Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

По мере увеличения мощности процессоров и графических карт проблема тепло­выделения ПК становится все более актуальной. Традиционные воздушные сис­темы охлаждения уже почти исчерпали свои возможности. На смену им постепен­но приходят альтернативные системы охлаждения, например жидкостные. Все большее распространение получают и системы охлаждения на основе так называ­емых термоэлектрических модулей Пельтье.

Системы охлаждения на основе модулей Пельтье

Системы охлаждения на основе модулей Пельтье


Эффект Пельтье

Эффект Пельтье относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в том, что если через контакт двух разнородных проводников пропустить электрический ток, то в контакте происходит или поглощение, или выделение тепла в зависимости от направления тока. Величина выделяемого (поглощаемого) тепла зависит от вида контактируемых проводников, силы тока и времени его прохождения, то есть количество тепла прямо пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ1212Idt,

где П12 — коэффициент Пельтье, зависящий от свойств контактирующих провод­ников.

Индекс 12 означает, что ток предполагается направленным от проводника 1 к про­воднику 2. При изменении направления тока на обратное вместо выделения теп­лоты наблюдается ее поглощение,' и наоборот. Следовательно:

П1221

Общая причина выделения (поглощения) теплоты Пельтье заключается в сле­дующем. Электроны при движении в проводниках переносят не только заряд, но и потенциальную и кинетическую энергию, то есть при наличии тока в провод­нике существует определенный поток энергии. При одной и той же плотности электрического тока (а при контакте двух проводников плотность тока в них одинакова) плотности потоков энергии в различных проводниках, вообще говоря, различны. Это означает, что энергия, втекающая в контакт двух проводников в единицу времени, не равна энергии, вытекающей из контакта в единицу време­ни. Если втекающая энергия больше вытекающей, то разница этих энергий вы­деляется в виде тепла Пельтье; если же, наоборот, втекающая энергия меньше вытекающей, то недостающая энергия должна поглощаться (поглощение тепло­ты Пельтье).

При упрощенном рассмотрении можно считать, что, если втекающая энергия боль­ше вытекающей, кинетическая энергия электронов в первом проводнике больше, чем во втором. При переходе электронов во второй проводник они тормозятся, передавая часть своей кинетической энергии кристаллической решетке и тем самым разогревая ее. Это и есть выделение тепла Пельтье. Во втором случае, когда вте­кающая энергия меньше вытекающей, электроны при переходе во второй провод­ник ускоряются, отбирая недостающую энергию у кристаллической энергии, что приводит к ее охлаждению. В этом случае тепло Пельтье поглощается.

Явление Пельтье можно понимать и несколько иначе. При соприкосновении двух разнородных проводников возникает так называемая контактная разность
потенциалов, то есть контактное электрическое поле. При прохождении электри­ческого тока через контакт контактное поле будет либо способствовать, либо пре­пятствовать прохождению тока. Если контактное поле препятствует прохождению тока, внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приводит к его нагреву. Если же ток идет по направле­нию контактного поля, то он поддерживается этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у ве­щества (кристаллической решетки), что приводит к охлаждению контакта.

Известно, что наиболее сильно эффект Пельтье выражен в полупроводниках, что связано с большей энергетической разностью зарядов.

Модуль Пельтье

Применяя эффект Пельтье, можно создать различные термоэлектрические охлаж­дающие устройства. Наиболее широкое распространение получили так называемые термоэлектрические модули (ТЭМ) Пельтье. Принцип работы этих модулей доста­точно прост. ТЭМ представляет собой массив полупроводников р- и n-типов, по­следовательно соединенных между собой медными проводниками (массив пере­ходов «полупроводник — металл»).

Рассмотрим принцип действия ТЭМ на примере двух соединенных между собой медными контактами полупроводников р- и n-типов, то есть массив четырех переходов «металл — полупроводник». Допустим, ток направлен от полупроводника n-типа к полупроводнику р-типа. Напомним, что за направление тока принимается направление, обратное упорядоченному движению электронов в металле, поэтому, двигаясь по замкнутому контуру цепи, электроны будут пре­одолевать переходы в следующем порядке: «медь — полупроводник р-типа», «по­лупроводник р-типа — медь», «медь — полупроводник я-типа», «полупроводник n-типа — медь».

На первом переходе («медь — полупроводника-типа») электроны попадают из медного проводника в полупроводник р-типа, где основными носителями заряда являются дырки. В полупроводнике р-типа вблизи перехода происходит рекомби­нация дырок и электронов, что сопровождается выделением энергии, поскольку с энергетической точки зрения электроны при этом переходят из состояния с более высокой энергией (такой энергией электроны обладают в зоне проводимости) в состояние с меньшей энергией (такой энергией электроны обладают в валентной зоне). В результате выделения энергии (теплота Пельтье) область вблизи границы перехода «медь — полупроводник р-типа» нагревается.

На следующем переходе («полупроводник р-типа — медь») электроны из полупро­водника р-типа переходят в металл. В полупроводнике р-типа электроны вблизи границы перехода образуются за счет генерации электронно-дырочных пар. Отметим, что процесс генерации электронно-дырочных пар происходит во всем пространстве полупроводника, однако он скомпенсирован обратным процессом рекомбинации, поэтому среднее количество дырок и электронов не меняется. И только в области вблизи границы перехода процесс генерации не компенсируется процессом реком­бинации, поскольку под действием электрического поля электроны «высасываются» из полупроводника. В процессе генерации электронно-дырочных пар с энергетиче­ской точки зрения электроны переходят из валентной зоны (из состояния с меньшей энергией) в зону проводимости (в состояние с более высокой энергией). Поэтому данный процесс сопровождается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода охлаждается (поглощение теплоты Пельтье).

На следующем переходе («медь — полупроводник n-типа») электроны переходят из меди в полупроводник я-типа. В полупроводнике я-типа основными носителя­ми заряда также являются электроны, поэтому никакой рекомбинации электронов и дырок в данном случае не наблюдается. Однако энергия электронов в металле и полупроводнике различна, причем в полупроводнике электроны проводимости обладают более высокой энергией, чем в металле. Напомним, что для того, чтобы перейти в зону проводимости в полупроводнике, электроны должны преодолеть запрещающую зону, ширина которой достигает нескольких эВ. Соответственно, переход электронов из металла в полупроводник я-типа с энергетической точки зрения соответствует увеличению энергии электронов и, следовательно, сопровож­дается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода «медь — полупроводник n-типа» охлаждается.

На последнем переходе («полупроводник n-типа — медь») электроны переходят из полупроводника я-типа в медь. В данном случае мы имеем дело с энергетическим процессом, обратным рассмотренному ранее, то есть в процессе перехода электро­ны переходят из состояния с более высокой энергией (зона проводимости в полу­проводнике) в состояние с меньшей энергией (зона проводимости в металле). В результате такого перехода выделяется энергия, что приводит к нагреву границы перехода «полупроводник n-типа — медь».

Таким образом, в результате прохождения тока через последовательность перехо­дов «медь — полупроводник р-типа», «полупроводник р-типа — медь», «медь — полу­проводник n-типа» и «полупроводник n-типа — медь» два перехода будут нагреваться, а два — охлаждаться. Если расположить переходы таким образом, чтобы нагрева­ющиеся находились в одной плоскости, а охлаждающиеся — в другой, то мы получим элементарный термоэлектрический элемент Пельтье.

В элементе Пельтье количество связанных друг с другом переходов может быть очень большим, но главное — все нагревающиеся переходы расположены в одной плоскости, а все охлаждающиеся — в другой. Медные контакты, соединяющие полупроводники, фиксируются керамическими пластинами. Таким образом, одна керамическая пластина нагревается, а другая, наоборот, охлаждается. Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье показана ниже:

Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье

Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье

Термоэлектрические модули Пельтье нашли широкое применение в различных системах охлаждения, в том числе в системах охлаждения компонентов ПК. Так, на основе термоэлектрических модулей построены некоторые модели процессорных кулеров и кулеров для видеокарт. В таких кулерах холодная керамическая пласти­на модуля Пельтье приводится в соприкосновение с горячей поверхностью охлаж­даемого элемента (например, процессора), а к горячей пластине прикрепляется радиатор с вентилятором для отвода тепла.

Яндекс.Метрика