Если любопытства ради все же разобрать такой модуль, то можно четко разглядеть кубики разнородных полупроводников (n-типа и p-типа), припаянные к медным подложкам, и соединенные друг с другом в последовательную цепь змейкой. Легко заметить, что сначала на медные подложки был нанесен легкоплавкий припой, а затем установлены составные части термопар.

В таком исполнении как на приведенном фото, получается 127 p-n- и 127 n-p-переходов, причем все n-p-переходы (для направления тока от плюса к минусу) расположены с одной стороны модуля, а все p-n-переходы — с другой его стороны.

На тех медных шинках где ток идет в направлении n-p-перехода, теплота поглощается (происходит интенсивное охлаждение данной стороны модуля), а там где ток идет в направлении p-n-перехода — эта же (теоретически) теплота выделяется. Таким образом модуль Пельтье переносит тепло с одной керамической пластины — на противоположную.

А вот и двухслойный модуль TEC2-25408, состоящий по сути из двух модулей TEC1-12704, соединенных параллельно, но имеющий размеры 40 на 40 мм и толщину 8 мм. Такой двухслойный охладитель способен дать до 70 Вт холодильной мощности при потреблении 96 Вт электрической мощности.

Его внутреннее сопротивление в выключенном состоянии равно примерно 1,5 Ом. Предельно достижимая разница температур в рабочем режиме составляет 65 ºC. Очевидно, при одной и той же предельной разнице температур с модулем TEC1-12705, двухслойный модуль TEC2-25408 будет охлаждать (перекачивать тепло) в полтора раза быстрее.

Далее представлен четырехслойный модуль TEC4-24603 толщиной 13,6 мм и шириной 40 мм, рассчитанный на напряжение 14,6 вольт и номинальный ток в 3 А. При потребляемой электрической мощности в 44 Вт, данный модуль способен обеспечить холодильную мощность 6,8 Вт и разницу температур до 107 ºC.

Составные элементы включены здесь последовательно. Как и любой модуль Пельтье, данная четырехслойная модель не допускает применения без радиатора более секунды.

Наконец, шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506, рассчитанный на номинальное напряжение 30 вольт и ток 6 А. При ширине в 62 мм и толщиной 23 мм, данный модуль электрической мощностью 180 Вт способен обеспечить разницу температур до 100 °C с холодильной мощностью в 10 Вт. Модуль такого типа применим в установках, предназначенных для глубокой заморозки.

Источник

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Выводы и видео на сладкое

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Источник

Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Сумка-холодильник на элементах Пельтье, нет компрессора, не нуждается во фреоне или других хладагентах

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

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:

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

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

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:

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:

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:

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.

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

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный — к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

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.

Источник

Элементы Пельтье для охлаждения компьютера (часть 1, теория и замеры эффективности)

Зачем нужны и чем отличаются от обычного охлаждения?

К практике предлагаю перейти чуть позже, так как надо вообще вначале определиться, что могут и что не могут элементы пельтье и зачем они нужны.

Допустим есть у вас некоторый процессор, вы в силу желаний улучшения производительности или спортивного интереса начинаете его разгонять и рано или поздно сталкиваетесь с вопросом перегрева процессора. Вы покупаете более производительный кулер, температуры немного снижаются. Вы ставите ещё более производительное охлаждение, температуры ещё чуть-чуть падают. Вы переходите на водяное охлаждение с большим радиатором и температуры падают ещё на пару градусов, потом вы заменяете большой радиатор на 4 радиатора от грузовиков, которые могут рассеять сотню киловатт тепла и получаете ещё выгоду в пол градуса и начинаете подозревать, что вы делаете что-то не так.

Условное изображение графика снижения температур от улучшения охлаждения

Всякие жидкие металлы скальпирования и прочие действия помогут сдвинуть все эти графики вниз на какое-то количество градусов, но суть — не изменится.

Условный график скорректированный для случая минимальных градиентов при передачи тепла от процессора

Проблема тут в том, что мы производим охлаждение относительно температуры воздуха. И не важно обдуваем мы радиатор установленный на процессоре или радиатор к которому подаётся тепло через жидкость. И чтобы мы не обдували воздухом комнатной температуры — рано или поздно мы придём к теоретически наименьшей температуре, которая нас может не устраивать. Конечно другой вопрос, что если процессор выделяет 50 ватт тепла то мы придём к этой температуре на маленьком радиаторе, а если 300 Ватт, то на большом, но суть в том, что предел есть и для процессоров он наступает очень быстро.

Выход из этой ситуации остаётся только один — в качестве среды использовать что-то, что холоднее комнатного воздуха, иначе никак.

И тут есть разные способы. Самый технологически простой — холодная проточная вода.

Есть ещё малозатратные способы — поместить компьютер в холодильник и на обычном кулере вы получите температуры ниже, чем на 4-х радиаторах охлаждения от грузовиков.

Логичным продолжением данной идея стало избавление от холодильника, а использование только самого принципа работы, а именно то, что можно взять некий газ с низкой температурой кипения и заставлять его вскипать там где нам нужно и вскипая он будет забирать тепло.

Проблем в данном решении несколько. Во первых — использование фреона, и опасности связанные с работой с ним, а так же тот факт что одна из частей контура с фреоном находится под высоким давлением. Вторая проблема — шум компрессора, который и обеспечивает нам то самое давление.

Ну и третья — технологически это сложная система состоящая из множества собранных друг с другом элементов. Но зато можно получить целый холодильник который работает не на большую камеру, а на кусок меди который прижат к крышке процессора и этот кусок меди может быть на градусов 60 холоднее окружающего воздуха, что существенно решает вопрос ограничения комнатными температурами, но одновременно с этим создаёт проблемы с конденсатом, так как в жилых помещениях в зависимости от влажности и температуры точка росы составляет от 5 до 20 градусов. Вдобавок данные системы практически неуправляемые, то есть работать в полсилы не могут и мощность отвода тепла закладывается при проектировании самой системы.

Ну и третий глобальный метод отводить тепло относительно более холодной среды — использование модулей Пельтье, о чём далее и будет идти речь.

Что из себя представляют модули Пельтье и как они работают?

Модули Пельтье являются сборками из множества пар полупроводниковых сборок в которых при протекании тока один из элементов каждый пары берет из окружающей среды энергию для перевода электронов в более возбуждённые состояния. То есть при подаче питания начинается охлаждение элемента.

Но не всё так радужно. Дело в том, что в силу своей конструкции и используемых материалов элементы Пельтье далеки от идеальных проводников тока, а значит греются просто от внутреннего сопротивления. И это крайне печально, потому что для энергии перехода электронов годиться и тепло от собственного нагрева. То есть если не отводить тепло от нагрева при протекании тока, то элемент Пельтье будет просто очень быстро разогреваться до тех пор пока не выйдет из строя. Поэтому пары полупроводников собирают в упорядоченном порядке, так чтобы «высасывание» тепла было с одной из сторон, ну а нагрев есть, к сожалению, во всём объёме. Таким образом мы получаем виртуально существенно более холодную среду, нежели комнатный воздух. Чем, естественно, можно воспользоваться для получения более низких температур процессора.

Недостатки элементов Пельтье

Во первых элементу Пельтье требуется не бесконечное количество тепла для работы. То есть если подать слишком большой тепловой поток, то элемент Пельтье просто начнёт греться и будет нагреваться до тех пор пока не выйдет из строя.

Вторая проблема — это закон сохранения энергии. И холод, как и тень от света — это не некая отрицательная энергия — а её отсутствие в том или ином месте или меньшее её количество в сравнении с окружающим пространством. То есть тепло процессора и холод элемента пельтье не аннигилируют друг с другом. Та энергия, что нужна была для перевода электронов тоже превращается потом в тепловую и её тоже надо отводить вместе с нагревом от электрического сопротивления.

Вкупе с самим нагревом от сопротивления выходит две вещи. Во первых элементы Петльте надо очень хорошо охлаждать, а иначе они перегреются и выйдут из строя, а во вторых у них крайне низкий КПД. Вернее КПД у них близок к 0. С точки зрения электричества — это нагреватель с интересными особенностями работы, но если считать за работу не сам перенос тепла, а количество переносимого тепла, то некое подобие КПД у этой вещи появляется.

Возвращаясь к элементам Пельте их можно купить и у нас, и вроде как они получше и число полупроводниковых блоков у них на одну и ту же площадь выше, но стоят они чуть ли не в десять раз дороже китайских. Китайские элементы Пельтье называются TEC1, далее указывается число пар полупроводников, для типоразмера 40 на 40 мм это 127 пар и далее указывается ток в Амперах. Чем выше ток — тем больше тепла элемент перетаскивает с одной стороны своего корпуса на другую. Я купил 15 Амперные модули.

Что касается 15 Амперного элемента, то свои 15 Ампер он потребляет на 15 Вольтах и обещается, что выводит он в идеальных условиях при этом около 130 Ватт тепла. В реальных условиях и на 12 Вольтах цифры ожидать стоит порядка 50-60 Ватт.

Как я выше уже писал — при перенасыщении теплом элемент Пельте уходит в разнос. И для мощного процессора одно элемента мало. Именно поэтому большинство экспериментов с элементами Пельтье которые вы можете найти в интернете сводятся к тому, что либо поставив этот элемент на «селрон» он хорошо охлаждается, либо при установки на i7/i9 или 9-тысячный FX всё это дело вообще не работает. Вернее становится всё ещё хуже чем было.

Ставить элементы пельтье «бутербродом» друг на друга когда и так они перегружены тоже не имеет никакого смысла. Если один элемент не может перевести 100 Ватт, то второй ещё сильнее не сможет перевести 250 Ватт уже от первого.

Трёхкаскадный модуль пельтье

Есть двухкаскадные (и даже трёхкаскадные) заводские сборки этих элементов, но они рассчитаны на то, что источник тепла очень слабый и обычно задача просто охладить что-то, допустим датчик какого-то чувствительного прибора.

Достоинства элементов Пельтье

Простота конструкции, отсутствие подвижных частей и специальных навыков при построении системы, низкая стоимость в сравнении с фреоном и при этом высокая разница температур сопоставимая с фрионными чиллерами.

Минусы фрионок тут тоже есть — а именно конденсат. Но вопрос с конденсатом частично решается тем, что Модули Пельтье поддаются управлению как по напряжению, так и по току. Но не так просто как хотелось бы. Питание должно быть без пульсаций, так как все переменные составляющие питания дают нагрев, но не дают перенос тепла, то есть и без того низкая эффективность ещё сильнее падает. То есть взять «ардуину», датчик температуры и контроллер каких-нибудь двигателей с ШИМ управлением и всё подключить — не получится. Вернее получится, но работать не будет.

Можно, конечно, питать используя силовые транзисторы в режиме управления, но при управлении всё равно сопротивление транзисторов далеко не бесконечное, так что потери эффективности и необходимость отвода от транзисторов тепла будет. Но в теории управлять этим можно динамически, так чтобы все компоненты были по температуре выше точки росы. Но две проблемы, а именно сложности управления и то, что одного элемента мало — дают и выходы из данной проблемы с управлением.

Во первых есть стандартное решение в вопросе нехватки производительности чего-то одного в «холодильных» или «нагревальных» делах. А решение это — объединение нескольких элементов чего-либо в один контур с общим теплонасителем. Мы не можем поставить модули Пельтье друг на друга, но это не значит, что мы не можем поставить их рядом друг с другом и прогонять через их холодные поверхности жидкость и чтобы они все вместе в сумме эту жидкость охлаждали. Так мы можем решить проблему ограниченности максимального переноса тепла одним элементом. В данном случае тут вопрос только в количестве этих элементов. Если есть желание и возможности можно и 100 элементов объединить в один контур.

И вопрос управления становится проще, так как не надо регулировать питание а можно просто подключать нужное количество элементов. Можно для снижения дискретности ещё поставить один более слабый элемент. Допустим если будет 10 мощных отводящих по 50 Ватт и один слабый на 25, то можно варьировать отбор тепла в пределах от ноля до 525 Ватт с шагом в 25 Ватт. А включать выключать элементы можно разрывая цепи питания, допустим электромеханическими реле, что шумно, либо твердотельными, что дорого для больших токов. Либо использовать транзисторы в ключевом режиме полностью их открывая, и автоматизировав всё это дело, измеряя температуру хладагента, влажность и температуру в помещении (для вычисления температуры точки росы), избавляясь от конденсата и лишней траты энергии в простое системы, то есть частично компенсировать имеющиеся недостатки, при этом в максимальной производительности давая виртуальную более холодную среду, чем окружающий воздух.

Практическая часть. Особенности конструкции.

Вообще конструкция этого всего довольно простая. Вам понадобится сделать два жидкостных контура охлаждения. Один низкотемпературный, второй — высокотемпературный.

Схема холодного и горячего контуров. (нажмите для увеличения)

Холодный контур

Низкотемпературный контур включает в себя исключительно водоблоки и помпу. Один водоблок на процессор и ещё число водоблоков равное числу элементов пельте. В принципе можно вместо процессорных или видеочиповых водоблоков найти какой-то один большой и налепить все элементы пельтье на него (но ничего подходящего с хотя бы каким-то оребрением я не нашёл). На стороне холодной части по идее очень важно чтобы водоблоки были хорошими, так как там происходит борьба за то кто будет отдавать тепло — жидкость в конутре или тепло будет браться из нагрева самого модуля. И надо чтобы бралось тепло из контура, и это увеличит эффективность сборки. Поэтому просто плоские железки омываемые как-то жидкостью скорее всего будут малоэффективны. Ну и в этом контуре должна быть ещё помпа. На этом всё. Далее вопрос уже температур. Если предполагается уход ниже ноля градусов, что возможно в простое системы, то вода для контура не подойдёт. У меня с тремя 15 Амерными модулями без тепловой нагрузки температура в контуре упала с примерно 26 до 5 градусов Цельсия за 15 минут, далее я эксперимент прервал во избежание закупорки контура льдом и разрыва контура давлением помпы.

5 градусов Цельсия

В качестве хладагента стоит использовать нетоксичные жидкости. На мой взгляд самый лучший вариант примерно 70% раствор этанола с водой. Или чистый 95-96 процентный этанол. Но купить его сейчас проблематично.

Как вариант можно использовать водку, но в простое температура может упасть ниже 20 градусов при которой уже могут появляться центры кристаллизации, жидкость начнёт становится вязкой, сопротивление контура начнёт расти и если у вас хорошая помпа, то она сможет выдавить уплотнения в стыковочных элементах и жидкость выльется в компьютер.

Второй вариант, который проще купить — это пропиленгликоль он же пищевая добавка Е1520.

Вещество нетоксичное, в том числе его пары или аэрозоли, но в редких случаях вызывает раздражение кожи и слизистых. Наименьшие температуры замерзания достигаются в примерно 60% растворах с водой.

Я себе пропиленгликоль не купил ещё, просто слежу за температурами в контуре. Так что практическая сторона этой жидкости для меня пока под вопросом, но как антифриз в жидкостных контурах пропиленгликоль промышленно тоже используется.

Горячий контур

Горячий контур уже будет состоять не только из помпы и водоблоков, но и из радиаторов. Для 15 амперных элементов надо исходить из теплоотдачи 200 Ватт на элемент, но более точно требования мы в этой статье и рассмотрим.

При использовании одинаковых водоблоков элементы пельте просто зажимаются между двумя водоблоками, так что думать над монтажём этих элементов тоже не придётся, скорее всего комплектные винты от водоблоков подойдут.

Сборка пары водоблоков горячей и холодных частей одного модуля

Тестовая реализация

Я же пока решил сразу не собирать всю систему целиком, а для начала попробовать как это работает, так что полноценно эта схема ещё не собрана и вместо горячего контура у меня просто к каждому элементу пельтье подсоединён процессорный кулер.

