Эффект пельтье охлаждение объяснение на молекулярном уровне. Элементы Пельтье

Предлагаю посмотреть два небольших видеоролика.
Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.
Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.

Ролик 1

Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье , часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя - эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.
Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.
Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека , более известному как термоэлектрический эффект.

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2. Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.

Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К. Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов - полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться. Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70...75 К.
Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.
Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи .

Батарея Пельтье

Преимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:
- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;
- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);
- небольшие размеры;
- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.

Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:
- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;
- низкая холодпроизводительность;
- высокая стоимость.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.

НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.
Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC - это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Полупроводниковые холодильники Пельтье

Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютеров, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах разгона (overclocking). Эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы их работы. Как правило, такими средствами поддержки оптимальных температурных режимов являются кулеры, основой которых являются традиционные радиаторы и вентиляторы.

Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новейших технологий и применения в их составе разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой с целью достижения наибольшей эффективности при обеспечении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, что повышает надежность и удлиняет сроки их безаварийной работы.

Параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, тем не менее, в последнее время на компьютерном рынке появились и вскоре стали популярными такие специфические средства охлаждения электронных элементов как полупроводниковые холодильники Пельтье (хотя часто применяется слово кулер, но правильным термином в случае элементов Пельтье является именно холодильник).

Холодильники Пельтье, содержащие специальные полупроводниковые термоэлектрические модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 г., являются чрезвычайно перспективными устройствами охлаждения. Подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники.

В шестидесятых и семидесятых годах отечественной промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых была основана на эффекте Пельтье. Однако несовершенство существовавших технологий, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие цены не позволили в те времена подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды.

Но эффект Пельтье и термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить. В результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.

В последние годы данные модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. Их, в частности, стали применять для охлаждения современных мощных процессоров, работа которых сопровождается высоким уровнем тепловыделения.

Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. Как кулеры электронных компонентов, данные средства поддержки необходимых температурных режимов их эксплуатации являются чрезвычайно перспективными. Они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью работы.

Особенно большой интерес полупроводниковые холодильники представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых, установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов — разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности применяемых электронных компонентов, а, следовательно, как правило, и всей системы компьютера. Однако работа компьютерных компонентов в подобных режимах отличается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий. Такими компьютерными компонентами, работа которых сопровождается высоким тепловыделением, являются не только высокопроизводительные процессоры, но и элементы современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и микросхемы модулей памяти. Подобные мощные элементы требуют для своей корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.

Модули Пельтье

В холодильниках Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845 г.), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад — в 1834 г.

Сам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Ленцем (1804-1865 г.).

В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление получило название явления Пельтье (эффекта Пельтье). Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зеебека.

Если в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников, температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770-1831 г.).

В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q=R·I·I·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П ·q

где q — количество прошедшего электричества (q=I·t), П — так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu — медь, Bi — висмут.

В представленной схеме опыта измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов
Железо-константан		Медь-никель		Свинец-константан
T, К	П, мВ	T, К	П, мВ	T, К	П, мВ
273	13,0	292	8,0	293	8,7
299	15,0	328	9,0	383	11,8
403	19,0	478	10,3	508	16,0
513	26,0	563	8,6	578	18,7
593	34,0	613	8,0	633	20,6
833	52,0	718	10,0	713	23,4

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = a · T

где П — коэффициент Пельтье, a — коэффициент Томсона, T — абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа — p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура модуля Пельтье

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 4 представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Рис. 4. Внешний вид модуля Пельтье

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор — холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. На рис. 5 представлен пример каскадного включения типовых модулей Пельтье.

Рис. 5. Пример каскадного включения модулей Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными холодильниками Пельтье или просто кулерами Пельтье.

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера. Модуль малой мощности не обеспечивает необходимый уровень охлаждения, что может привести к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей. Это связано с тем, что вода, непрерывно получаемая в результате конденсации, может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводящими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. Тем не менее, несмотря ни на что, именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD в совместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии, до частоты, превышающей 1 ГГц, то есть увеличить их частоту работы почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. И необходимо подчеркнуть, что данный уровень производительности достигнут в условиях обеспечения необходимой стабильности и надежности работы процессоров в форсированных режимах. Ну, а следствием такого экстремального разгона явился рекорд производительности среди процессоров архитектуры и системы команд 80х86. А фирма KryoTech неплохо заработала, предлагая на рынке свои установки охлаждения. Снабженные соответствующей электронной начинкой, они оказались востребованными в качестве платформ высокопроизводительных серверов и рабочих станций. А фирма AMD получила подтверждение высокого уровня своих изделий и богатый экспериментальный материал для дальнейшего совершенствования архитектуры своих процессоров. К слову сказать, аналогичные исследования были проведены и с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III, в результате которых был получен тоже значительный прирост производительности.

Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.

На рис. 6 представлен внешний вид активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье.

Рис. 6. Внешний вид кулера с модулем Пельтье

Следует отметить, что системы охлаждения на основе модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение модули Пельтье имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии.

Информацию о модулях и холодильниках Пельтье, а также особенностях и результатах их применения можно найти на сайтах в Internet, например, по следующим адресам:

Особенности эксплуатации

Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются сравнительно высокой надежностью, и в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют движущихся частей. И, как это отмечалось выше, для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.

Однако кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье обладает и рядом специфических свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих средств. Некоторые из них были уже отмечены, но для корректного применения модулей Пельтье требуют более детального рассмотрения. К важнейшим характеристикам относятся следующие особенности эксплуатации:

Модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, требуют наличия в составе кулера соответствующих радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло от охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно низким коэффициентом полезного действия (кпд) и, выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла. Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютера вызывает значительный рост температуры внутри системного блока, что нередко требует дополнительных мер и средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создает трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но и остальным компонентам компьютера. Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блока питания. С учетом значения тока потребления модулей Пельтье величина мощности блока питания компьютера должна быть не менее 250 Вт. Все это приводит к целесообразности выбора материнских плат и корпусов конструктива ATX с блоками питания достаточной мощности. Использование данного конструктива облегчает для комплектующих компьютера организацию оптимальных теплового и электрического режимов. Следует отметить, что существуют холодильники Пельтье с собственным блоком питания.
Модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева.
Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера. Ниже представлена таблица, иллюстрирующая зависимость температуру конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу, можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25°C, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18°C.

Температура конденсации влаги

Влажность, %
Температура окружающей среды, °C	30	35	40	45	50	55	60	65	70
30	11	13	15	17	18	20	21	23	24
29	10	12	14	16	18	19	20	22	23
28	9	11	13	15	17	18	20	21	22
27	8	10	12	14	16	17	19	20	21
26	7	9	11	13	15	16	18	19	20
25	6	9	11	12	14	15	17	18	19
24	5	8	10	11	13	14	16	17	18
23	5	7	9	10	12	14	15	16	17
22	4	6	8	10	11	13	14	15	16
21	3	5	7	9	10	12	13	14	15
20	2	4	6	8	9	11	12	13	14

Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров мощных компьютеров.

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 холодильники Пельтье, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. В связи с этим, простейшие холодильники Пельтье, не обладающие средствами контроля, не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также с операционными системами Windows NT/2000 или Linux.

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, обычно составляет +5 °C, 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 через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера. Однако в случае использования простейших холодильников Пельтье уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье, который кроме выполнения функций теплового насоса, является мощным источником дополнительного тепла.

Необходимо отметить, что, как и в случае центральных процессоров компьютеров, холодильники 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 холодильниками Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров.

Появились сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует 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 системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, считаются чрезвычайно перспективными.

Примеры холодильников Пельтье

Сравнительно недавно на компьютерном рынке появились модули Пельтье отечественного производства. Это простые, надежные и сравнительно дешевые ($7-$15) устройства. Как правило, охлаждающий вентилятор не входит в состав. Тем не менее, подобные 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 (Рис.7) — 40×40 мм, максимальный ток — 6 А, максимальное напряжение — 15 В, потребляемая мощность — до 85 Вт, перепад температур — более 60 °C. При обеспечении мощного вентилятора модуль способен защитить процессор при рассеиваемой им мощности до 40 Вт.

Рис. 7. Внешний вид холодильника PAP2X3B

На рынке представлены как менее, так и более мощные варианты отечественных модулей Пельтье.

Спектр зарубежных устройств значительно шире. Ниже приведены примеры холодильников, в конструкции которых использованы термоэлектрические модули Пельтье.

