Охлаждане с елементи на Пелтие в компютъра

Темата за охлаждането на компонентите на компютъра вълнува много потребители. Повечето от тях се ограничават със стандартните въздушни охладители, а отделни ентусиасти сглобяват водни охлаждания. Мнозина обаче са чували за модулите на Пелтие (TEC, Thermoelectric Cooler) и тяхното използване в качеството на топлоотводи за силно нагряващите се елементи на РС-то.

Информацията за тези интересни устройства обаче не е много, оттук и грешките на хората, които се сблъскват за първи път с тях. Впрочем, производителите на системи за охлаждане също експериментират с елементи на Пелтие и отвреме навреме представят любопитни продукти. Как работят TEC, действително ли са необходими в охлаждането на компютъра, как самостоятелно да сглобим прост охладител и как да се избегнат грешките, характерни за начинаещите – за всичко това ще стане дума в този материал.

Малко теория

Какво всъщност представляват модулите на Пелтие? По дефиниция това са термоелектрически преобразуватели, принципът на които е базиран на ефекта на Пелтие, открит още през 1834 г. Същността на процеса се заключава във възникването на разлика в температурите в мястото на контакт на материали при протичане на електрически ток през тях. Тук няма да навлизаме в подробности – за това може да се напише цяла дисертация, ще споменем само най-важното.

Елементите на Пелтие се състоят от два токопроводящи материала (полупроводници) с различни нива на енергия на електроните в зоната на проводимост. При протичане на ток през контакта на тези материали, електронът трябва да получи енергия, за да премине в по-високоенергийната зона на проводимост на другия полупроводник. При поглъщане на тази енергия става охлаждане на мястото на контакт на полупроводниците. Когато токът тече в обратна посока, мястото на контакт се нагрява повече от нормалния топлинен ефект.

Когато се използват два метала, ефектът на Пелтие в зоната на контакт е толкова малък, че е незабележим на фона на останалите възникващи топлинни явления. По тази причина, в практиката се използват два свързани полупроводника.

Елементът на Пелтие се състои от една или повече двойки полупроводникови паралелепипеди от различен тип - n и p тип (както в диодите и транзисторите).

За тази цел съвременната индустрия най-често избира силициев германид или телурид на бисмута. Полупроводниците са поставени на керамична основа и по двойки се свързват с метални връзки. Двойките полупроводници са свързани последователно, а различните видове проводимости контактуват помежду си. От едната страна на модула са само n->p преходи, а от другата p->n. Протичането на ток предизвиква охлаждане и нагряване на противоположните групи контакти. Затова можем да говорим за пренасяне на топлинна енергия от едната страна на модула на Пелтие към другата и като следствие, възникване на топлинна разлика в температурите на пластината. Правилното прилагане на модулите позволява да се извлекат някои ползи за промишлените, в това число и компютърните системи за охлаждане. Между другото, елементите могат да бъдат използвани и в качеството на електрически генератори – ефектът на Зеебек (същия ефект на Пелтие, но с „обратен знак“).

Плюсове и минуси на ТЕС

Модулите на Пелтие имат редица достойнства:

• Сравнително малки размери

• Възможност за работа както на охлаждане, така и на нагряване на системата

• Липса на подвижни части, които лесно се износват

В същото време ТЕС имат и редица недостатъци, съществено задържащи масовото им приложение:

• Нисък КПД на модулите

• Необходимост от източник на ток за тяхната работа

• Голяма консумирана мощност за достигане на забележима разлика в температурите и като следствие, съществено топлоотделяне

• Ограничени от размерите полезни характеристики

Но независимо от негативните си характеристики, модулите на Пелтие намират приложение в редица продукти. ТЕС за изгодни преди всичко там, където енергийната ефективност на охладителя не е критична. Подобни елементи се използват в цифровите фотоапарати, където позволяват значително да се намали топлинният шум при дълга експонация. Модули на Пелтие често се използват за охлаждане на диодни лазери с цел стабилизация на излъчваната дължина на вълната. ТЕС намират приложение и в малки портативни хладилници и други подобни сувенири.

Но те се използват и в компютърните системи за охлаждане и именно за тях ще поговорим по-подробно.