Упрощённая схема без горячего контура

И задача сейчас стоит оценить элементы в работе, понять стоит оно вообще потраченных денег (и денег которые могут быть потрачены на полноценный вариант) или нет, оценить эффективность и т.д.

В кадре можно увидеть два блока питания. Один питает компьютер, второй систему охлаждения

Для подключения элементов Пельтье я использовал отдельный компьютерный блок питания, и на провода самих элементов просто распаял 8 pin коннекторы (правда затупил и купил по форме как процессорные 8pin, так что используются они как 6-pin). Элементов я купил только 3. Все три — это 15-ти амперные TEC1-12715 чего для экспериментов более чем достаточно, больше элементов было покупать незачем, так как свободных кулеров у меня только 3.

Кулеры с элментами пельте и водоблоками

На 12 Вольтах без подачи тепла на холодную сторону и хорошем охлаждении горячей все три потребляют около 12 Ампер, то есть потребляемая мощность у всех около 150 Ватт.

Единственное я бы всё таки советовал не питать их максимальными допустимыми 15 Вольтами, на которых они и будут по идее потреблять 15 Амер, то есть около 225 Ватт, потому что и на 150 провода уже тёплые (в длительной нагрузке градусов 40 набирают), в максимальных нагрузках эти провода уже не выдержат.

С креплениями для кулеров тут сложнее — пришлось чутка поколхозить, задачи сделать красиво не было. Была задача сделать быстро и так чтобы не сверлить и портить родные крепления кулеров, то есть чтобы потом можно было всё разобрать и пользоваться кулерами как и до доработки.

Ещё надо было куда-то поключить помпу и все вентеляторы. Разветвителя у меня не было и переходников на моликсы не хватило, так что я использовал плату от ардуиновского набора для управления подсветкой от Gelid.

Сама Arduino в этом всём никак не участвовала, просто нужна была разводка на плате отвечающая за разветвление питания на вентиляторы. Вообще обычные разветвители стоят копейки, в хороших компьютерных корпусах они есть как правило в наборе с самим корпусом.

Водоблоков всего в системе 4. Три — самые дешёвые что я нашёл с хоть каким-то подобием микроканалов и фиттингами в комплекте.

Четвёртый, на процессор, по сути тоже-же самое только никилированный и с креплением, но без фитингов и чуть дороже (фиттинги купил тоже на али, кстати, попались неплохие). У трёх дешёвых крепление тоже было, но чисто номинальное, без бэксплейта, одни винты (и ставить на винты без бэкплейта крайне не рекомендую, на этот случай есть даже отдельная статья на сайте).

Везде я всё обмазал дешёвой термопастой с алиэкспресса.

Не лучшая паста, зато 30 грамм

Практические тесты, задачи и методика

Для начала меня интересует вопрос того, насколько сложно отвести 200 Ватт тепла от элемента Пельте. Они обладают большой площадью, так что по идее это не должно быть так сложно, как отвести 200 Ватт, например от процессора.

Gelid Siroco

Второй — тонкий, по площади примерно как одна тонкая секция СВО с вентилятором на 2000 оборотов.

Третий — по толщине примерно такой же, вентилятор такой же.

Но самое важное у этого кулера — не полное покрытие самого модуля Пельте, то есть подошва радиатора узкая и короткая.

Габариты модуля выходят за пределы подошвы кулера

Для замера эффективности охлаждения предлагаю взять практические результаты, а не температуры самих модулей, да и как измерить эти температуры когда модуль закрыт кулером — не ясно.

Я включал на компьютере постоянную нагрузку и изменял поврелимит процессора до тех пор пока установившаяся температура жидкости в контуре не станет равной комнатной (ограничение TDP и нагрузка задавались в Intel Extreme Tuning Utility).

