Файл: Курсовая на тему Термоэлектрическое охлаждение элементов и устройств ЭВС . РС-71.docx

Термоэлектрическое охлаждение компьютерных элементов

Работа современных высокопроизводительных электронных компонентов, составляющих основу компьютерных систем, сопровождается значительным тепловыделением, особенно при эксплуатации их в форсированных режимах. Как следствие, эффективная работа таких компонентов требует адекватных средств охлаждения. Для поддержки оптимальных температурных режимов обычно используют специальные охлаждающие устройства - кулеры, основой которых служат традиционные радиаторы и вентиляторы.

Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкции, использования новых технологий, введения разнообразных датчиков и средств контроля. Это позволяет интегрировать подобные средства в состав компьютерных систем, обеспечивая диагностику и управление их работой.

Несмотря на то, что параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, в последнее время на компьютерном рынке появились и специальные средства охлаждения электронных элементов, основанные на термоэлектрических эффектах в полупроводниках. В частности, по мнению специалистов, полупроводниковые термоэлектрические модули, охлаждающие свойства которых основаны на эффекте Пельтье, чрезвычайно перспективны для создания необходимых условий эксплуатации компьютерных компонентов.

Кстати, подобные средства уже много лет успешно применяются в различных областях науки и техники. Так, в 60-70-х годах прошлого века отечественная промышленность предпринимала неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников на основе эффекта Пельтье. Однако несовершенство технологий того времени, низкие значения кпд и высокие цены не позволили подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лаборатории и испытательные стенды. Тем не менее в процессе совершенствования технологий многие негативные явления удалось существенно ослабить, и в результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули.

В последние годы такие модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. В частности, их стали применять для охлаждения высокопроизводительных процессоров с высоким уровнем теплообразования.

Благодаря своим тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей (модулей Пельтье), позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. В качестве кулеров электронных компонентов такие средства чрезвычайно перспективны: они компактны, удобны, надежны и обладают очень высокой эффективностью.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры 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 электронных компонентов, а следовательно, и всей системы. Однако работа в подобных режимах сопровождается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур и микроэлектронных технологий.

Необходимо отметить, что высоким тепловыделением сопровождается работа не только процессоров, но и современных высокопроизводительных видеоадаптеров, а в некоторых случаях и модулей памяти. Эти мощные элементы требуют для корректной работы интенсивного охлаждения даже в штатных режимах и тем более в режимах разгона.

Эффект Пельтье

В кулерах Пельтье используется так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад - в 1834 г.

В экспериментах Пельтье было установлено, что при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, помимо традиционного джоулева тепла, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное тепло. Количество выделяемой или поглощаемой теплоты пропорционально силе тока. Это явление было названо явлением Пельтье, а дополнительное тепло получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Описанный эффект по своей сути обратен ранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов или полупроводников. Если температуры в местах контактов металлов или полупроводников различаются, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком (1770-1831).

В отличие от хорошо известного тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока: Q = R x I² x t,тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой: Qп = П x·q, где q - количество электричества, прошедшего через контакт (q = I x t), П - так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры. Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье существенно зависит от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент Пельтье, представляющий собой важную техническую характеристику материала, как правило, не измеряют, а вычисляют через коэффициент Томсона: П = t x T, где П - коэффициент Пельтье, t - коэффициент Томсона, T - абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а затем и различных областей техники.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается и выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника, в результате чего происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, особенно сильно выражен в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип). Такие полупроводники, как известно, называются соответственно полупроводниками n- и p-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие при контакте таких полупроводников. Допустим, направление электрического поля таково, что электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны полупроводника n-типа после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону полупроводника p-типа и там рекомбинирует с дыркой. В результате рекомбинации высвобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла (рис. 1).

Рис. 1. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа.

При изменении направления электрического поля на противоположное электроны и дырки в полупроводниках соответствующего типа будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной зоны полупроводника p-типа в свободную. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются электрическим полем в противоположные стороны. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар, и в результате в контакте поглощается тепло (рис. 2).

Рис. 2. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа.