Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье
Рисунок 17.22. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье
Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующем действиям:
1. По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют ток I, протекающий через модуль Пельтье, при этом величина тока I должна быть в диапазоне восходящей кривой dT(I).
2. Для значения тока I по линиям, определяющим зависимость dT от Qc, (в левом нижнем углу рисунка графиков) выбирается соответствующая характеристика.
3. По значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье, вычисляемая как Тс = Th — dT.
Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT = Th — Тс) между горячей (Th) и холодной сторонами (Тс) используемого модуля Пельтье. При этом чем выше ток, протекающий через модуль и определяемый приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.
Пример расчета.
1. Для напряжения 12 В ток составляет 5 А.
2. Для электрического тока 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К (45 °С), для 40 Вт - 25 К, для 60 Вт - 4 К.
3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50 °С), можно вычислить температуру Тс для каждого значения Qc. Для случая тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5 °С), для 40 Вт — 298 К (25 °С), для 60 Вт- 319 К(46°С),
Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей величины разности температур горячей и холодной его сторон. Так, например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8,5 A, Umax = 28,8 В) обеспечивает разность температур в 35—40 °С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.
Однако, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, 1 = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента. Тепловой поток, порождаемый данными источниками, ложится на охлаждающие средства. При этом используемые средства, представленные, как правило, соответствующими радиатором и вентилятором, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровень температуры горячей стороны модуля Пельтье. В тех же случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля зависит как от разности температур, так и от величины температуры на горячей стороне этого модуля.
Кстати, следует обратить внимание, что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимо обеспечить использование всей поверхности горячей и холодной сторон. Если же площадь, например, холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то следует применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров и толщины, изготовленные, например, из меди или алюминия.
К сожалению, этим не исчерпываются все проблемы использования модулей Пельтье, применяемых в составе кулеров. Дело в том, что 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 кулеры Пельтье, получившие наибольшее распространение, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. Поэтому 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, Pentium 4, обычно составляет +5 °С, 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 с помощью встроенных аппаратных средств материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера, оптимизируя условия его работы. Однако в случае использования простейших кулеров Пельтье, в конструкции которых не предусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье. Это связано с тем, что он, кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.
Необходимо отметить, что, кроме охлаждения процессоров компьютеров, кулеры 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 кулерами Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров. В простейшем случае это может быть миниатюрное термореле на основе биметаллической пластины, укрепленное на модуле Пельтье и управляющее работой его охлаждающего вентилятора.
Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение споеобствует 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 среди них системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.
Примеры кулеров Пельтье
Сравнительно недавно на компьютерном рынке появились модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надежные и сравнительно дешевые ($6—$15) устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав поставляемых комплектов. Тем не менее, данные 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 (Рисунок 17.23) — 40x40 мм, максимальный ток — 6 А, максимальное напряжение — 15 В, потребляемая мощность — до 85 Вт, перепад температур — более 60 °С. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.
