Jak funguje Peltierův chladič?
Efektivní provoz elektronických součástek vyžaduje odpovídající chladicí prostředky, které zajišťují požadované provozní teplotní podmínky. Typicky se zde používají systémy založené na tradičních radiátorech a ventilátorech různých konstrukcí, které tvoří účinné chladiče. Spolehlivost a výkon těchto zařízení se neustále zlepšuje prostřednictvím zdokonalování jejich konstrukce, používání nejnovějších technologií a materiálů, jakož i používání různých senzorů a ovládacích prvků v jejich složení. Množství pečlivě vypočítaných řešení vám umožňuje vybrat a integrovat nejlepší možnosti do mnoha počítačových systémů. To zajišťuje rychlou diagnostiku a optimální řízení s největší účinností při zachování optimálních teplotních podmínek pro provoz počítačových prvků, zvyšuje spolehlivost a prodlužuje dobu bezporuchového provozu chráněných elektronických systémů.
Navzdory tomu, že účinnost tradičních chladičů neustále roste, mezi konstruktéry se najdou zastánci alternativních způsobů chlazení elektronických prvků. Domnívají se, že mezi slibné prostředky patří Peltierovy polovodičové chladiče, o které se pravidelně zvyšuje zájem mnoha uživatelů počítačů, kteří z jakéhokoli důvodu nejsou spokojeni s tradičními řešeními.
Provoz Peltierových chladičů je založen na Peltierově jevu objeveném již v roce 1834. V současnosti se již nejedná o pole bimetalických prvků, ale o sadu speciálních polovodičových termoelektrických modulů. Takové nástroje se úspěšně používají v různých oblastech vědy a techniky.
V 60.–70. letech se domácí průmysl opakovaně pokoušel vyrábět malé domácí chladničky, jejichž provoz byl založen na Peltierově jevu v polovodičích. Ale nedokonalé technologie, nízké hodnoty účinnosti a vysoké ceny nedovolily takovým zařízením opustit výzkumné laboratoře a zkušební stolice.
Peltierův jev a odpovídající termoelektrické moduly však nezůstaly pouze v kompetenci vědců. V procesu zdokonalování technologie se podařilo výrazně zmírnit řadu negativních jevů, což vedlo k vytvoření vysoce účinných a spolehlivých polovodičových modulů. V posledních letech jsou aktivně využívány k chlazení různých elektronických součástek počítačů, zejména výkonných procesorů, jejichž provoz je doprovázen vysokým vývinem tepla. Zařízení vytvořená na bázi termoelektrických modulů – Peltierových modulů – umožňují díky svým jedinečným tepelným a provozním vlastnostem dosáhnout požadované úrovně chlazení bez zvláštních technických potíží a finančních nákladů. Zároveň jsou kompaktní, pohodlné, spolehlivé a mají velmi vysokou účinnost.
Polovodičové chladiče jsou zvláště zajímavé pro majitele počítačových systémů, jejichž prvky jsou instalovány a provozovány v nucených režimech. Provoz počítačových komponent v takových podmínkách je však doprovázen značným vývinem tepla a je často na hranici možností počítačových architektur, ale i stávajících a používaných mikroelektronických technologií.
Peltierovy chladiče využívají konvenční, tzv. termoelektrickou chladničku, jejíž provoz je založen na Peltierově jevu, který dostal své jméno na počest francouzského hodináře Jean-Charlese Peltiera (1785–1845), který svůj objev učinil více než století a půl, v roce 1834.
Sám Peltier zcela nepochopil podstatu jevu, který objevil. Skutečný význam stanovil o několik let později, v roce 1838, Emil Lenz (Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804–1865), ruský fyzik německého původu. Do prohlubně na spojnici dvou tyčinek vizmutu a antimonu umístil kapku vody: při průchodu elektrického proudu jedním směrem zamrzl a při průchodu opačným vzniklý led roztál. Lenz tedy došel k závěru, že při průchodu elektrického proudu kontaktem dvou vodičů dochází ke změně teploty – znaménko této změny závisí na směru proudu. V tomto případě se kromě Jouleova tepla uvolňuje nebo absorbuje další teplo, které se nazývá „Peltierovo teplo“ a samotný jev se nazývá „Peltierův efekt“.
Tento efekt je v podstatě opakem jevu, který objevil v roce 1821 Thomas Johann Seebeck (německý fyzik, 1770–1831), pozorovaný v uzavřeném elektrickém obvodu sestávajícím z odlišných kovů (nebo polovodičů): pokud teploty v místech, kdy kov nebo polovodič kontakty jsou různé, v obvodu se objeví elektrický proud. Na rozdíl od známého Joule-Lenzova tepla, které je úměrné druhé mocnině proudu, je Peltierovo teplo úměrné první mocnině proudu a mění znaménko, když se mění směr druhého. Jak ukázaly experimentální studie, Peltierovo teplo lze vyjádřit vzorcem:
kde q je množství prošlé elektřiny (q = I ´ t) a P je Peltierův koeficient, jehož hodnota závisí na povaze kontaktujících materiálů a jejich teplotě.
Peltierovo teplo Qп je považováno za pozitivní, pokud je uvolněno, a za negativní, pokud je absorbováno.
Rýže. 1. Experimentální schéma měření Peltierova tepla: Cu – měď, Bi – vizmut
V prezentovaném zapojení (obr. 1) se při stejném odporu vodičů R (Cu + Bi) spuštěných do kalorimetrů uvolní v každém kalorimetru stejné Jouleovo teplo, a to:
Peltierovo teplo bude naopak v jednom kalorimetru kladné a ve druhém záporné. V souladu s tímto schématem je možné měřit Peltierovo teplo a vypočítat hodnoty Peltierových koeficientů pro různé páry vodičů.
Je třeba poznamenat, že Peltierův koeficient je výrazně závislý na teplotě. Některé jeho hodnoty pro různé páry kovů jsou uvedeny v tabulce 1 (T – teplota v Kelvinech, P – Peltierův koeficient).
Tabulka 1. Hodnoty Peltierova koeficientu pro různé dvojice kovů
Železo-konstantan Měď-nikl Olovo-konstantan T, KP, mV T, KP, mV T, KP, mV 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
Peltierův koeficient, který je důležitou technickou charakteristikou materiálů, se obvykle neměří, ale vypočítává se pomocí Thomsonova koeficientu:
kde P je Peltierův koeficient, a je Thomsonův koeficient, T je absolutní teplota.
Objev Peltierova jevu měl velký vliv na následný vývoj fyziky a následně různých oblastí techniky.
Podstata tohoto efektu je tedy následující: když elektrický proud prochází kontaktem dvou vodičů vyrobených z různých materiálů, v závislosti na jeho směru se kromě Jouleova tepla uvolňuje nebo absorbuje další teplo. Míra projevu tohoto efektu do značné míry závisí na materiálech zvolených vodičů a použitých elektrických režimech.
Klasická teorie vysvětluje Peltierův jev tím, že elektrony přenášené proudem z jednoho kovu na druhý jsou urychlovány nebo zpomalovány rozdílem vnitřního kontaktního potenciálu mezi kovy. V prvním případě se kinetická energie elektronů zvýší a následně se uvolní ve formě tepla a ve druhém případě se sníží a tato ztráta se doplňuje tepelnými vibracemi atomů druhého vodiče – v důsledku toho, dochází k ochlazení. Úplnější teorie nebere v úvahu změnu potenciální energie při přenosu elektronu z jednoho kovu na druhý, ale změnu celkové energie.
Peltierův jev, stejně jako mnoho termoelektrických jevů, je zvláště výrazný v obvodech složených z polovodičů s elektronickou (n-type) a dírovou (p-type) vodivostí. Takové polovodiče se nazývají polovodiče s vodivostí typu n a p nebo jednoduše polovodiče typu n a p.
Uvažujme termoelektrické procesy probíhající v kontaktu takových polovodičů.
Předpokládejme, že elektrické pole má směr, ve kterém se budou elektrony v elektronickém polovodiči a díry v děrovém polovodiči pohybovat směrem k sobě. Elektron z volné zóny elektronického polovodiče po průchodu rozhraním vstoupí do vyplněné zóny děrového polovodiče a tam zaujímá místo díry. V důsledku takové rekombinace se uvolňuje energie, která se v kontaktu uvolňuje ve formě tepla. Tento proces je znázorněn na Obr. 2.
Rýže. 2. Uvolňování Peltierova tepla v kontaktu polovodičů typu n a p
Pokud se směr elektrického pole změní na opačný směr, elektrony v elektronickém polovodiči a díry v děrovém polovodiči se budou pohybovat opačnými směry. Díry vzdalující se od rozhraní se budou doplňovat v důsledku tvorby nových párů při přechodech elektronů z vyplněné zóny polovodiče díry do volné. Vytvoření takových párů vyžaduje energii, která je dodávána tepelnými vibracemi atomů mřížky. Elektrony a díry vytvořené během zrodu takových párů jsou elektrickým polem kresleny v opačných směrech. Dokud tedy kontaktem protéká proud, neustále se rodí nové páry. V důsledku toho bude teplo absorbováno kontaktem. Tento proces je znázorněn na Obr. 3.
Rýže. 3. Peltierova absorpce tepla v kontaktu polovodičů typu n a p
Takže v závislosti na směru elektrického proudu přes kontakt polovodičů různých typů – pn- a np-přechody – v důsledku interakce nábojů představovaných elektrony (n) a dírami (p), rekombinací a tvorbou náboje párů se energie (teplo) buď uvolňuje nebo absorbuje. Použití polovodičů typu p a n v termoelektrických chladničkách je znázorněno na Obr. 4.
Rýže. 4. Použití polovodičů typu p a n v termoelektrických prvcích
Kombinace velkého počtu párů polovodičů typu p a n umožňuje vytvářet chladicí prvky – termoelektrické moduly (Peltierovy polovodičové moduly) o relativně vysokém výkonu. Takové moduly jsou schopny chladit objekty s významnými úrovněmi tvorby tepla.
Struktura polovodičového termoelektrického modulu je na Obr. 5.
