Как охладить элемент пельтье
Перейти к содержимому

Как охладить элемент пельтье

  • автор:

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

В нашей прошлой статье мы уже продемонстрировали процесс сборки системы водяного охлаждения на элементах Пельтье, а этой немного расскажем о данной СВО и проверим её пригодность для охлаждения центрального процессора ПК.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

Для начала вкратце расскажем, что наша конструкция из себя представляет. В целом, принцип работы данной системы охлаждения мало чем отличается от принципа функционирования любого кулера ПК, будь то воздушный или жидкостный. То есть наше устройство призвано противостоять физическому действию процессора, который при работе нагревается, соответственно нагревая хладагент в контуре СВО. В частности данный кулер на элементах Пельтье должен охлаждать жидкость в контуре до температуры ниже той, которой обладает окружающая среда.

Ключевым компонентом нашей системы охлаждения являются, как мы уже говорили, термоэлектрические модули Пельтье. Наверняка ты что-то слышал о них, ведь они используются повсеместно, к примеру в офисных кулерах для воды или в переносных сумках-холодильниках, где компрессор нельзя установить из-за его габаритов и больших требований к электропитанию. А термоэлектрические модули Пельтье маленькие и «не прожорливые«.

Процесс охлаждения в нашем устройстве происходит так: на вход системы поступает охлаждающая жидкость

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

потом она проходит через ряд последовательно соединенных китайских водоблоков Bykski, которые охлаждаются термоэлектрическими модулями Пельтье, а сами модули при этом охлаждаются массивным алюминиевым радиатором формата 120мм х 480мм. Для лучшего рассеивания тепла с обратной стороны радиатора установлено четыре вентилятора на 120 мм.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

На наш взгляд, таких размеров радиатора и конфигурации прочих компонентов должно быть достаточно для охлаждения пяти термоэлектрических элементов Пельтье, каждый из которых рассчитан на силу тока 3 Ампера. Если же радиатор с вентиляторами не справится с требуемым количеством рассеиваемого тепла, то мы немного модифицируем нашу систему, а именно установим два сверхмощных вентилятора со скоростью вращения лопастей 6000 об./мин.

Ну что ж, монтируем нашу систему охлаждения на тестовый стенд и приступаем к непосредственному тестированию.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

Для того, чтобы получить больше данных о результатах тестирования мы установили три дополнительных температурных датчика — на сам радиатор, а также на вход и выход контура СВО.

В режиме простоя мы увидели такие показатели.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

Температура не повышалась более 18°С.
А во время стресс-теста, при полной нагрузке на процессор, уже такие.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

Максимальная температура достигла отметки около 65°С.

Честно говоря, данные результаты нас огорчили. В простое процессор охлаждается стабильно ровно до того момента, пока не нагревается радиатор. После чего температура устанавливается на отметке 18 градусов, и ниже не падает. Но это не столь важно, так как нас интересовало понижение температуры при стресс-тесте, а в этом плане дело совсем плохо — система охлаждения не справилась со своей задачей.

Как и планировалось, в случае неудачи мы установили на нашу СВО два мощнейших вентилятора. Также мы расположили между ними перегородку, чтобы их воздушные потоки никаким образом не влияли друг на друга. Тем не менее больших надежд на такую модификацию после предыдущего теста мы не возлагали, так как стало ясно, что площадь поверхности радиатора все же непростительно мала — и она не позволяет рассеивать все тепло, генерируемое термоэлектрическими модулями Пельтье.

И так, внесение задуманные изменения в конструкцию СВО.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

А теперь стресс-тест модифицированной версии нашей системы охлаждения ПК на модулях Пельтье.

Охлаждение для процессора Элементами Пельтье! Тестируем!

Немного лучше, удалось добиться снижения примерно на 5°С. Но как видим, оптимального охлаждения мы все равно не достигли. Как мы и сказали, площади рассеивания тепла недостаточно, а причина этому — малое количество ребер в радиаторе.

Но у нас ещё есть мысли по модификации данной конструкции, о которых ты узнаешь из наших следующих статей. А сейчас пока предлагаем посмотреть приложенное ниже видео, в котором весь описанный процесс можно увидеть детальнее.

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Выводы и видео на сладкое

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Что такое элемент Пельтье

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

Elementy Pelte ustroistvo

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:
  • Свойства металла.
  • Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

Elementy Pelte printsip deistviia

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:
  • Устройства ночного видения.
  • Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
  • Телескопы с охлаждением.
  • Кондиционеры.
  • Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
  • Холодильники.
  • Кулеры для воды.
  • Автомобильные холодильники.
  • Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки
Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:
  • Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
  • Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
  • Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
  • При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.
Недостатками можно назвать такие моменты:
  • Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
  • Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.
Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:
  • Охлаждение микропроцессоров.
  • Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
  • В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

Похожие темы:
  • Терморезисторы. Виды и устройство. Работа и параметры
  • Тепловые реле. Виды и устройство. Работа и применение
  • Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение
  • Эффект Зеебека. Работа и применение. Особенности и устройство
  • Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности
  • Теплоотводы. Виды и применение. Как выбрать и особенности

Элемент Пельтье для системы охлаждения

  • Элемент Пельтье для системы охлаждения

Пластина Пельтье, элемент Пельтье, используется в системах термоэлектрического охлаждения, практически во всех кулерах для воды стоит в качестве охлаждающего элемента.

Элемент Пельтье: термоэлектрическое охлаждение

Используется во всех кулерах для воды с термоэлектрическим охлаждением, охлаждающей стороной устанавливается к баку холодной воды, нагревающейся стороной к радиатору, на котором установлен вентилятор. Обратите внимание, если вентилятор в момент включения заедает или гудит, а потом гул проходит, вентилятор также подлежит замене, потому что рано или поздно его заклинит. Использование термопроводящей пасты при установке ОБЯЗАТЕЛЬНО. Имеет размер 40-40 см. Питание 12 В, при смене нерабочей пластины необходимо убедиться, что напряжение имеет стабильное напряжение, без импульсов (используйте осцилограф)

Элемент Пельтье для системы охлаждения купить с доставкой и установкой и обслуживанием с доставкой и оплатой курьеру,если возможно с последующей гарантией и обслуживанием, с доставкой из Москвы по всей Росиии

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *