Jak funguje Peltierův chladič?

Ve snaze zlepšit výkon procesoru jsem narazil na problém jeho rychlého přehřívání a selhání. Pro efektivní řešení tohoto problému jsem zakoupil, upravil a nainstaloval Peltierův článek jako externí chladič. V této recenzi vám řeknu, co je to za zařízení, proč je potřeba a jak funguje, jaké jsou jeho klady a zápory, kde se používá a jak jej správně používat v praxi.

Peltierovy prvky – co jsou, proč jsou potřeba a jak fungují, vlastnosti

Tento termoelektrický jev objevil v 1. polovině 19. století francouzský badatel Peltier a byl pojmenován na jeho počest – a pro lepší pochopení, co to je a jaký je princip jeho fungování, si představte následující obrázek:

1. Vezmeme 2 desky různých polovodičů – jednu p-typu, druhou n-typu.
2. Dále je jednoduše zapájíme a na okrajích spojíme vodiče.
3. Poté začneme procházet proudem.
4. Elektrony z jednoho materiálu přijímají energii a začnou se přesouvat do druhého.
5. V části systému, kde se absorbuje energie, dochází k ochlazování.
6. Pokud pustíte proud opačným směrem, naopak dojde k zahřívání.

Hned podotýkám, že efekt má praktické využití pouze u polovodičových materiálů a přitom se liší vlastnostmi – především v elektronických hladinách. U kovů bude jev tak slabý, že zůstane prakticky nepostřehnutelný.

Peltierův prvek je navržen takto:

• Dvojice kubických fragmentů p- a n-polovodičů ležících ve stejné rovině se vzájemně ovlivňují.

• Jsou vzájemně sériově spojeny vodivými prvky s izolačním pláštěm. Navíc takové kovové části současně slouží jako tepelné vodiče.
• Uspořádání dvojic je takové, že jeden typ spojení (pn) je vytvořen na jedné straně a druhý typ (np) je vytvořen na opačné straně.
• Když elektrický proud prochází sekvencí párů, jedna strana se zahřívá a druhá ochlazuje.
• Při změně polarity se změní funkce ploch – studená se začne ohřívat, teplá se začne ochlazovat.

Na základě principu činnosti obvodu, čím více polovodičových párů je použito, tím účinnější bude Peltierův článek. Účinnost lze také zlepšit, pokud je teplo nuceno odvádět, například ventilátorem nebo radiátorem. Rozdíl teplot mezi teplou a studenou stranou dosahuje v nejlepším případě 70°C.

Rozdíl oproti lednici

Nejprve si všimnu specifik použití běžné chladicí jednotky na příkladu odvodu tepla z procesorové jednotky – jedná se o následující řadu funkcí:

1. Nutnost použití chladiva. Zpravidla se jedná o freon. Provoz je spojen s řadou nepříjemností – zajištění cirkulace, vysoký tlak v systému, nebezpečí.
2. Stálý provozní hluk čerpadla.
3. Technická náročnost projektu. Bude nutné vybudovat kaskádu vzájemně propojených prvků vedoucí do chlazeného prostoru.
4. Tvorba kondenzace v důsledku kontaktu studeného povrchu s vlhkým vzduchem v místnosti.
5. Nízká účinnost. Chladicí jednotky zpravidla vykazují nižší výkon, než je navrženo podle návrhu.

Ve světle posuzovaného případu se Peltierův modul ukazuje jako výhodnější – už proto, že má zcela jiný princip činnosti a je snazší jím vybavit obsluhovanou oblast.

Specifikace a označení

Abyste dosáhli plánovaného chladicího efektu, musíte si vybrat správnou Peltierovu desku, a k tomu zase musíte vědět, jakými parametry se vyznačuje a jak jsou označení dešifrována.

Jedná se především o následující soubor technických vlastností:

• Chladicí výkon, watt. Vypočteno na základě maximálního proudu a největšího teplotního rozdílu.
• Nejvyšší hodnota teplotního rozdílu mezi studenou a vyhřívanou stranou, stupňů.
• Limit proudu potřebný k dosažení největšího teplotního rozdílu, ampéry.
• Maximální napětí, volty.
• Odpor desky, Ohm.
• Koeficient COP – účinnost nebo účinnost. Pohybuje se v rozmezí 0,3–0,5 – v závislosti na kvalitě sestavení produktu.