Активные холодильники Пельтье фирмы Computernerd

Название	Производитель / поставщик	Параметры вентилятора	Процессор
PAX56B	Computernerd	ball-bearing	Pentium/MMX до 200 МГц, 25 Вт
PA6EXB	Computernerd	dual ball-bearing, тахометр	Pentium MMX до 40 Вт
DT-P54A	DesTech Solutions	dual ball bearing	Pentium
AC-P2	AOC Cooler	ball bearing	Pentium II
PAP2X3B	Computernerd	3 ball bearing	Pentium II
STEP-UP-53X2	Step Thermodynamics	2 ball bearing	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron
PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier	Computernerd	3 ball-bearing, тахометр	Pentium II, Celeron

Холодильник PAX56B разработан для охлаждения процессоров Pentium и Pentium-MMX фирм Intel, Cyrix и AMD, работающих на частотах до 200 МГц. Термоэлектрический модуль размером 30×30 мм позволяет холодильнику поддерживать температуру процессора ниже 63 °C при рассеиваемой им мощности 25 Вт и внешней температуре равной 25 °C. В связи с тем, что большинство процессоров рассеивают меньшую мощность, данный холодильник позволяет поддерживать температуру процессора гораздо ниже, чем многие альтернативные кулеры на основе радиаторов и вентиляторов. Питание модуля Пельтье, входящего в состав холодильника PAX56B, осуществляется от источника 5 В, способного обеспечить ток 1,5 А (максимум). Вентилятор данного холодильника требует напряжение 12 В и ток 0,1 А (максимум). Параметры вентилятора холодильника PAX56B: ball-bearing, 47,5 мм, 65000 часов, 26 дБ. Общий размер данного холодильника составляет 25×25×28,7 мм. Ориентировочная цена холодильника PAX56B равна $35. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.

Холодильник PA6EXB разработан для охлаждения более мощных процессоров Pentium-MMX, рассеивающих мощность до 40 Вт. Этот холодильник подходит для всех процессоров фирм Intel, Cyrix и AMD, подключаемых через Socket 5 или Socket 7. Термоэлектрический модуль Пельтье, входящий в состав холодильника PA6EXB имеет размер 40×40 мм и потребляет максимум ток 8 А (обычно 3 А) при напряжении 5 В с подключением через стандартный разъем питания компьютера. Общий размер холодильника PA6EXB составляет 60×60×52,5 мм. При установке данного холодильника для хорошего теплообмена радиатора с окружающей средой необходимо обеспечить открытое пространство вокруг холодильника как минимум 10 мм сверху и 2,5 мм по бокам. Холодильник PA6EXB обеспечивает температуру процессора 62,7 °C при рассеиваемой им мощности 40 Вт и внешней температуре 45 °C. Учитывая принцип работы термоэлектрического модуля, входящего в состав данного холодильника, во избежание конденсации влаги и короткого замыкания необходимо избегать использования программ, которые переводят процессор в спящий режим на длительное время. Ориентировочная цена такого холодильника составляет $65. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом фирмы на середину 2000 г.

Холодильник DT-P54A (также известен под названием PA5B фирмы Computernerd) разработан для процессоров Pentium. Однако некоторые фирмы, предлагающие эти холодильники на рынке, рекомендуют его и пользователям Cyrix/IBM 6x86 и AMD K6. Радиатор, входящий в состав холодильника, достаточно мал. Его размеры 29×29 мм. В холодильник встроен термодатчик, который при необходимости оповестит о перегреве. Он также контролирует элемент Пельтье. В комплект входит внешнее контролирующее устройство. Оно выполняет функции контроля за напряжением и самой работой элемента Пельтье, работой вентилятора, а также температурой процессора. Устройство выдаст сигнал тревоги, если элемент Пельтье или вентилятор вышли из строя, если вентилятор вращается со скоростью меньшей, чем на 70% от необходимого значения (4500 RPM) или же температура процессора поднялась выше 145°F (63°C). Если температура процессора поднялась выше 100°F (38°C), то элемент Пельтье автоматически включается, в противном случае он находится в режиме отключения. Последняя функция ликвидирует проблемы, связанные с конденсацией влаги. К сожалению, сам элемент приклеен к радиатору настолько сильно, что его невозможно отделить, не разрушив его конструкцию. Это лишает возможности установить его на другой, более мощный радиатор. Что касается вентилятора, то его конструкция характеризуется высоким уровнем надежности и он обладает высокими параметрами: напряжение питания — 12 В, скорость вращения — 4500 RPM, скорость подачи воздуха — 6.0 CFM, потребляемая мощность — 1 Вт, шумовые характеристики — 30 дБ. Этот холодильник достаточно производителен и полезен при разгоне. Однако в некоторых случаях разгона процессора следует воспользоваться просто большим радиатором и хорошим кулером. Цена этого холодильника составляет от $39 до $49. Указанная цена приведена в соответствии с прайс-листом нескольких фирм на середину 2000 г.

Холодильник AC-P2 разработан для процессоров типа Pentium II. В комплект входит 60 мм кулер, радиатор и элемент Пельтье размером 40 мм. Плохо подходит к процессорам Pentium II 400 МГц и выше, так как практически не охлаждаются чипы памяти SRAM. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $59.

Холодильник PAP2X3B (рис. 8) аналогичен AOC AC-P2. В него добавлены два 60 мм кулера. Проблемы с охлаждением памяти SRAM остались нерешенными. Стоит отметить, что холодильник не рекомендуется использовать вместе с охлаждающими программами, такими как, например, CpuIdle, а также под операционными системами Windows NT или Linux, так как вероятна конденсация влаги на процессоре. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79.

Рис. 8. Внешний вид холодильника PAP2X3B

Холодильник STEP-UP-53X2 оснащен двумя вентиляторами, прокачивающими большое количество воздуха через радиатор. Ориентировочная цена на середину 2000 года — $79 (Pentium II), $69 (Celeron).

Холодильники серии Bcool от Computernerd (PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier) разработаны для процессоров Pentium II и Celeron и имеют похожие характеристики, которые представлены в следующей таблице.

Холодильники серии BCool

Item	PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier	PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier	PAP2CX3B-10S BCool-EST PC-Peltier
Рекомендуемые процессоры	Pentium II and Celeron
Количество вентиляторов	3
Тип центрального вентилятора	Ball-Bearing, тахометр (12 В, 120 мА)
Размер центрального вентилятора	60x60x10 мм
Тип внешнего вентилятора	Ball-Bearing	Ball-Bearing, тахометр	Ball-Bearing, термистр
Размер внешнего вентилятора	60x60x10 мм	60x60x25 мм
Напряжение, ток	12 В, 90 мА	12 В, 130 мА	12 В, 80-225 мА
Общая площадь охвата вентиляторами	84.9 см 2
Общий ток для вентиляторов (мощность)	300 мА (3.6 Вт)	380 мА (4.56 Вт)	280-570 мА (3.36-6.84 Вт)
Количество штырьков на радиаторе (центр)	63 длинных и 72 коротких
Количество штырьков на радиаторе (с каждого края)	45 длинных и 18 коротких
Общее количество штырьков на радиаторе	153 длинных и 108 коротких
Размеры радиатора (центр)	57x59x27 мм (включая термоэлектрической модуль)
Размеры радиатора (с каждого края)	41x59x32 мм
Общие размеры радиатора	145x59x38 мм (включая термоэлектрической модуль)
Общие размеры холодильника	145x60x50 мм	145x60x65 мм
Вес холодильника	357 грамм	416 грамм	422 грамм
Гарантия	5 лет
Ориентировочная цена (2000 г.)	$74.95	$79.95	$84.95

Следует отметить, что группа холодильников BCool включет в себя также устройства, которые имеют похожие характеристики, но в которых отсутствуют элементы Пельтье. Такие холодильники, естественно, дешевле, но и менее эффективны как средства охлаждения компьютерных комплектующих.

При подготовке статьи были использованы материалы книги "PC: настройка, оптимизация и разгон". 2-е изд., перераб. и доп., — СПб.: BHV — Петербург. 2000. — 336 с.

ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ

Выделение или теплоты при прохождении электрич. тока I через контакт двух разл. проводников. Выделение теплоты сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт франц. физиком Ж. Пельтье (J. Peltier) в 1834. Кол-во теплоты Qп=ПI, где П - коэффициент Пельтье, равный: П=TDa. Здесь Т - абс. темп-pa, Da-разность термоэлектрич. коэфф. проводников.

