admin / 08.07.2018

Пельтье для охлаждения процессора

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

  • А – контакты для подключения к источнику питания;
  • B – горячая поверхность элемента;
  • С – холодная сторона;
  • D – медные проводники;
  • E – полупроводник на основе р-перехода;
  • F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

  • мобильных холодильных установок;
  • небольших генераторов для выработки электричества;
  • систем охлаждения в персональных компьютерах;
  • кулеры для охлаждения и нагрева воды;
  • осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

  • простота конструкции;
  • устойчивость к вибрации;
  • отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
  • низкий уровень шума;
  • небольшие габариты;
  • возможность работы в любом положении;
  • длительный срок службы;
  • небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Термоэлектрический автохолодильник установленный в салоне автомобиля

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Термоэлектрический генератор B25-12 (М) на 12 вольт, мощностью 25 ватт

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Термоэлектрический кулер Армада

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело – охладить небольшой объем холодильной камеры, другое – помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

  • вода не охлаждается ниже 10-12°С;
  • на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
  • устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
  • не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Простой и недорогой китайский осушитель воздуха на элементах Пельтье

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Схема подключения самодельного термогенератора

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

Принципиальная схема преобразователя напряжения

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

Релиз большей части процессоров AMD Ryzen состоялся по меркам компьютерной индустрии уже достаточно давно – аж 3 месяца назад, и как известно, сокет AM4 несколько отличается монтажными отверстиями от AM3. Владельцам систем охлаждения от именитых компаний, таких как Noctua и Cryorig, конечно, очень хорошо. Ведь к сегодняшнему моменту они наверняка уже получили комплекты модернизации системы крепления, по крайней мере те, кто их вообще заказывал. Ну а что делать, если собирается система на Ryzen, но по хорошей цене удалось найти лишь tray-версию (то есть без кулера в комплекте). А ситуация такая очень вероятно, в особенности с учетом дефицита самих процессоров.

AMD с линейкой процессоров Ryzen выпустила и новые процессорные кулеры. Ну как новые, конструктивно это тоже самое, но зато с прикольной RGB-подсветкой. Если что, к BOX-кулерами Ryzen претензий никаких: это и самые производительные комплектные системы охлаждения, и самые красивые тоже. Но BOX кулер просто по умолчанию не может подходить под определение “очень хороший” (за редкими исключениями, вроде «водички» от Intel), да и вспомним вышеизложенный вариант с отсутствующим в комплекте кулером вообще. Да и хочется подешевле. Собрал систему и CPU-кулер на значу – нормальная типичная история.

Thermaltake в этом плане пришли в себя одними из первых, и выпустили процессорную систему охлаждения Contac Silent 12 (CL-P039-AL12BL-A), и у неё две особенности: поддержка сокета AM4, и ценник в $25.

P.S. Еще и 700 грамм веса. Похоже вообще практически по цене металла продают.

Упаковка и комплектация

За оформление коробки, пусть она и кажется пустоватой, я на самом деле похвалю Thermaltake. По ней просто сразу все понятно. В том смысле, что по всем граням приведены просто исчерпывающие сведения о лежащей внутри системе охлаждения.

Сразу же на боксе приведены и технические спецификации. Весьма странно: кулер позиционируется как бюджетное решение для процессора Ryzen, и даже на официальной странице продукта прямо вот сразу отдельными значком значится: AM4 Support, что вроде как очевидно, что означает. Я на всякий случай зашел в гугл переводчик, проверил:

Но на коробке поддержка AM4 не значится=( Этот момент все еще остается для меня непонятным, ведь сам кулер то в итоге на платформу AM4 отлично встал.

Внутри все уложено… бюджетненько. А чего тут можно было ждать за 25 USD?

С комплектацией одновременно все и хорошо, и нет. Начнем с плохой новости: в комплекте только две скобы для установки вентилятора, то есть можно установить только один вентилятор. Хорошая новость: в комплекте есть переходник-резистор. Это фактически сопротивление, уменьшающее максимальные (и минимальные тоже) обороты вентилятора. В будущем такой резистор ОЧЕНЬ пригодится многие и многие разы.

Тем не менее всего две скобы в комплекте – плохо. Кроме этого есть только монтажная скоба с парой монтажных винтов, да пакетик с термопастой, который там на один разок.

Внешний вид и особенности конструкции

Thermaltake Contac Silent 12 – кулер компактный. Вместе с вентилятором (его толщина стандартные 25 мм) общие габариты 153х127×75 мм, и масса 700 г. Учитывая маленькую высоту в всего 153 мм, потенциальному владельцу можно не сильно переживать, что кулер не влезет по высоте, при условии обычного типичного корпуса.

Конструкционно все просто и без каких-либо технологических новшеств: на 4 U-образные тепловые трубки (диаметром 6 мм) нанизаны алюминиевые пластины. Тепловые трубки напрямую соприкасаются с поверхностью процессорной крышки, и этому “соприкосновению” чуть ниже будет отведено пару абзацев. Концы тепловых трубок никак не обработаны.

По форме радиаторных пластин легко заметно, что вентилятор можно ставить в двух положениях: перед радиатором и за ним. И теоретически можно было бы повесить два вентилятора сразу, но дополнительных скоб в комплекте, напомню, не предусмотрено.

Сами пластины простейшие, без направителей потока, без прорезей в определенных местах, и всего в таком духе. Просто пластины и все. Отполированы посредственно. Их толщина 0,4 мм, а расстояние меж ними 2,2 мм. Теоретически радиатор остается эффективным даже при малых оборотах вентилятора, вентилятор даже со слабым потоком способен продувать такое большое межреберное расстояние.

Не до конца продумано и расположение тепловых трубок в радиаторе. Они расположены довольно близко друг к другу, а не пронизывают радиатор +- равномерно.

Теперь перейдем к основанию. Оно изначально в коробке закрыто защитной пленкой, и я даже удивился, ведь на таких бюджетных решениях встречаешь защищенное основание нечасто. Там в большинстве случаев нечего защищать.

Посмотрите на фото. Отлично отполировано, и кажется, что тепловые трубки лежат в пазах просто идеально. Не спроста защитная пленка. Действительно есть, что защищать.

Весьма и весьма приличный получился и отпечаток на процессоре. Трубки прилегают чуть плотнее, чем все основание, и хорошо лежат по всей плоскости крышки CPU. Один угол, правда, слегка «завален», и там вовсе не было контакта, но это самый уголок, и скажется это не сильно. Главное трубки полностью прилегают.

Комплектный вентилятор вполне типичного диаметра 120 мм, с маркировкой TT-1225. Такой вентилятор часто встречается в корпусах Thermaltake, и в целом он весьма распространен. Основан «карлсон» на гидродинамическом подшипнике, и он (подшипник) здесь легко смазывается. Будете раз в год смазывать и прослужит он очень долго.

Thermaltake TT-1225 характеризуется скоростью вращения 500-1500 об/мин (в резистором 400-1100 об/мин), уровнем шума до 29 дБА (до 22 дБА с резистором) и прокачивает до 126 кубических метра воздуха в час (как с резистором данных нет). Вентилятор не самый плохой, но и не самый лучший. Средний. По заявлениям, все это дело может рассеять до 150 Вт тепла.

Тестовый стенд и тестирование

На этот раз не будет традиционного для обзоров процессорных кулеров раздела с процессом установки. Как это делается на AMD платформе понятно просто интуитивно, да и сам кулер никаких для этого модификаций не требует. Прямо вот берется из коробки и сразу ставится.

Тестируемый кулер позиционируется в первую очередь как решение для AM4-платфотрмы, да и пора уже понемногу вводить Ryzen в тесты. Так что стенд сегодня такой:

  • Процессор: AMD Ryzen 5 1600X (4 ГГц);
  • Материнская плата: ASUS Prime X370-PRO;
  • Видеокарта: ASUS ROG Strix RX 480 8 ГБ;
  • Оперативная память: GeIL Dragon Ram DDR4-4000 8 ГБ (2х4 ГБ);
  • Системный накопитель: OCZ RD400 512 ГБ;
  • Дополнительный накопитель: ADATA Ultimate SU800 256 ГБ;
  • Стенд: DimasTech BenchTable Extreme;
  • Блок питания: Thermaltake DPS G RGB 850 Вт;
  • Операционная система: Windows 10 x64.

Для процессоров Ryzen у нас пока не так много различных систем охлаждения, и еще меньше таких, которые бы стоили хотя бы примерно как Thermaltake Contac Silent 12. В тесте принимали участие следующие системы охлаждения (честно, что было):

  • Thermaltake Contac Silent 12;
  • Cooler Master Liquid Pro 240;
  • Cryorig H5 Ultimate;
  • BOX AMD Cooler.

Все технологии энергосбережения были отключены в BIOS материнской платы, и процессор работал при постоянной частоте 4 ГГц. Мониторинг осуществлялся через MSI Afterburner, а нагрузку обеспечил LinX 0.6.5 (количество используемой памяти – вся что есть). Отмечу, что LinX создает колоссальные нагрузки на процессор. В играх и реальных приложениях таких температур никогда не будет. Тестирование проводилось с температурой в помещении 25° C.

Сам LinX знаменит тем, что именно с помощью этого алгоритма составляют рейтинги мощнейших суперкомпьютеров мира. По сути, это графическая интерпретация теста Intel Linpack, а в этот момент процессор одновременно считает много (10 000+) сложных алгебраических уравнений.

Выводы

Давайте посмотрим фактам в лицо. У Thermaltake Contac Silent 12 (CL-P039-AL12BL-A) есть недоработки: нет дополнительных скоб, посредственное исполнение, средненький вентилятор и вообще экономия на всем. Но при этом он стоит $25. За эти деньги к нему автоматически снимаются какие-либо претензии.

Это самая дешевая система охлаждения, которая только бывала у меня на обзоре. Предыдущий, скажем так «рекорд», принадлежал ID-Cooling SE-204K с ценником в 2500 рублей. Thermaltake Contac Silent 12 стоит около 1400 рублей, ну пускай даже 1500. Пусть и самый дешевый, но не самый плохой. За свои 1500 рублей он сделан намного лучше.

Отдельное спасибо скажу за комплектный переходник-резистор. Эту штука, поверьте, после покупки практически навсегда пропишется в вашем системном блоке. Будут меняться платформы и системы охлаждения, а резистор будет всегда все делать чуть тише.

Итоговую оценку затруднительно ставить. Он слишком хорош за $25. Нужно чтоб дешево – берите, отличный вариант и “Разумный выбор”.

Плюсы:

  • Дешевле некуда (это очень весомый +);
  • Компактный;
  • Комплектный резистор
  • Поддержка платформы АМ4.

Минусы:

  • Отсутствие покрытия пластин и трубок
  • Недорогой вентилятор.

Термоэлектрический охладитель Пельтье

Термоэлектрический охладитель Пельтье.
Принцип действия заимствовал из нета: В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.
Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К/
Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.
Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.
•Для нагрева необходимо просто поменять полярность.
•Размеры пластины Пельтье: 40 х 40 х 4 миллиметра.
•Рабочий диапазон температур: от -30 до +70?..
•Рабочее напряжение: 9-15 Вольт.
•Потребляемая сила тока: 0.5-6 А.
•Максимальная потребляемая мощность: 60 Вт.
Забавная вещица, подключаем 12v +- холодит меняем полярность греет. Используется во многих авто холодильниках, во всяком случае у меня такой. Можно приделать компактную схему в бардачок что б летом шоколад не таял! Для использования и эффективного применения нужно использовать радиатор охлаждения — в качестве теста применил радиатор от компьютерного процессора, можно с куллером. Чем лучше охлаждение тем эффект Пельтье сильнее и эффективнее. При подключении к авто акб на 12v ток потребления составил 5 ампер. Одним словом элемент прожорлив. Так как еще не собрал всё схему, а провел лишь пробные тесты, без приборных замеров температур. Так при режиме охлаждения в течении 10ти минут появилась легкая изморозь. В режиме подогрева вода в металлической чашки закипела. Эффективность конечно же этого охладителя низка, но цена девайса и возможность по экспериментировать делают покупку оправданной. Остальное на фото

FILED UNDER : Железо

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*