(нажмите для увеличения)

То есть потери тепла в нагрев или охлаждение комнаты прекратятся, иными словами — то значение поверлимита которые будет выставлено для нагрузки и будет значением отводимой из контура тепловой мощности модулем Пельте. Наибольшую погрешность вносить будет только помпа водяного контура. Я замерил реальное потребление помпы и оно составило порядка 6,1 Ватта, я буду 6 ватт добавлять к TDP, но в реальность корпус помпы нагревался выше 30 градусов, то есть часть этих 6 Ватт отводятся воздухом помещения, сколько реально уходит в жидкость от помпы — неизвестно.

Температура помпы

В теории если окажется, что один элемент сможет с большим кулеров отвести намного больше тепла, чем средний кулер, то значит одной секции СВО на один 15 Амерный элемент мало. А если разница в поверлимитах будет маленькой, то значит и площади одной секции небольшой толщины радиатора будет достаточно на один модуль Пельте. Самый слабый кулер (с маленькой подошвой не покрывающей весь модуль) расскажет насколько критично внутренне распространение тепла в элементе и насколько высоки требования к качеству водоблоков горячего контура.

Замеры температуры воды производятся термодатчиком посаженным на термопасту на фитинг резервуара. Это место не охлаждается дополнительно через корпус водоблоков и более точно передаёт температуры жидкости. Данные с датчика я в режиме реального времени выводились на экран, чтобы точно отслеживать динамику процессов.

Полученные результаты покажут — реально ли собрать такую систему в обычном корпусе или нет. Если хватает одной секции малой толщины радиатора, то в корпусе где можно установить сверху 360 и с переди 240 или 280 радиатор можно будет использовать целых 5 модулей Пельте и сейчас мы узнаем и то сколько высасывает тепла каждый модуль, соответственно эту цифру можно в таком случае будет умножить на 5, по числу элементов — это и будет тот TDP процессора при котором хладогент будет комнатной температуры в длительных непрерывных тестах, ну и конечно холодный контур жидкости можно переохладить и в коротких тестах получать меньшие температуры или рассчитывать на больший временный предельный TDP за счёт того что контуры объёмные и вода будет прогреваться какое-то длительное время за которое тест закончится.

Практические тесты, результаты

И так, при жидкости в холодном контуре комнатной температуры модуль с самыми худшими условиями смог вывести 27 Ватт тепла от процессора и плюс ещё 6 Ватт помпы. Стоит отметить, что модуль потерблял не 12 с небольшим Ампер как без нагрузки, а только чуть больше 10 Ампер, об этом я ещё потом скажу.

Модуль со средними условиями смог вывести 32 Ватта тепла от процессора плюс 6 помпа, это больше, чем модуль который не помещался на основание кулера. Ток так же был около 10 Ампер.

Модуль с лучшими условиями, то есть на большой башне с минимальными оборотами вентилятора около 3 тыс. смог отвести уже целых 58 Ватт тепла от процессора плюс ещё 6 помпа. При этом модуль потреблял почти 12 Ампер. То есть практически столько же, сколько и при холостой работе, при которой все три модуля потребляли чуть больше 12 Ампер.

Этот же кулер с максимальными оборотами позволил элементу Пельтье отвести от процессора 63 Ватта тепла плюс 6 Ватт помпа. А Ток как раз достиг тех же чуть более 12 Ампер как и в холостой работе без нагревания холодной стороны.

Выводы

В общем — выводы не утешительные. По сути на каждый элемент Пельте надо либо по секции 60 мм СВО, либо по две секции тонких радиаторов на элемент. Я, честно, говоря, рассчитывал на чуть меньшие требования, и надеялся что секции 45 мм радиаторов на модуль будет достаточно, но судя по тестам — не достаточно.

Кроме того я замерил ток и напряжением для каждого модуля в нагрузке и зная их и зная тепловыделение процессора можно рассчитать условный КПД модулей. Условный, потому что я повторюсь с точки зрения электричества КПД у модулей 0.

КПД будет показывать отношение выведенной из контура тепловой энергии к затраченной электрической энергии модулем.

Энергоэффективность модулей Пельтье

Модуль Пельте у которого свисали края показал условные КПД примерно 27%.

