболочки ФЭУ (Пат. 3757151 США).
Устройство для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи – во внешнем пространстве (Заявка 1297У02 ФРГ).
Изображение устройства
Плюсы и минусы применения ТЭМ
Зачастую к достоинствам модулей Пельтье относят:
сравнительно небольшие габариты;
возможность работы и на охлаждение, и на нагревание системы;
отсутствие движущихся частей, механических составляющих, подверженных износу.
В то же время ТЭМ обладают рядом недостатков, существенно сдерживающих их повсеместное практическое применение. Среди них следующие:
низкий КПД модулей;
необходимость наличия источника тока для их работы;
большая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур и, как следствие, существенное тепло-выделение;
ограниченные габариты
Контрольные вопросы:
В чем сущность эффекта Пельтье?
(При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощаются или выделяются, в зависимости от направления тока, тепло.)
От чего зависит коэффициент Пельтье?
(Коэффициент Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температур.)
Какие проводники используется в эффекте Пельтье?
Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р или n )
Как связан коэффициент Пельтье, с коэффициентом Томсона?
q
T,
Где
Томсона;
Т – коэффициент температуры, К.
Основные применение эффекта?
(Используется в различных системах охлаждения)
Задачи:
Найти коэффициент Пельтье, зная что ток равный 10 А прошел за 3 секунды и выделил 50 Дж тепла.
Чему будет равен коэффициент Томсона, если заряд равен 70 Кл, а абсолютная температура равна 300 К. Коэффициент Пельтье равен 1,7 В.
Сколько выделится тепла в местах контакта разнородных проводников, если коэффициент Пельтье равен 73 мВ, а заряд прошедший через термомодуль равен 40 Кл.
Решение: Qп=П*q=2.92 (Дж).
Найти время за которое пройдет ток в проводнике зная, что напряжение 120 В, сопротивление 10 Ом. При этом выделяется 1 Дж тепла, а коэффициент Пельтье равен 60 мВ.
