Дипломная работа: Конвективный и одноступенчатый термоэлектрические способы охлаждения персонального компьютера

Рис. 1.17 - Современная схема распределения воздушных потоков внутри корпуса ПК

1.4 Одноступенчатый термоэлектрический способ при охлаждении элементов ПК

Элементы Пельтье

В прошлом веке советский физик Иоффе А. Ф. разработал теорию о применении полупроводниковых термоэлементов, а также обосновал возможность применения эффекта Пельтье на практике, термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) нашли применение во многих областях жизнедеятельности человека. В основном это в военной технике, электронной технике, а также в медицине и в ряде других сферах, где термоэлектрический способ охлаждения является единственно возможным. Связано это с тем, что за последние годы увеличились количества выпускаемых полупроводниковых приборов и интегральных схем, где используются ТОУ для стабилизации и охлаждения температуры. Использование термоэлектрических охлаждающих устройств значительно улучшают характеристики электронной техники, делая их работу стабильной и надёжной, вдобавок повышая быстродействие. ТОУ обладают множеством достоинств по сравнению с другими системами охлаждения:

- надёжность;

- малые габариты и вес;

- бесшумность;

- регулирование температуры, путём изменения подачи напряжения на ТОУ;

- высокая экологичность.

Увеличение числа новых термоэлектрических приборов и расширение областей применения эффекта Пельтье свидетельствует о том, что термоэлектрический способ охлаждения использован ещё не полностью.

Системы охлаждения непрерывно развиваются, показатели охлаждения кулеров улучшаются, на рынке компьютерных систем появились специальные средства охлаждения электронных элементов, созданные на термоэлектрических эффектах в полупроводниках. Специалисты считают, что полупроводниковые термоэлементы, которые основаны на охлаждающем свойстве Пельтье, весьма перспективны для эксплуатации компьютерных компонентов. Термоэлементы уже много лет применяют в различных областях науки и техники. Так, в прошлом веке предпринимали неоднократные попытки выпуска малогабаритных холодильников на основе эффекта Пельтье. Однако попытки не привели к успеху, из-за недостатка технологий того времени, небольшие значения коэффициента полезного действия и высоких цен на материалы не позволили устройствам создать конкуренцию на рынке. В результате совершенствования технологий многие недостатки элементов Пельтье получилось ослабить, и в итоге этих стараний были изобретены высокоэффективные и надёжные термоэлектрические модули. Модули, которые основаны на эффекте Пельтье, в последние годы стали активно применять для различных электронных компонентов системного блока. Создание высокопроизводительных процессоров с высоким уровнем теплообразования стаи охлаждать термоэлектрическими модулями. Благодаря своим малым размерам, высокой эффективностью и сравнительно небольшой стоимостью, модули, основанные на эффекте Пельтье, позволяют достичь нужной степени охлаждения компьютерных компонентов без особых технических трудностей. [8]

Эффект Пельтье

В термоэлементах используется эффект Пельтье. Который назван в честь французского часовщика Жан Шарля Пельтье, сделавший своё открытие в 1834 году, впоследствии всецело предался науке. В экспериментах учёного было установлено, что при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из разного рода материалов, кроме традиционного джоулева тепла, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока. Пропорционально силе тока количество выделяемой и поглощаемой теплоты. Явление получило название - явление Пельтье. Эффект в значительней мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов. Эффект в большей степени обратен открытому явлению немецкого физика Зеебека Т. И., наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или проводников.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, особенно сильно выражен в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип). Ни для кого не секрет, что подобные полупроводники, называются полупроводниками p- и n-типа. Затем рассмотрим термоэлектрические процессы, которые будут происходить при контакте полупроводников. Представим, что направление электрического поля такое, при котором электроны в электронном полупроводнике, а «дырки» в дырочном полупроводнике двигаются навстречу друг другу. Рекомбинация электрона с «дыркой» происходит за счет, того, что электрон их свободной зоны n-типа проходит через границу раздела и попадает в заполненную зону p-типа. В конечном итоге под действием рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла (рис. 1.18). [11]

Рис. 1.18 - Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

Если изменить направление электрического поля на противоположное, то «дырки» и электроны в полупроводниках соответствующего типа, будут двигаться в обратные стороны. «Дырки», которые уходят от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходе электронов из пар заполненной полупроводника р-типа в свободную зону. Энергия расходуется на образование новых пар, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решётки. Электрическое поле захватывает в противоположные стороны электроны и дырки, которые образуют рождение таких пар. Получается, пока через контакт подаётся ток, постоянно производятся новые пары, и тем самым в контакте поглощается тепло (рис. 1.19). [8]

Рис. 1.19 - Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа

Модули Пельтье

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - термоэлектрические модули, или, как их еще называют, модули Пельтье, сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье (рис. 1.20). [11]

Рис. 1.20 - Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических модулях

Модуль Пельтье - это 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 нагревается и служит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, основанный на эффекте Пельтье, по сути, выступает как тепловой насос, перекачивая тепло от этого объекта на горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером. Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтому модули Пельтье можно назвать не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями. [12]

Рис. 1.21 - Полупроводниковый термоэлектрический модуль Пельтье [9]

Обычный модуль обеспечивает значительный температурный перепад - в 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 (при условии адекватного их охлаждения). Это позволяет сравнительно простыми, дешёвыми и надёжными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. [11]

Рис. 1.22 - Конструкция кулера с модулем Пельтье

Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными термоэлектрическими кулерами, или активными кулерами Пельтье, или просто кулерами Пельтье. Такой кулер обычно состоит из термоэлектрического модуля, выполняющего функции теплового насоса, и понижающей температуру горячей стороны радиатора и охлаждающего вентилятора. На рисунке 1.21 представлена схема активного кулера, в составе которого использован полупроводниковый модуль Пельтье. Использование термоэлектрических модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей, их принципа работы, архитектуры аппаратных средств компьютеров. Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера и от числа и параметров используемых в нем пар полупроводников p- и n-типа. Модуль малой мощности не способен обеспечить необходимый уровень охлаждения, что приводит к нарушению работоспособности электронного элемента, например, процессора, из-за перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может понизить температуру охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. [12]

Особенности эксплуатации модулей Пельтье

Термоэлектрические элементы, основанные на эффекте Пельтье, используемые в средствах охлаждения электронных элементов, отличаются довольно высокой надёжностью. Так же, для увеличения эффективности допускается каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье, что позволяет довести температуру корпусов электронных элементов до отрицательных значений, даже при значительной мощности рассеяния. Тем не менее, кроме преимуществ, термоэлектрические модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при их использовании в составе охлаждающих сред. Модули Пельтье отличаются относительно низким холодильным коэффициентом и, выполняя функцию теплового насос, сами становятся мощными источниками тепла. Использование элементов Пельтье в составе средств охлаждения вызывает значительное увеличение температуры внутри системного блока, что приводит к росту температуры и других элементов системного блока. Отсюда следует, что требуются дополнительные средства для снижения температуры, например, радиаторы и вентиляторы, для улучшения теплообмена с окружающей средой.

1.5 Заключение по литературному обзору

Анализ приведенного обзора литературы позволяет сделать следующие выводы:

- Развитие эффективных систем охлаждения способствует быстрому прогрессу компьютерной техники, так как увеличение мощности компьютера увеличивает его тепловыделение.

- Существуют различные способы охлаждения персонального компьютера, каждый из которых характеризуется своими достоинствами и недостатками.

- Термоэлектрические элементы, основанные на эффекте Пельтье стали использоваться в компьютерной технике совсем недавно, поэтому является перспективной темой для более подробного изучения.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В состав экспериментальной установки входят:

- системный блок персонального компьютера;

- монитор;

- модуль Пельтье.

Характеристика системы представлены ниже в таблицах 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 и 2.5. А характеристика модуля Пельтье в таблице 2.6.

Таблица 2.1 - Техническая характеристика материнской платы ECS G31T-M7 [13]

Таблица 2.2 - Техническая характеристика микропроцессора Pentium (R) Dual Core CPU E5400 2.7 GHz [14]

Таблица 2.3 - Техническая характеристика видеокарты NVIDIA GeForce 9500 GT [15]

Таблица 2.4 - Техническая характеристика жёсткого диска ST3320418AS [15]