Модуль примерно с таким же радиатором но более крупным основанием показал условное КПД около 31%.

Анализ масштабируемости

Далее встаёт вопрос масштабируемости. Будут ли два элемента работать в сумме так же эффективно как в сумме два по отдельности.

Включим два модуля из трёх и найдем для них то тепловыделение процессора при котором жидкость будет иметь устоявшуюся комнатную температуру. TDP на процессор выставлен был 62 Ватта. Теоретически должно было бы быть 27+32+6 Ватт то есть около 65 Ватт, а не 62+6=68. Но тут надо понимать, что условия были не идеальными, и в целом можно говорить, что эффективность элементов друг с другом складывается.

С тестами трёх уже сложнее — процессор с увеличением поверлимита упирается в ограничение частотной формулы турбобуста, тут ещё возможно накладывается то, что у меня i9 9900k стоит на материнской плате с чипсетом z170, то есть с биос и пин модом. В общем — стресс тест от интел, который очень чтёко держит TDP, даже с разблокированным разгоном через BIOS не захотел нагрузить процессор как следует.

Линпак тоже что-то не особо желал у меня нормально работать. Выдавал нагрузку очень неравномерно. Для трёх модулей я должен был получить около 134 Ватт, я подобрал частоту и напряжение при которых и выходили примерно 134 Ватта, но иногда линпак выдавал потребление около 200 Ватт, то есть среднее по времени потребление было выше, что сказалось и на температуре жидкости.

Перед тестом теплоноситель немного переморозился, потому что долго подбирал режимы и начал я тесты на воде примерно в 18 градусов, и через менее чем десять минут жидкость нагрелась уже до 30 градусов, то есть из-за того что среднее потребление было выше теоретически необходимого — и пошёл рост температур.

Касаемо цифр температур процессора тут в общем-то всё не очень показательно, потому что отпечаток термопасты от процессора на китайском водоблоке примерно такой:

Но для справки — у меня с заводской СВО процессор при потребление около 200 Ватт сразу уходил под 100 градусов, тут же такого не было, какая температура устоялась бы в этих условиях я не замерил.

Итоги

Во первых — это работает и на этом можно сделать экстремальное охлаждение и это не требует специальных знаний и навыков, как, например, самодельная фреонка.

Во вторых — на каждый модуль нужна секция толстой СВО для оптимальной работы 15 Амперных модулей.

В третьих — по потребляемому току можно понять насколько хорошо охлаждается элемент. То есть при недостаточном охлаждении они потребляли меньше тока (в моих условиях 10 Ампер вместо 12).

В четвёртых — в близких к идеальным условиях можно получить эффективность приближенную к 50%, то есть на один отводимый ватт тепла нужно подать на модули 2 Ватта питания.

В пятых — система линейно масштабируемая.

Дальше встаёт вопрос уже полномасштабной реализации.

И тут возникает два этапа которые скорее всего и разделятся на две статьи.

Первый — отработка системы управления автоматической регулировки включения модулей, то есть надо сделать так чтобы температура жидкости не уходила ниже точки росы чтобы на водоблоке процессора не было конденсата, и чтобы не требовалась термоизоляция трубок через которую были бы потери холода и чтобы модули не морозили жидкость в простое зря и не тратили лишнюю энергию.

И по итогу уже можно будет оценить насколько энергозатратна установка в повседневной жизни и уже попробовать разогнать что-нибудь в рамках этих трёх модулей и того железа, что у меня есть.

Ну и последняя третья часть — закупка всего необходимого для полноценной установки, скорее всего нужна будет материнская плата для которой существуют моноблочные водоблоки покрывающие VRM, так как разгон будет очень не слабый. Выбор и закупка корпуса, куда можно установить две помпы и кучу радиаторов и там уже устроим разгон на все деньги. И в итоге должен получится компьютер размером с обычный компьютер, и выглядящий как обычный компьютер, с шумностью обычного компьютера, но с существенно лучшим охлаждением. Как будет в реальности — в текущий момент не известно.

Видео на YouTube канале «Этот компьютер»

Источник