В компактных системах охлаждения могут применяться термоэлектрические элементы, часто называемые модулями Пельтье. Использование моделей достаточной мощности позволяет поддерживать температуру защищаемых объектов ниже температуры окружающей среды. Однако процедура выбора и эксплуатации подобных средств имеет свои особенности и нередко требует выполнения соответствующих расчетов 
Виктор Рудометов
Евгений Рудометов
>> Часть 1
Выбор модулей
Итак, как уже отмечалось ранее, модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, нуждаются в соответствующих радиаторах и вентиляторах, способных эффективно отводить избыточное тепло не только от защищаемых объектов, но и от самих охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно невысоким холодильным коэффициентом. Выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла.
Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютеров вызывает значительный рост температуры внутри системного блока. Это нередко требует дополнительных мер и технических средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создаст трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но также и для остальных компонентов компьютера. А это может нарушить корректную работу всей системы.
Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блоков питания. Как результат, это приводит к целесообразности выбора полноразмерных материнских плат и весьма объемных корпусов с блоками питания достаточной мощности. Обычно все электрические параметры блоков питания приводятся на их корпусах.
Кстати, есть и еще одна важная особенность, которую следует учитывать конструкторам. Дело в том, что 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. Поэтому целесообразно использовать только качественные модули, выпускаемые известными производителями. Такие модули, как правило, обладают высокой надежностью. Их ресурс работы нередко превышает 1 млн. часов.
Низкие температуры, возникающие в процессе работы кулеров 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 кулеры Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды, температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха.
Ниже представлена таблица 1, иллюстрирующая зависимость температуры 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°С, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18°С.
Таблица 1. Температура конденсации влаги
| Температура окружающей среды, °С | Влажность, % | ||||||||||
| 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | |
| 30 | 14,9 | 16,8 | 18,4 | 20,0 | 21,4 | 22,7 | 23,9 | 25,1 | 26,2 | 27,2 | 28,2 |
| 25 | 10,5 | 12,2 | 13,9 | 15,3 | 16,7 | 18,0 | 19,1 | 20,3 | 21,3 | 22,3 | 23,2 |
| 20 | 6,0 | 7,7 | 9,3 | 10,7 | 12,0 | 13,2 | 14,4 | 15,4 | 16,4 | 17,4 | 18,3 |
| 15 | 1,5 | 3,2 | 4,7 | 6,1 | 7,3 | 8,5 | 9,6 | 10,6 | 11,6 | 12,5 | 13,4 |
| 10 | –2,6 | –1,2 | 0,1 | 1,4 | 2,6 | 3,7 | 4,8 | 5,8 | 6,7 | 7,6 | 8,4 |
В приложении к компьютерам указанные параметры — это температура и влажность воздуха внутри системного блока, температура верхней поверхности корпуса процессора. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем выше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.
Кроме указанных особенностей, необходимо учесть еще ряд важных электрических и эксплуатационных характеристик, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров. Прежде всего, это касается изделий, созданных и применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров системных блоков мощных компьютеров.
Очевидно, что эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неудачный выбор и случайно установленные режимы не только не обеспечивают необходимые условия работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Однако оптимальный выбор модулей является сравнительно непростой задачей и возможно потребует проведения расчетов.
Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рис. 1. На этом рисунке приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.
Здесь:
- Th(K) — температура горячей стороны модуля Пельтье в градусах Кельвина,
- Imax(A) — максимальный ток в амперах,
- dTmax(K) — максимальная разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье в градусах Кельвина, измеряется без нагрузки в вакууме,
- Umax(V) — максимально допустимое напряжение в вольтах,
- Qcmax(W) — максимальная мощность хладообразования в ваттах,
- RdTm(OHM) — сопротивление модуля по переменному току в омах.
Необходимо отметить, что значения указанных параметров модуля Пельтье зависят от его температуры горячей стороны. Они несколько отличаются от тех значений, которые указываются в каталогах, где характеристики модулей приводятся для температуры 300 K (27°С).
Рис. 1. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующим основным действиям:
- По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют ток I, протекающий через модуль Пельтье, при этом величина тока I должна быть в диапазоне восходящей кривой dT(I).
- Для значения тока I по линиям, определяющим зависимость dT от Qc, (в левом нижнем углу рисунка графиков) выбирается соответствующая характеристика.
- По известным значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье Tc, вычисляемая из формулы dT = Th – Tc, где Tc — температура холодной стороны модуля, Th — температура горячей стороны модуля, dT — разность температур.
Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT) между горячей (Th) и холодной сторонами (Tc) используемого модуля Пельтье. При этом, чем выше ток, протекающий через модуль и определяемый приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.
Ниже приведен пример расчета, исходя из следующих начальных условий: подаваемое напряжение — 12 B, мощность охлаждаемого элемента — 20, 40 и 60 Вт, температура горячей стороны модуля Пельтье (температура основания охлаждающего модуль Пельтье радиатора) — 50°С.
Итак, результаты расчета:
- Для напряжения 12 В сила ток составляет 5 А.
- Для электрического тока в 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К (45°С), для 40 Вт — 25 К (25°С), для 60 Вт — 4 К (4°С).
- По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50°С), можно вычислить температуру Tc для каждого значения Qc. Для случая тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5°С), для 40 Вт — 298 К (25°С), для 60 Вт — 319 К (46°С).
Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей разности температур горячей и холодной сторон. Так, например, модуль с Qc=131 Вт (Imax=8,5 А, Umax=28,8 В), обеспечивает разность температур в 35–40°С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.
Однако, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, I = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента, например, процессора. Тепловой поток, порождаемый данными источниками тепла, ложится тяжелым бременем на охлаждающие средства в лице традиционных радиаторов и вентиляторов.
Особенности эксплуатации модулей Пельтье рассмотрены в следующей части данной статьи.
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
>> Часть 3