В компактных системах охлаждения могут применяться термоэлектрические элементы, часто называемые термоэлектрическими модулями или просто модулями Пельтье. Использование таких модулей достаточной мощности в системах охлаждения позволяет поддерживать температуру защищаемых объектов ниже температуры окружающей среды 
Виктор Рудометов
Евгений Рудометов
>> Часть 2
Примеры модулей
Полупроводниковый 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. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, работающий на эффекте Пельтье, по сути, работает тепловым насосом. Данный насос перекачивает тепло от этого объекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером. Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтому модули Пельтье могут быть названы не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями.
На рис. 6 представлен внешний вид типового герметизированного модуля Пельтье.
Рис. 6. Внешний вид герметизированного модуля Пельтье
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
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 (рис. 11), конечно, при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными кулерами 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. Эти особенности вытекают из конструкции модулей и принципа их работы, а также архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.
Очень большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера, а также от количества и параметров используемых в его составе пар полупроводников p- и n-типа (рис. 5, рис. 7). Действительно, модуль малой мощности не сможет обеспечить необходимый уровень охлаждения, что приведет 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: непрерывно образующаяся вода 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. В результате применения фирменных решений охлаждения удалось увеличить частоту работы процессоров почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. В результате рынку были предложены высокопроизводительные системы с процессорами, работающими в форсированных режимах.
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.
Важнейшими параметрами модулей являются: максимальный ток потребления (Imax), максимальное напряжение (Umax), мощность хладообразования (Qc max), максимальный перепад температур (dTmax) между горячей и холодной сторонами, измеренная без нагрузки в вакууме, а также размеры (длина L, ширина W, высота H).
Следует отметить, что системы охлаждения на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение термоэлектрические модули имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии. Примеры серийных полупроводниковых модулей Пельтье, выпускаемых серийно, приведены на рис. 6 – рис. 11.
Рис. 7. Полупроводники p- и n-типа в термоэлектрическом негерметизированном модуле
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Рис. 8. Пример миниатюрного термоэлектрического модуля
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Рис. 9. Пример термоэлектрического модуля специальной формы
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Рис. 10. Пример термоэлектрического модуля без одной керамической пластины
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Рис. 11. Пример каскадного термоэлектрического модуля
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
Информацию о термоэлектрических модулях и созданных на их основе соответствующих кулерах, а также особенностях и результатах их применения можно найти в журналах, книгах и на сайтах в Интернете.
О некоторых особенностях выбора и эксплуатации модулей Пельтье поговорим в следующей статье.
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
>> Часть 1
Сокращенные версии статьи:
- Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?
- Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье? / IT-Expert. 2022, №10
- Основы термоэлектрического охлаждения. / Вы и ваш компьютер. 2022, №11, с.19-23
В статьи были использованы материалы книг: