Термоэлектрические системы охлаждения

Термоэлектрические системы охлаждения — кулеры на основе элемента Пельтье — могут охлаждать радиатор CPU ниже температуры окружающего воздуха и даже ниже нуля. Эффект Пельтье относится к разряду термоэлектрических явлений, он был впервые открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. Когда Жаном-Шарлем Пельтье пропустил постоянный ток через полоску висмута, подключенную с помощью двух медных проводников, то он заметил, что соединение, где ток идет от меди к висмуту нагревается, другое соединение — висмут-медь, через которое ток шел в обратном направлении, охлаждалось. Позже выяснилось, что этот эффект в значительной степени усиливается, если вместо металлов использовать соединения из разнородных полупроводников. На том и основаны конструкции современных элементов Пельтье.

Конструктивно охладитель на основе эффекта Пельтье состоит из последовательного соединения множества чередующихся полупроводниковых элементов n и p-типов. При прохождении постоянного тока через такое соединение одна половина p-n контактов будет нагреваться, другая — наоборот, охлаждаться. Полупроводниковые элементы ориентированы так, чтобы нагревающиеся контакты выходили на одну сторону, охлаждающиеся — на другую. Получается пластинка, покрытая с обеих сторон материалом из керамики.

Если подать на пластинку из элементов Пельтье достаточно сильный ток, то одна ее сторона нагреется, а другая охладится, а разность температур между ними может достигать нескольких десятков градусов. Холодную сторону кладут на ядро CPU, на горячую же устанавливают радиатор с воздушным или водяным охлаждением. Получается конструкция очень похожая на обычный воздушный кулер или систему водяного охлаждения. Тонкая, всего несколько миллиметров толщиной, пластинка Пельтье часто незаметна на первый взгляд. Однако эффект от охлаждения сильно возрастает, так как температуру со стороны ядра можно опустить ниже температуры окружающего воздуха и даже ниже нуля, чего никак не достичь при обычных системах воздушного или водяного охлаждения.

Для достижения нужного эффекта через него нужно пропускать ток большой величины — более 10 А. КПД элемента Пельтье достаточно низок. Значительная часть затраченной энергии не приносит никакой пользы, а лишь выделяется в виде дополнительного тепла с горячей стороны элемента. Таким образом, суммарное количество тепла, выделяемого на радиаторе элемента Пельтье, будет больше, чем, если бы он не использовался вообще. Следовательно, радиатор потребует куда мощную систему отвода тепла. Тем не менее, радиатор на элементе Пельтье может выдерживать температуры гораздо выше, чем если бы это был просто радиатор на ядре процессора. Таким образом, элемент Пельтье не выходит из строя при 100 градусах.

Воздушные кулеры, дополненные элементом Пельтье, очень легко устанавливаются, не требуя корпусов специальной конструкции. На вид они мало чем отличаются от простых воздушных систем охлаждения. Однако для них требуется либо дополнительный блок питания, либо БП компьютера должен быть рассчитан на большую мощность, чтобы ее могло хватить и на питание термоэлектрического охладителя.

Особенно большой интерес полупроводниковые холодильники представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых, установлены и эксплуатируются в жестких форсированных режимах. Использование таких режимов - разгона (overclocking) часто обеспечивает значительный прирост производительности применяемых электронных компонентов, а, следовательно, как правило, и всей системы компьютера.

Системы охлаждения CPU, использующие в своей конструкции элемент Пельтье, выпускаются различми фирмами. Это может быть просто очень тонкая термоэлектрическая пластинка элемента Пельтье, которая вкладывается между радиатором обычного воздушного кулера достаточной мощности или ватерблоком, не требуя никаких дополнительных приспособлений.

В качестве примера более завершенной конструкции можно привести систему совместной разработки Thermaltake и ActiveCool — SubZero™ 4G. Эта установка состоит из массивного радиатора с мощным вентилятором, в подошву которого встроен термоэлектрический модуль Пельтье. Крепится радиатор SubZero™ 4G, как обычный процессорный кулер. Вместе с ним в комплекте идет PCI-карта, содержащая систему терморегуляции и управления вентиляторами, в ней же встроен дополнительный блок питания для модуля Пельтье, также снабженный собственным вентилятором. БП SubZero™ 4G довольно плоский, и запросто вмещается в PCI-слот материнской платы, не мешая установке других плат расширения.

К недостаткам элементов Пельтье, прежде всего, следует отнести их низкий КПД и высокое энергопотребление. Радиатор на элементе Пельтье нагревается гораздо выше обычного кулера. Если он охлаждается воздушным кулером, то количество рассеиваемого тепла теперь гораздо больше: к теплу самого процессора добавляется немалое тепловыделение от термоэлектрического элемента Пельтье. Все это тепло попадает вовнутрь корпуса, поэтому требуются дополнительные меры для его вентиляции. Надежность элементов Пельтье тоже не очень высока. Сама пластинка обладает очень плохой теплопроводностью. Если термоэлектрический модуль по каким-то причинам перестанет работать, то элемент Пельтье сразу же превращается в керамический теплоизолятор, и кулер поверх него окажется бесполезным, а процессор, если не будет принято каких-либо мер автоматического отключения, скорее всего сгорит. При установке модули Пельтье также требуют применения специальных герметизирующих прокладок, так как их холодная сторона способна конденсировать влагу из окружающего воздуха.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать холодильники Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды (в данном случае температура воздуха внутри корпуса), температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем больше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.