П. э. объясняется тем, что ср. носителей тока зависит от их энергетич. спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и поэтому в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой эл-ны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счёт. В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором поглощается Пельтье. При переходе эл-нов из полупроводника в металл энергия эл-нов проводимости ПП значительно выше уровня Ферми металла, и эл-ны отдают свою избыточную энергию. При противоположном направлении тока из металла в ПП могут перейти только те эл-ны, энергия к-рых выше дна зоны проводимости ПП. Тепловое равновесие в металле при этом нарушается и восстанавливается за счёт тепловых колебаний крист. решётки. При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте двух ПП или двух металлов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье вследствие того, что ср. энергия носителей заряда по обе стороны контакта различна.

П. э. используется для охлаждения в холодильных установках и в нек-рых электронных приборах.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ

Выделение или поглощениетепла на контакте двух разнородных проводников в зависимости от направленияэлектрич. тока, текущего через контакт. Открыт Ж. Пельтье (J. Peltier)в 1834. Мощность тепловыделения Q = П 12 j , где j - плотность тока, П 12 = П 1 - П 2 (П 1 ,П 2 - абс. коэф. Пельтье контактирующих материалов, являющихсяхарактеристиками этих материалов). Причина возникновения П. э. заключаетсяв том, что ср. энергия носителей заряда (для определённости электронов),участвующих в электропроводности, в разл. проводниках различна, т. к. зависитот их энергетич. спектра, концентрации и механизма рассеяния (см. Рассеяниеносителей заряда). При переходе из одного проводника в другой электронылибо передают избыточную энергию решётке, либо пополняют недостаток энергииза её счёт (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизиконтакта выделяется, а во втором - поглощается т. н. теплота Пельтье. Напр.,на контакте полупроводник - металл (рис.) энергия электронов, переходящихиз полупроводника n -типа в металл (левый контакт), значительно превышаетэнергию Ферми Поэтому они нарушают в металле. Равновесие восстанавливаетсяв результате столкновений, при к-рых электроны термализуются, отдавая избыточнуюэнергию кристаллич. решётке. В полупроводник из металла (правый контакт)могут перейти только самые энергичные электроны, вследствие этого электронныйгаз в металле охлаждается. На восстановление равновесного распределениярасходуется энергия колебаний решётки.

Эффект Пельтье на контактах полупроводник n -типа -металл;- уровень Ферми;- дно зоны проводимости полупроводника:- потолок валентной зоны.

На контакте двух полупроводников или двухметаллов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье, вследствиетого, что ср. энергия участвующих в токе носителей заряда по обе стороныконтакта различна.
Выражение для абс. коэф. Пельтье П (носителизаряда - электроны) имеет вид

где . - кинетич. энергия и электронов, f 1 - неравновеснаячасть ф-ции распределения электронов,- плотность состояний. Как видно из (1), коэф. П представляет собойотклонение ср. энергии носителей в потоке от энергии Ферми отнесённое к единице заряда. Для определения П необходимо знать ф-цию и найти т. е. решить кинетич. ур-ние. В случае параболич. закона дисперсии электроновпроводимости ( р)(р - квазиимпульс) и степенной зависимости длины свободного пробега . от энергии при отсутствии вырождения в полупроводнике коэф. П определяетсяф-лой

Здесь - параметр рассеяния, Т - абс. темп-pa (см. Рассеяние носителейзаряда в твёрдом теле);отсчитывается от дна зоны проводимости.
Как видно из (2), еП но абс. величинеможет достигать десятков kT. С увеличением концентрации электроновв вырожденном проводнике или уменьшением Т величина П уменьшаетсяи при

Коэф. Пельтье связан с коэф. термоэдс т. П= Т.

Это позволяет использовать для оценки Презультаты микроскопич. теории для Коэф. Пельтье, являющийся важной техн. характеристикой материалов, какправило, не измеряется, а вычисляется по измерение к-рого более просто.
П. э. используется в термоэлектрич. холодильникахи термостатах, а также для управления процессом кристаллизации за счётвыделения или поглощения тепла на границе жидкой и твёрдой фаз при пропусканииэлектрич. тока.

Лит.: Ансельм А. И., Введение втеорию полупроводников, 2 изд., М., 1978; Аскеров Б. М., Электронные явленияпереноса в полупроводниках, М., 1985; Зеегер К., Физика полупроводников, 3. М. Дашевский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ" в других словарях:

Выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье. * * * ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ … Энциклопедический словарь

Эффект Пельтье процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения… … Википедия

Выделение или поглощение теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников. Количество теплоты пропорционально силе тока. Используется в холодильных установках. Открыт в 1834 Ж. Пельтье … Большой Энциклопедический словарь

Выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух различных проводников. Выделение тепла сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт Ж. Пельтье в 1834. Количество выделенного или …

Эффект Пельтье термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида … Википедия

Эффект Зеебека явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют… … Википедия

Пельтье (Peltier) Жан Шарль Атаназ (22.2.1785, Ам, Сомма, ‒ 27.10.1845, Париж), французский физик и метеоролог. Работал часовщиком фирмы А. Л. Бреге. Получив наследство (1815), посвятил себя науке. Научные работы по термоэлектричеству,… … Большая советская энциклопедия

Эффект Томсона одно из термоэлектрических явлений, заключающееся в том, что в однородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля Ленца, в объёме… … Википедия

Жан Шарль Пельтье фр. Jean Charles Peltier Жан Пельтье Дата рождения … Википедия

Термоэлектрические явления … Википедия

Федеральное агентство по образованию РФ

Брянский государственный технический университет

Кафедра «Общая физика»

Курсовая работа

Эффект Пельтье и его применение

по дисциплине «Физика»

Студентка гр. 07-ЭУП 2

Шаповал Н.В.

Руководитель

асс. Краюшкина Е.Ю.

Брянск 2008

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

1.1 Открытие эффекта Пельтье

1.2 Объяснение эффекта Пельтье

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ

2.1 Модули Пельтье

2.2 Особенности эксплуатации модулей Пельтье

2.3 Применение эффекта Пельтье

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Научная мысль обладает способностью опережать время. Открытия, сделанные ученными, позволяют будущим поколениям, руководствуясь ими, создавать улучшающие жизнь человека приборы и приспособления; находить новые способы защиты его здоровья и благополучия. И явление, открытое в 1834 году часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье и названное позже «Эффектом Пельтье», не стало исключением. Поэтому эффект, имевший место в начале XIX века, актуален и сейчас.

Возможности его применения неограниченны. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов его применения, потому что открытие, сделанное французским ученым, позволяет сделать жизнь человека комфортной, красочной, а блага цивилизации – доступными широкому кругу потребителей.

В данной курсовой работе мы рассмотрим явление Пельтье и его применение.

1.1 Открытие эффекта Пельтье

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками (рис. 1.1.). В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое – остывает.

Рис. 1.1 - Схема опыта для измерения тепла Пельтье

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснен в 1838г. Ленцем.

В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока - таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье .

Тепло Пельтье пропорционально силе тока и может быть выражено формулой:

Q п = П ·q

где q - заряд прошедший через контакт, П - так называемый коэффициент Пельтье, который зависит от природы контактирующих материалов и их температуры. Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томпсона:

П =  T

где a - коэффициент Томпсона, Т – абсолютная температура.

Таблица 1

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов
Железо-константан		Медь-никель		Свинец-константан
T, К	П, мВ	T, К	П, мВ	T, К	П, мВ
273	13,0	292	8,0	293	8,7
299	15,0	328	9,0	383	11,8
403	19,0	478	10,3	508	16,0
513	26,0	563	8,6	578	18,7
593	34,0	613	8,0	633	20,6
833	52,0	718	10,0	713	23,4

Величина выделяемого тепла Пельтье и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения, поэтому Qп может быть выражено еще одной формулой:

dQ п = П12ЧIЧdt.

Здесь П12=П1-П2 - коэффициент Пельтье для данного контакта, связанный с абсолютными коэффициентами Пельтье П1 и П2 контактирующих материалов. При этом считается, что ток идет от первого образца ко второму. При выделении тепла Пельтье имеем: Qп>0, П12>0, П1>П2.

При поглощении тепла Пельтье оно считается отрицательным и соответственно: Qп<0, П12<0, П1<П2. Очевидно, что П12=-П21.

Размерность коэффициента Пельтье [П]СИ=Дж/Кл=В.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контактной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

На рис. 1.2. и рис. 1.3. изображена замкнутая цепь, составленная из двух различных полупроводников ПП1 и ПП2 с контактами А и В.

Рис. 1.2 - Выделение тепла Пельтье (контакт А)

Рис. 1.3 - Поглощение тепла Пельтье (контакт А)

Такую цепь, принято называть термоэлементом, а ее ветви - термоэлектродами. Через цепь течет ток I, созданный внешним источником e. Рис. 1.2. иллюстрирует ситуацию, когда на контакте А (ток течет от ПП1 к ПП2) происходит выделение тепла Пельтье Qп (А)>0, а на контакте В (ток направлен от ПП2 к ПП1) его поглощение - Qп (В)<0. В результате происходит изменение температур спаев: ТА>ТВ.

На рис. 1.3. изменение знака источника меняет направление тока на противоположное: от ПП2 к ПП1 на контакте А и от ПП1 к ПП2 на контакте В. Соответственно меняется знак тепла Пельтье и соотношение между температурами контактов: Qп (А)<0, ТА<ТВ.

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупроводника n-типа или два полупроводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Qп>0) и температура контакта повышается. При этом на другом спае носители, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Qп<0) и понижение температуры.

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n - тип) и дырочных (р - тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Рассмотрим ситуацию, когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р®n). При этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация рассмотрена на рис. 1.4., где изображены энергетические зоны (ec- зона проводимости,ev- валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

Рис. 1.4 - Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа

На рис. 1.5. (ec - зона проводимости, ev - валентная зона) иллюстрируется поглощение тепла Пельтье для случая, когда ток идет от n к p-полупроводнику (n ® p).

Рис. 1.5 - Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников p и n-типа

Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Применение полупроводников разных типов в термоэлектрических модулях представлено на рис. 1.6.

Рис. 1.6 - Использование полупроводниковых структур в термоэлектрических модулях

Такая цепь позволяет создавать эффективные охлаждающие элементы.

2.1 Модули Пельтье

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 - Структура модуля Пельтье

Модуль Пельтье, представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. На рис. 2.2. представлен внешний вид типового модуля Пельтье.

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью АН СССР и академика А.Ф. Иоффе за грандиозный труд по развитию термоэлектричества в СССР и доведения результатов исследований до сведения общественности.

Применяемость

Эффект Пельтье применяется для охлаждения, нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, явление полезно:

Для создания холодильников низкого напряжения и постоянного тока. С возможностью подогрева при изменении полярности питания. На западе так конструируют дорожные сандвиченницы. Холод сохраняет продукт от порчи, обратная полярность позволяет подать продукт на стол горячим.
Кулеры процессоров вносят значительную лепту в общие шумовые характеристики системного блока. Если заменить их элементами Пельтье, порой хватает общего вентилятора. Он шумит не настолько сильно, корпус лишён мощного радиатора, а крепление надёжное (в отличие от материала материнской платы).

Развитие теории охлаждения

Эффект Пельтье не привлекал пристального внимания учёных, казался бесполезным. Открытый в 1834 году, пылился на полках научных библиотек более века прежде, нежели стали находиться первые значимые технические решения в этой области. К примеру, Альтенкирх (1911 год) заявлял о невозможности применения эффекта Пельтье в холодильных установках, в расчётах опирался на использование чистых металлов, вместо сплавов и полупроводников.

Ошибочность выводов немецкого учёного подтверждена позже, в чем немалая роль отводится лаборатории полупроводников Академии наук СССР. К 1950 году создана стройная теория, позволившая в течение последующего ряда лет создать первый электротермический холодильник. При сравнительно небольшом КПД в 20% прибор понижал температуру на 24 градуса, чего в большинстве случаев хватало для бытовых целей. Годами позже разница температур уже составляла 60 градусов.

В физике 50-х годов элемент Пельтье рассматривался как холодильная машина с электронным газом вместо фреона. Сообразно этому велось рассмотрение системы. Основной параметр – холодильный коэффициент, отношение количества тепла, забираемого в единицу времени к мощности, которая на это затрачивается. У современных фреоновых кондиционеров и холодильников цифра превышает единицу. В 50-х годах для элемента Пельтье едва достигала 20%.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника. Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера. Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина. В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться. Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление. Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока. Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

Электропроводность материалов термопары одинакова.
Теплопроводность материалов термопары одинакова.
Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

Теплопроводность кристаллической решётки.
Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента. Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр. Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию. Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана. Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И. Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются. В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность. Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К. Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.