Rýže. 5. Struktura termoelektrického modulu (Peltierův polovodičový modul)
Peltierův polovodičový modul je termoelektrická chladnička skládající se z polovodičů typu p a n zapojených do série, které tvoří přechody pn a np. Každý z těchto spojů má tepelný kontakt s jedním ze dvou radiátorů. V důsledku průchodu elektrického proudu určité polarity se mezi radiátory Peltierova modulu vytvoří teplotní rozdíl: jeden radiátor funguje jako chladnička a druhý se zahřívá a slouží k odvodu tepla. Termoelektrický modul pracující na Peltierově jevu umístěný svou studenou stranou na povrchu objektu, který chrání, funguje v podstatě jako tepelné čerpadlo. Toto čerpadlo přenáší teplo z tohoto objektu na horkou stranu modulu, chlazenou vzduchovým nebo vodním chladičem. Jako každé tepelné čerpadlo je popsáno termodynamickými vzorci, takže Peltierovy moduly lze nazvat nejen termoelektrickými, ale i termodynamickými.
Na Obr. Obrázek 6 ukazuje vzhled typického utěsněného Peltierova modulu.
Rýže. 6. Vzhled utěsněného Peltierova modulu
Typický modul poskytuje významný teplotní rozdíl – několik desítek stupňů. Při vhodném nuceném chlazení topného radiátoru umožňuje druhý radiátor – chladnička – dosáhnout záporných teplot. Pro zvýšení teplotního rozdílu je možné kaskádově zapínat Peltierovy termoelektrické moduly (obr. 11), samozřejmě při zajištění jejich dostatečného chlazení. To umožňuje relativně jednoduchými, levnými a spolehlivými prostředky získat významný teplotní rozdíl a zajistit účinné chlazení chráněných prvků. Chladicí zařízení založená na Peltierových modulech se často nazývají aktivní Peltierovy chladiče nebo jednoduše Peltierovy chladiče.
Použití Peltierových modulů v aktivních chladičích je výrazně zefektivňuje ve srovnání se standardními typy chladičů založených na tradičních radiátorech a ventilátorech. Při navrhování a používání chladičů s takovými moduly je však nutné vzít v úvahu řadu specifik vyplývajících z jejich konstrukce, principu fungování, architektury moderního počítačového hardwaru a funkčnosti systémového a aplikačního software.
Především je velmi důležitý výkon Peltierova modulu, který zpravidla závisí na jeho velikosti, jakož i na počtu a parametrech párů polovodičů typu p a n použitých v jeho složení (obr. 5 a 7). Nízkoenergetický modul totiž nebude schopen zajistit požadovanou úroveň chlazení, což povede k nesprávné funkci chráněného elektronického prvku, jako je procesor, v důsledku jeho přehřátí.
Použití modulů s příliš velkým výkonem však může způsobit pokles teploty chladicího radiátoru na úroveň kondenzace vlhkosti ze vzduchu, což je nebezpečné pro elektronické obvody: nepřetržitě vytvářená voda může vést ke zkratům v elektronických obvodech počítač. Zde je vhodné připomenout, že vzdálenost mezi vodiči s proudem na moderních deskách plošných spojů je často zlomky milimetrů. Přesto to byly navzdory všemu právě výkonné Peltierovy moduly jako součást vysoce výkonných chladičů a odpovídajících přídavných chladicích a ventilačních systémů, které umožnily KryoTech a AMD ve společném výzkumu přetaktovat procesory AMD vytvořené tradiční technologií. V důsledku použití proprietárních řešení chlazení bylo možné zvýšit pracovní frekvenci procesorů téměř dvojnásobně oproti jejich běžnému režimu provozu, díky čemuž byly na trh nabízeny vysoce výkonné systémy s akcelerovanými procesory.
Je třeba poznamenat, že Peltierovy moduly při svém provozu vydávají poměrně velké množství tepla. Z tohoto důvodu byste jako součást chladiče měli používat nejen výkonný ventilátor, ale také opatření na snížení teploty uvnitř počítačové skříně, aby nedocházelo k přehřívání ostatních komponent. K tomu je vhodné použít přídavné ventilátory ve skříni počítače, aby byla zajištěna lepší výměna tepla s okolím mimo skříň.
Nejdůležitější parametry modulů jsou: maximální odběr proudu (Imax), maximální napětí (Umax), chladicí výkon (Qc max), maximální teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou (dTmax), zatížení ve vakuu a také rozměry (délka L, šířka W , výška H).
Nutno dodat, že chladicí systémy na bázi termoelektrických modulů – Peltierových modulů – se používají nejen v elektronických systémech, jako jsou počítače, ale také pro chlazení různých vysoce přesných zařízení. Termoelektrické moduly mají navíc velký význam pro vědu – jde především o experimentální výzkum v oblasti fyziky, chemie a biologie. Příklady sériově vyráběných polovodičových Peltierových modulů jsou na Obr. 6–11.
Rýže. 7. Polovodiče typu P a n v termoelektrickém neutěsněném modulu
Rýže. 8. Příklad miniaturního termoelektrického modulu