Při označování Peltierových desek potřebujete vědět následující:

1. První dvojice symbolů, obvykle TE, znamená typ zařízení, tedy v tomto případě termočlánek.
2. Třetím symbolem je velikost. C – pravidelné, S – malé.
3. Poslední číslo je počet vrstev.
4. Další přes čáru je označení velikosti polovodičových párů.
5. Poslední zobrazení je aktuální hodnota v ampérech.

Například označení „TES1-12703“ znamená, že termočlánek má běžnou velikost s 1 vrstvou a 127 termočlánky při 3 A.

Výkon Peltierova prvku pro chlazení procesoru je nutné zvolit co nejpřesněji. V opačném případě buď nebude teplo dostatečně odváděno a zařízení se přehřeje a vypne, nebo nadměrný chlad povede ke vzniku kondenzace a vlhkosti v elektrickém obvodu, což je neméně nebezpečné.

Výhody a nevýhody

Peltierovy termočlánky mají následující výhody:

• Malé rozměry desek.
• Jednoduchost designu.
• Zařízení neobsahuje žádné pohyblivé součásti a mechanismy, stejně jako kapalná nebo plynná chladiva.
• Nízká cena ve srovnání s modely běžícími na freon.
• Poměrně velký teplotní rozdíl, srovnatelný s výkonem chladičů.
• Dostupnost vlastní výroby modulů pro konkrétní aplikaci se zadanými parametry.
• Možnost přepnout stejný povrch z vytápění na chlazení a naopak – což v případě potřeby umožňuje udržovat teplotu bez ohledu na změny úrovně vytápění prostředí.
• Při práci bez hluku.

Peltierův prvek se vyznačuje kompaktností, jednoduchostí a absencí složitých mechanických součástí v konstrukci

Hlavní nevýhodou Peltierových systémů je jejich nízká účinnost – ve srovnání se stejnými klasickými chladničkami používajícími freon. To se projevuje především vyšší spotřebou energie pro dosažení znatelného rozdílu teplot mezi teplou a studenou stranou instalace.

Uvedu i další nevýhody:

1. Omezený odvod tepla. Pokud přítok tepla překročí odtok, prvek se přehřeje a selže. V důsledku toho bude vyžadována úplná výměna.
2. Pro efektivní provoz musí být deska dodatečně chlazena, protože ve skutečnosti jde o elektrický ohřívač se specifickou funkcí.
3. Nedostatek energie pro silný procesor. Dá se to vyřešit kombinací s přídavným chladicím zařízením.

Peltierovy polovodičové destičky jsou široce používány jako účinný termoelektrický chladič elektronických počítačových komponent – zejména procesorů, video adaptérů a paměťových modulů.

přihláška

Peltierovy termočlánky jsou široce používány jak ve vybavení domácností a měřicí a výpočetní technice, tak i v oblasti výroby elektrické energie. Největší praktickou hodnotu představují ve formě následujících zařízení:

• Mobilní lednice.
• Přenosné elektrocentrály.
• Chladicí systémy pro počítačové komponenty.
• Chladiče pro ohřev a chlazení pitné vody.
• Vysoušeče vzduchu.

Pojďme analyzovat jejich vlastnosti podrobněji.

Mobilní lednice

Přestože Peltierovy články nejsou výkonnostně srovnatelné s kompresorovými nebo absorpčními chladicími jednotkami, pro své přednosti stále nacházejí uplatnění v chladicím průmyslu. Přenosné modely založené na nich mají následující výhody:

1. Jednoduchost zařízení.
2. Konstrukce postrádá mechanicky spolupůsobící komponenty, pokud je vyloučen ventilátor.
3. Odolnost proti otřesům a vibracím.
4. Minimální provozní hluk.
5. Malé velikosti.
6. Dlouhá životnost.
7. Nízká spotřeba energie.
8. Zachovává funkčnost bez ohledu na prostorovou polohu.

Interiéry automobilů jsou zpravidla vybaveny kompaktními termoelektrickými chladničkami.

Elektrocentrála

Pokud se jedna strana desky začne zahřívat a druhá se podle toho ochladí, mezi jejími kontakty se objeví potenciální rozdíl. V tomto případě platí, že čím větší je teplotní rozdíl, tím vyšší je hodnota. Ani specializované modely však nejsou schopny odolat ohřevu nad 300 ° C a běžné spotřebitelské – pouze 150 ° C. Pokud dojde k přehřátí, pájka se roztaví a prvek selže.

Tento stav prudce snižuje výkon generátorů termoelektrického proudu. Veřejně dostupné modely produkují ne více než 5-10, zřídka 12 voltů. Proto jsou takové instalace žádané mezi turisty, geology, obyvateli odlehlých oblastí – těmi, kteří prostě nemají jinou alternativu k použití výkonnějšího zdroje elektrického proudu.

Zahříváním jedné strany a chlazením druhé lze Peltierovu desku použít jako nízkonapěťový elektrický generátor

Chladič počítačových komponent

Princip činnosti Peltierova prvku umožňuje jeho využití mimo jiné pro chlazení počítačových komponent – procesoru, paměťového modulu a grafického adaptéru. Je zde však několik potíží:

• Chcete-li odstranit teplo ze standardního procesoru (asi 150 W), budete muset utratit až 700 wattů – což znamená, že budete potřebovat silný zdroj napájení.
• Po dobu, kdy procesor běží bez zátěže, jej termočlánek ochladí více, než je nutné. A to ohrožuje tvorbu kondenzátu a následné poruchy z vlhkosti v elektrickém obvodu.
• Pro konkrétní aplikaci budete muset přesně vypočítat a vybrat chladič na základě výkonu.

Mimochodem, právě kvůli možnosti poškození počítače kondenzací jsem od přímé metody okamžitě upustil. Naštěstí existuje hybridní možnost – kdy je modul kombinován se vzduchovým chlazením (ventilátor). Tento model byl však mnohem dražší.

Klimatizace

Peltierovy články se také používají k chlazení vzduchu v klimatizačních systémech. Jejich jedinou výhodou je jednoduchost zařízení. Existuje dostatek nevýhod a všechny vyplývají z nízké účinnosti a projevují se v následujícím:

1. Nízká účinnost pro vnitřní použití.
2. Spotřeba energie je 3-4krát vyšší než u modelů s chladivem.
3. Nedostatek výkonu generátoru – pro případ použití v automobilu.

Video o tom, co je Peltierův prvek:

Domácí možnosti, které se dnes nabízejí na různých platformách pro veřejnou diskusi, opravdu nejsou dokonalé. Situace se může změnit až s příchodem nových termočlánků s vyšší účinností.

Vodní chlazení

Chladiče pitné vody na bázi termočlánků se používají již poměrně dlouho. To je způsobeno jednoduchostí a spolehlivostí zařízení. Ve srovnání s verzemi kompresoru však mají také některé nevýhody:

• Práh chlazení – 10-12°C.
• Delší doba chlazení, kvůli které je zařízení nevhodné pro velké průtoky – v místech, kde se často čerpá voda, například v kanceláři.
• Závislost na teplotě okolního prostoru – kvůli které v horké místnosti voda nedosahuje požadované úrovně chlazení.

Video testování Peltierova článku pro chlazení a současnou generaci:

Pokud je navíc místnost neustále prašná, chladič rychle selže kvůli ucpání ventilátoru.

Ve srovnání se vzduchovými chladicími systémy je Peltierova sušička docela realistická. Je to způsobeno několika faktory:

1. Provoz zařízení je soustředěn na malý objem – zpracovává se pouze procházející malý proud vzduchu.
2. Radiátor se snadno ochladí na rosný bod – v důsledku toho se vlhkost rozpuštěná v atmosféře usadí na studených kovových prvcích.
3. Zařízení má jednoduchý design a minimální náklady.

Účinnost modulu je zcela dostatečná pro sušení vzduchu v obytné oblasti.

Základy praktického použití

Pokud již máte hotový Peltierův modul, jeho připojení nebude nijak zvlášť obtížné. Chcete-li to provést, stačí vzít v úvahu několik bodů:

• Pro napájení lze použít pouze stejnosměrný proud, jehož hodnota odpovídá technickým údajům zařízení.
• „+“ se použije na červený kontakt a „-“ na černý kontakt.
• Pokud potřebujete vyměnit stranu topení a chlazení, stačí změnit polaritu bez opětovné instalace modulu.

Video ukázka výroby a použití kempingového elektrického generátoru na bázi Peltierova prvku:

Před instalací by měla být deska zkontrolována z hlediska provozuschopnosti. K tomu musí být ke kontaktům Peltierova prvku připojen proud specifikovaných charakteristik. Pokud to funguje, bude jedna strana chladnější než druhá – což lze zkontrolovat dotykem.

Existuje i jiný způsob – opačný. K tomu budete potřebovat multimetr a zdroj otevřeného plamene, například zapalovač. Pokyny jsou následující:

1. Sondy měřiče připojíme ke kontaktům desky.
2. Vezmeme modul a pomocí zapalovače zahřejeme jednu ze stran.
3. Díváme se na displej zařízení.

Pokud funguje správně, multimetr zobrazí měření elektrického proudu produkovaného prvkem.

Pro polní podmínky si na základě Peltierova modulu můžete sestavit základní generátor proudu pro dobíjení mobilního telefonu. K tomu je na vyhřívanou stranu připojen měděný plast a na chlazenou stranu hliníkový radiátor. Pro stabilizaci je na kontaktní výstupy připojen převodník 5 V. A aby nedošlo k přehřátí a poruše zařízení, můžete jako topení použít vodu vařící se v hrnci.

Video ukázka testování Peltierova chladiče pro procesor:

Nejdůležitější znaky

Peltierův modul jsou polovodičové páry spojené v jedné rovině, kdy jimi prochází elektrický proud, jedna strana se zahřívá a druhá ochlazuje. Efekt byl objeven v 19. století a dnes se aktivně používá jako chladiče pro různá zařízení.

Na rozdíl od standardní lednice takové moduly nevyžadují freon a zařízení pro jeho cirkulaci, nehlučí, mají jednoduchý design a snadno se udržují. Při výběru modelu je třeba vzít v úvahu vlastnosti a správně dešifrovat označení.

Výhody Peltierových prvků jsou vyjádřeny v jejich malých rozměrech, jednoduchosti, absenci pohyblivých částí, optimální ceně, univerzálnosti povrchů a nehlučnosti. Nevýhody jsou vyjádřeny v omezeném odvodu tepla, nízké účinnosti a nutnosti dodatečného odvodu tepla.

Deska našla nejrozšířenější využití v následujících projektech:

• Mobilní lednice.
• Generátory proudu.
• Počítačové chladiče.
• Kondicionéry.
• Vodní chladiče.
• Vysoušeče vzduchu.

Hotové zařízení musíte připojit v souladu s pokyny a nejprve zkontrolovat jeho funkčnost.

Napište do komentářů, k jakým účelům byste Peltierův modul využili?

Varianty vyvinutého systému s pasivním (vlevo) a aktivním (vpravo) chlazením

Doktorand na ITMO University Daniel Abrashin vyvíjí chladicí systém pro servery a osobní počítače, který pomocí termoelektrických efektů přeměňuje přebytečné teplo z procesoru na elektřinu. Teoreticky může být dokonce použit k napájení dalšího zařízení.

V tomto článku budeme hovořit o podstatě projektu.

Jako obvykle termoelektrické chlazení

Princip činnosti termoelektrických chladicích systémů je založen na Peltierově jevu – přenosu tepelné energie při průchodu elektrického proudu kontaktem dvou materiálů s různými energetickými hladinami elektronů vodivého pásu. V důsledku tohoto rozdílu kontakt, jinými slovy, uvolňuje nebo absorbuje energii (teplo) v závislosti na směru elektrického proudu. V kovech je Peltierův jev příliš slabý, proto se v praktických aplikacích termoelektriky používá kombinace polovodičů typu p a n, u kterých je rozdíl hladin energie elektronů ve vodivém pásmu větší.

Konstrukčně je Peltierův článek používaný pro chlazení soustavou paralelně zapojených termočlánků umístěných mezi dvěma keramickými deskami. Při průchodu elektrického proudu popsaným efektem modul ochlazuje jednu desku vůči druhé.

Účinnost Peltierova prvku je poměrně nízká, i když neberete v úvahu fakt, že samotná konstrukce se při průchodu elektrického proudu trochu zahřívá. K chlazení „domácího“ procesoru stačí. Při pokusu o odstranění velkých objemů tepelné energie však chladič jednoduše přestane fungovat, takže se stále aktivně nepoužívají v serverových systémech (a nejsou běžné ani na pracovních stanicích).

Jak funguje prvek studené energie?

Vědecká skupina z ITMO University, vedená Daniilem Abrashinem, nyní postgraduálním studentem druhého ročníku na ITMO Fakultě informačních komunikačních technologií, přistoupila k problému poněkud odlišně, s využitím mechanismů založených na Seebeckově efektu – výskytu termo-emf při několika odlišných vodiče jsou zapojeny do série za podmínek teplotního spádu. Vytvořený chladicí prvek neodvádí teplo odebrané z jedné z ploch, ale přeměňuje jej na elektrický proud, který by bylo možné využít mimo jiné k napájení přídavných zařízení (po přepočtu na 12 V).

Projekt byl založen na vývoji mezinárodní vědecké laboratoře, která zahrnovala California Institute of Technology, Physico-Technical Institute. A.F. Ioffe, stejně jako kolegové z Turecka a ITMO University. Daniil kdysi neměl čas zúčastnit se tohoto mezinárodního projektu, protože byl dokončen v době, kdy vstoupil, ale začal studovat data získaná laboratoří ještě během magisterského studia.

Vědci z této laboratoře prokázali, že nanoprášky teluridů antimonu a bismutu získané mletím těchto materiálů v mechanickém aktivačním mlýnu lze efektivně využít v termoelektrických zařízeních. Navíc, čím menší je velikost nanozrn ve směsi, tím efektivnější je přenos tepla.

Co s tím mají společného fullereny?

Mezinárodní laboratoř navrhla vytvořit termoelektrická zařízení vytlačováním směsi nanoprášků na substrát. Bohužel během tohoto procesu nanozrnka rekrystalizují, dorůstají do velikostí 10-15 nm, a proto klesá termoemf generovaná vytvořeným zařízením.

Aby se zmenšila velikost nanozrn, skupina vedená Daniilem navrhla použití fullerenů. Fullerenový prášek se po mletí přidává k nanozrnům teluridu antimonu nebo bismutu. A pro další formování chladicího prvku se používá jiskrové plazmové slinování. Při tomto procesu vzniká mezi nanozrnky vlivem elektrických výbojů plazma a tím se zrna dostávají do fullerenového obalu, který brání jejich rekrystalizaci. To se děje zcela rovnoměrně – kovová částice je v důsledku absorpce obalena fullerenem a během slinování neroste. Výsledkem je, že výsledná velikost zrna nepřesahuje 5 nm.

Nanokompozit ve fullerenovém obalu

Mimochodem, k získání takové skořápky můžete použít nejen čistý fulleren, ale také saze obsahující fulleren, což zlevňuje výrobu.

Daniil a jeho tým začali pracovat na studiu chování nanokompozitu fullerenu a teluridů antimonu a bismutu v rámci programu UMNIK. Následně se tým obměnil a specialista zahájil aplikovaný výzkum v rámci soutěže „Student Startup“, kterou pořádala Nadace Innovation Promotion Foundation. V rámci soutěže byl tento vývoj uznán jako jeden z nejlepších.

Na vyvinutý nanokompozit se v současné době podává patent na území Euroasijské unie.

Ocenění na základě výsledků soutěže „UMNIK“

Vyhlídky

V současné době má výzkumný tým přesná data pouze o nanokompozitu, ale ne o konečném zařízení. V úzkém teplotním rozmezí je výsledný materiál docela účinný. Není příliš tepelně odolný, takže jej nelze použít k chlazení motoru stejného auta. Ale je docela použitelný v systémech chlazení serverů.

Samotný laboratorní vzorek ještě není sestaven, jeho realizace je plánována v další etapě prací. Parametry konkrétního zařízení budou záviset na počtu termočlánků a jejich vzájemném propojení. Zařízení se bude pravděpodobně skládat z 254 polovodičů (obsahujících 127 termočlánků). Hmotnost zařízení bude asi 20 gramů. Tvar: deska 60 x 60 mm, tloušťka cca 5 mm. Stejně jako nanokompozit bude zařízení patentováno.

Navržená konstrukce zařízení Jedna z možností navržené konstrukce termočlánku v zařízení

Náklady na jeden modul, s přihlédnutím k marketingu a logistice, se odhadují na 850 rublů, což je mnohem nižší než průměrný chladič pro procesor (3–4 tisíce rublů). A výrobní technologie jsou docela běžné, takže po přípravě laboratorního vzorku a jeho testování je docela možné spustit sérii. Dobrým základem pro to může být dceřiná společnost jednoho z největších světových výrobců termoelektriky a zejména Peltierových prvků – společnost Ecogen Technology se sídlem v našem městě. Výroba přitom mohla využívat pouze ruské komponenty a materiály.

Laboratorní vzorek by měl být k dispozici do konce roku 2023. Snad do této doby bude MVP připraven vstoupit na trh. Daniil sám otevírá svůj vlastní malý inovativní podnik pro distribuci a vývoj produktů. To je nezbytnou podmínkou pro účast v programu „Start“, který poskytuje grant na výrobu a realizaci inovativního vývoje.

Na základě zatím pouze předběžných údajů o samotných materiálech vědci odhadli možný výkon modulu. Při chlazení běžného „domácího“ procesoru se pohybuje na úrovni 0.72-0.96 kWh za den. Pokud předpokládáme, že chladicí systém funguje nepřetržitě, za tarif 5,23 rublů za kWh v Petrohradu získáme úsporu přibližně 1,8 tisíce rublů ročně. Pro použití této elektřiny bude samozřejmě nutná další konverze proudu, ale tento problém bude vyřešen později – zatím mluvíme pouze o teoretických odhadech.

Tyto úspory nejsou dostatečně velké, aby vás motivovaly k výměně stávajícího chladiče. Vědecká skupina však předpokládá, že hlavní účinek bude z rozsahu, takže serverové systémy jsou považovány za cílový trh. Na serverových procesorech můžete získat větší teplotní rozdíl, což znamená vyšší tepelné emf (a zároveň vyšší úspory).

Mimochodem, toto místo na trhu se nyní uvolnilo kvůli odchodu světových výrobců chladicích systémů – IBM, Intel, Dell a dalších. Sekundární trh se aktivně rozvíjí a ceny na něm výrazně vzrostly. Vývoj Daniila a jeho týmu může těmto řešením snadno konkurovat, a to navzdory skutečnosti, že kupující serverů nikam nespěchají s aktualizací chladicích systémů, když fungují docela efektivně.

Co bude dál

V tomto směru je stále co posunout. K inhibici rekrystalizace nanozrn lze například použít jiné vrstvené nanostruktury. Nebo brousit nanokompozit při aplikaci na keramický substrát. Teoreticky lze také systém zefektivnit, pokud se teplota prvků dále sníží pomocí jiných metod chlazení – například pomocí aktivního chlazení. Tím se zaručeně zvýší účinnost chlazení, ale zatím není jasné, jak moc taková úprava ovlivní termo-EMF.

Možnost zařízení s aktivním chlazením

Všechny tyto inovace však zvýší náklady na výrobu chladiče, takže nápady jsou prozatím odloženy. Pokud se technologie prosadí v segmentu chladicích systémů, lze ji dále rozvíjet jedním z popsaných způsobů.

Samotný vyvinutý materiál lze použít nejen v chladicích systémech. Je dostatečně citlivý na teplotu, aby se stal základem pro inteligentní domovní senzory nebo termostaty pro další aplikace.