Системы охлаждения на основе модулей Пельтье
По мере увеличения мощности процессоров и графических карт проблема тепловыделения ПК становится все более актуальной. Традиционные воздушные системы охлаждения уже почти исчерпали свои возможности. На смену им постепенно приходят альтернативные системы охлаждения, например жидкостные. Все большее распространение получают и системы охлаждения на основе так называемых термоэлектрических модулей Пельтье.
Эффект Пельтье
Эффект Пельтье относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в том, что если через контакт двух разнородных проводников пропустить электрический ток, то в контакте происходит или поглощение, или выделение тепла в зависимости от направления тока. Величина выделяемого (поглощаемого) тепла зависит от вида контактируемых проводников, силы тока и времени его прохождения, то есть количество тепла прямо пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.
dQ12 = П12Idt,
П12 — коэффициент Пельтье, зависящий от свойств контактирующих проводников.
Индекс 12 означает, что ток предполагается направленным от проводника 1 к проводнику 2. При изменении направления тока на обратное вместо выделения теплоты наблюдается ее поглощение, и наоборот. Следовательно: П12=П2,
Общая причина выделения (поглощения) теплоты Пельтье заключается в следующем. Электроны при движении в проводниках переносят не только заряд, но в потенциальную и кинетическую энергию, то есть при наличии тока в проводнике существует определенный поток энергии. При одной и той же плотности электрического тока (а при контакте двух проводников плотность тока в них одинакова) плотности потоков энергии в различных проводниках, вообще говоря, различны. Это означает, что энергия, втекающая в контакт двух проводников шицу времени, не равна энергии, вытекающей из контакта в единицу времении. Если втекающая энергия больше вытекающей, то разница этих энергий выделяется в виде тепла Пельтье; если же, наоборот, втекающая энергия меньше вытекающей, то недостающая энергия должна поглощаться
(поглощение теплоты Пельтье).
При упрощенном рассмотрении можно считать, что, если втекающая энергия больше вытекающей, кинетическая энергия электронов в первом проводнике больше, чем во втором. При переходе электронов во второй проводник они тормозятся, эередавая часть своей кинетической энергии кристаллической решетке и тем самым разогревая ее. Это и есть выделение тепла Пельтье. Во втором случае, когда втекающая энергия меньше вытекающей, электроны при переходе во второй проводник ускоряются, отбирая недостающую энергию у кристаллической энергии, что приводит к ее охлаждению. В этом случае тепло Пельтье поглощается.
Явление Пельтье можно понимать и несколько иначе. При соприкосновении разнородных проводников возникает так называемая контактная разность потенциалов, то есть контактное электрическое поле. При прохождении электрического тока через контакт контактное поле будет либо способствовать, либо препятствовать прохождению тока. Если контактное поле препятствует прохождению тока, внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приводит к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он поддерживается этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества (кристаллической решетки), что приводит к охлаждению контакта. Известно, что наиболее сильно эффект Пельтье выражен в полупроводниках, что связано с большей энергетической разностью зарядов.
Модуль Пельтье
Применяя эффект Пельтье, можно создать различные термоэлектрические охлаждающие устройства. Наиболее широкое распространение получили так называемые термоэлектрические модули (ТЭМ) Пельтье. Принцип работы этих модулей достаточно прост. ТЭМ представляет собой массив полупроводников р- и n-типов, последовательно соединенных между собой медными проводниками (массив переходов «полупроводник — металл»). Рассмотрим принцип действия ТЭМ на примере двух соединенных между собой медными контактами полупроводников р- и n-типов, то есть массив четырех переходов «металл — полупроводник». Допустим, ток направлен от полупроводника n-типа к полупроводнику р-типа. Напомним, что за направление тока принимается направление, обратное упорядоченному движению электронов в металле, поэтому, двигаясь по замкнутому контуру цепи, электроны будут преодолевать переходы в следующем порядке: «медь — полупроводник р-типа», «полупроводник р-типа — медь», «медь — полупроводник n-типа», «полупроводник n-типа — медь».
На первом переходе («медь — полупроводник р-типа») электроны попадают из медного проводника в полупроводник р-типа, где основными носителями заряда являются дырки. В полупроводнике р-типа вблизи перехода происходит рекомбинация дырок и электронов, что сопровождается выделением энергии, поскольку с энергетической точки зрения электроны при этом переходят из состояния с более высокой энергией (такой энергией электроны обладают в зоне проводимости) в состояние с меньшей энергией (такой энергией электроны обладают в валентной зоне). В результате выделения энергии (теплота Пельтье) область вблизи границы перехода «медь — полупроводник р-типа» нагревается.
На следующем переходе («полупроводникр-типа — медь») электроны из полупроводника р-типа переходят в металл. В полупроводнике р-типа электроны вблизи границы перехода образуются за счет генерации электронно-дырочных пар. Отметим, что процесс генерации электронно-дырочных пар происходит во всем пространстве полупроводника, однако он скомпенсирован обратным процессом рекомбинации, поэтому среднее количество дырок и электронов не меняется. И только в области вблизи границы перехода процесс генерации не компенсируется процессом рекомбинации, поскольку под действием электрического поля электроны «высасываются» из полупроводника.
В процессе генерации электронно-дырочных пар с энергетической точки зрения электроны переходят из валентной зоны (из состояния с меньшей энергией) в зону проводимости (в состояние с более высокой энергией). Поэтому данный процесс сопровождается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода охлаждается (поглощение теплоты Пельтье).
На следующем переходе («медь — полупроводник n-типа») электроны переходят из меди в полупроводник n-типа. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда также являются электроны, поэтому никакой рекомбинации электронов и дырок в данном случае не наблюдается. Однако энергия электронов в металле и полупроводнике различна, причем в полупроводнике электроны проводимости обладают более высокой энергией, чем в металле. Напомним, что для того, чтобы перейти в зону проводимости в полупроводнике, электроны должны преодолеть запрещающую зону, ширина которой достигает нескольких эВ. Соответственно, переход электронов из металла в полупроводник n-типа с энергетической точки зрения соответствует увеличению энергии электронов и, следовательно, сопровождается поглощением энергии, в результате чего область вблизи границы перехода «медь — полупроводник n-типа» охлаждается.
На последнем переходе («полупроводник n-типа — медь») электроны переходят из полупроводника n-типа в медь. В данном случае мы имеем дело с энергетическим процессом, обратным рассмотренному ранее, то есть в процессе перехода электроны переходят из состояния с более высокой энергией (зона проводимости в полу¬проводнике) в состояние с меньшей энергией (зона проводимости в металле). В результате такого перехода выделяется энергия, что приводит к нагреву границы перехода «полупроводник n-типа — медь».
Таким образом, в результате прохождения тока через последовательность переходов «медь — полупроводник р-типа», «полупроводник р-типа — медь», «медь — полупроводник n-типа» и «полупроводник n-типа — медь» два перехода будут нагреваться, а два — охлаждаться. Если расположить переходы таким образом, чтобы нагревающиеся находились в одной плоскости, а охлаждающиеся — в другой, то мы получим элементарный термоэлектрический элемент Пельтье.
В элементе Пельтье количество связанных друг с другом переходов может быть очень большим, но главное — все нагревающиеся переходы расположены в одной плоскости, а все охлаждающиеся — в другой. Медные контакты, соединяющие полупроводники, фиксируются керамическими пластинами. Таким образом, одна керамическая пластина нагревается, а другая, наоборот, охлаждается.
Термоэлектрические модули Пельтье нашли широкое применение в различных системах охлаждения, в том числе в системах охлаждения компонентов ПК. Так. на основе термоэлектрических модулей построены некоторые модели процессорных кулеров и кулеров для видеокарт. В таких кулерах холодная керамическая пластина модуля Пельтье приводится в соприкосновение с горячей поверхностью охлаждаемого элемента (например, процессора), а к горячей пластине прикрепляется радиатор с вентилятором для отвода тепла.
|
Главная 
