Як працює елемент Пельтьє
Жан Пельтьє виявив, що при протіканні електричного струму через ланцюг, що складається з різнорідних провідників, в місцях контакту між цими провідниками виділяється тепло. А якщо поміняти напрям струму, то в цьому ж місці тепло починає навпаки поглинатися. Це властивість було названо на честь його першовідкривача - «ефектом Пельтьє». Як показали подальші дослідження вчених, найсильніше ефект Пельтьє проявляється в місцях контакту між двома напівпровідниками різного типу: n- і p-. Наочно це можна представити на наступній діаграмі:
При такому розташуванні в місцях n-p переходу тепло поглинається, а в місцях p-n переходу навпаки - виділяється. Саме так і влаштований термоелектричний елемент - він представляє собою пластину, всередині якої знаходиться безліч послідовно з'єднаних p- і n- провідників, таким чином, що всі p-n переходи знаходяться з одного боку, а всі n-p переходи - з іншого. У підсумку, при проходженні електричного струму через цей ланцюг, одна сторона елемента буде поглинати тепло, а друга - виділяти.
З обох сторін термоелектричний модуль (далі «ТЕМ») накривають ізолюючі керамічні пластини. Товщина стандартного термоелектричного модуля становить близько 2-3 мм, що дозволяє використовувати цей модуль в найрізноманітніших охолоджуючих конструкціях. Більш зрозумілою мовою принцип роботи ТЕМ можна описати таким чином: ТЕМ на елементах Пельтьє створює різницю температур на своїх сторонах, і величина цієї різниці залежить від потужності модуля. Але є і особливість. Оскільки елемент Пельтьє, по суті, являє собою найпростіше опір для електричного струму, а це значить, що споживана термоелектричним елементом потужність витрачається не тільки на перенос тепла, але і більшою своєю частиною виділяється просто у вигляді тепла. Тобто на практиці ТЕМ не тільки переносить тепло з одного боку на іншу, але ще і додає чимало свого власного тепла. Для того щоб отримати низькі температури на «холодної» стороні ТЕМ, треба мати достатньо ефективне відведення тепла на його «гарячої» стороні. Якщо на даному етапі вам став незрозумілий сенс використання ТЕМ з метою охолодження, то дозволимо вам пояснити, що, якщо зуміти охолодити «гарячу» сторону ТЕМ до розумної кімнатної температури, то на його «холодної» стороні можна отримати температуру, близьку до НУЛЮ. А це відкриває безліч напрямків, в яких використання ТЕМ може принести чимало користі. В першу чергу, це, звичайно ж, холодильне обладнання, але нас найбільше цікавить та маленька, але дуже цікава гілка - «використання ТЕМ для охолодження електроніки». Уявіть собі - якщо ТЕМ помістити на підставі процесорного кулера холодної стороною до процесора, а гарячої до основи кулера, то ми отримаємо вельми цікавий «бутерброд», який при досить високій ефективності самого кулера може створювати на процесорі температуру, яка може опускатися нижче кімнатної.
Трохи історії
Принцип роботи цього знаменитого кулера проглядається на фотографії дуже чітко: тепло від ядра процесора AMD K7 (Athlon XP, Duron) за допомогою мідної та алюмінієвої пластини рівномірно розподіляється на всю поверхню термоелектричного елемента, ТЕМ це тепло інтенсивно поглинає, передаючи його на радіатор, що охолоджується звичайним вентилятором. Теоретично, якщо досить ефективно охолодити радіатор, то температура на процесорі буде приємно низька. Все б нічого, але разом з видимими перевагами, така конструкція таїть в собі і деякі проблемні моменти. Наприклад, якщо температура гарячої сторони ТЕМ буде близька до кімнатної температури, то температура холодної сторони буде наближатися до нульової позначки, а це тягне за собою головне зло екстремального охолодження - поява конденсату. Якщо крапельки води з'являться на поверхні процесора або материнської плати, то ви самі розумієте, що це з великим ступенем ймовірності виведе їх з ладу. Друга проблема кулера такого типу полягає в тому, що якщо під час роботи ТЕМ є вкрай ефективним провідником тепла, то при відключенні або поломки він стає настільки ж ефективним тепловим ізолятором. Іншими словами, при виході з ладу термоелектричного модуля, що знаходиться під ним процесор перестане охолоджуватися взагалі. У такій ситуації може допомогти тільки автоматична система захисту процесора від перегріву, яка просто вимикає комп'ютер при досягненні критичної температури. Для того щоб вирішити ці проблеми разом з кулером йшов цілий блок управління, який реалізовувався у вигляді PCI-плати значного розміру і представляв собою блок живлення і систему автоматичного регулювання ТЕМ.
Термодатчик, вбудований в основу кулера ThermalTake SubZero 4G передавав дані про температуру на цей блок управління, і при досягненні критично низької температури потужність ТЕМ автоматично зменшувалася (знижувався ток харчування ТЕМ). Це дозволило не тільки вберегти термоелектричний кулер від появи конденсату, а й економити енергію в ті моменти, коли процесор нічим не навантажений. Якщо ж ТЕМ вийде з ладу, то цей же термодатчик зафіксує різке зростання температури і повідомить про аварію звуковою сигналізацією. Цей міні-огляд кулера ThermalTake SubZero 4G дозволив вам отримати загальне уявлення про принцип роботи кулера з термоелектричним модулем. Але все ж ThermalTake SubZero 4G так і не отримав особливого поширення і популярності. Запитайте чому? Тому що його ціна перевищувала позначку 100 $, а ефективність на практиці зіткнулася з однією проблемою - ця система охолодження виділяла стільки тепла, що атмосфера всередині корпусу набувала впевнений тропічний характер. Загальна спека в корпусі викликала не тільки перегрів інших частин системи, але і помітне зниження ефективності самого кулера - адже вентилятор обдував радіатор вже гарячим повітрям. Навіть корпусу з ефективною вентиляцією не змогли до кінця виправити цю проблему. Після невдачі ThermalTake SubZero 4G про термоелектричні кулери надовго забули. Але, як виявилося, даремно ...
Згода на обробку персональних даних