Полупроводниковые кулеры Пельтье
Кроме указанных особенностей, необходимо учитывать и ряд специфических обстоятельств, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров, применяемых для охлаждения высокопроизводительных процессоров мощных компьютеров.
Эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и поддержания соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неоптимальный выбор модели и режимов ее эксплуатации не только не обеспечивают необходимые условия работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Оптимальный же выбор является сравнительно непростой задачей.
Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рис. 17.22 (с разрешения фирмы Остерм). На этом рисунке приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.
Рис.17.22. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье
Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующем 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 значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье, вычисляемая как Тс = Th – dT.
Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT = Th – Тс) между горячей (Th) и холодной сторонами (Тс) 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.
Пример расчета:
- Для напряжения 12 В ток составляет 5 А.
- Для электрического тока 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К (45 °C), для 40 Вт – 25 К, для 60 Вт – 4 К.
- По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50 °C), можно вычислить температуру Тс для каждого значения Qc. Для случая тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5 °C), для 40 Вт – 298 К (25 °C), для 60 Вт – 319 К(46 °C),
Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей величины разности температур горячей и холодной его сторон. Так, например, модуль с Qc = 131 Вт (Imax = 8.5 A, Umax = 28.8 В) обеспечивает разность температур в 35-40 °C 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, 1 = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента. Тепловой поток, порождаемый данными источниками, ложится на охлаждающие средства. При этом используемые средства, представленные, как правило, соответствующими радиатором и вентилятором, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровень температуры горячей стороны модуля Пельтье.
В тех же случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля зависит как от разности температур, так и от величины температуры на горячей стороне этого модуля.