Охлаждающие устройства Пельтье

Решение одной проблемы обычно порождает другую. Стремясь достичь максимальной производительности в рамках существующих архитектур и технологий, разработчики повышают тактовую частоту процессоров, которая уже в этом году должна достичь значения 2 GHz. При этом мощность таких чипов приближается к 80 Вт, и на первый план выходит проблема их охлаждения. Системы с воздушным охлаждением становятся неэффективными даже при увеличении мощности и количества вентиляторов. Поэтому промышленность все больше внимания уделяет альтернативным решениям. Среди них наиболее многообещающими являются устройства, использующие для охлаждения явление Пельтье.

По мере повышения тактовой частоты процессоров все острее становится проблема их охлаждения. Вначале в качестве теплосъемников служили простые радиаторы, затем к ним добавили вентиляторы. Такие устройства на языке технического сленга получили название кулеров (cooler), которым мы для простоты и будем пользоваться в дальнейшем. Дело дошло и до систем с водяным охлаждением, которые, кроме того что обладали высокой стоимостью, были сложны в изготовлении. Но, пожалуй, наиболее элегантное и технологичное решение — это использование для охлаждения процессоров явления (или эффекта) Пельтье.

Эффект Пельтье относится к классу термоэлектрических явлений, первое из которых было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком. Оно заключается в возникновении электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников (или полупроводников), если места их спаев поддерживают при различных температурах. Это широко известное термоэлектричество. В свое время в ходу были даже специальные насадки на керосиновые лампы из батареи термопар, превращавшие такую систему в генератор постоянного тока. Эффект Пельтье в известном смысле является обратным термоэлектрическому. Он был открыт любознательным французским часовщиком Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 г., когда тот подсоединил полоску висмута двумя медными проводниками к источнику питания. Он заметил, что при прохождении тока от меди к висмуту место спая нагревается, а когда ток проходит от висмута к меди, спай охлаждается. Напомним, что в отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Все термоэлектрические явления получают правильное объяснение только на основе зонной теории твердого тела.

Как и все термоэлектрические явления, эффект Пельтье проявляется особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронным (n-тип) и дырочным (p-тип) типами проводимости. Рассмотрим контакт таких полупроводников. Предположим, что электрическое поле имеет такое направление, что ток идет от дырочного полупроводника к электронному (напомним, что направление тока противоположно направлению движения электронов). Тогда электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике p-типа будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из зоны проводимости электронного полупроводника после прохождения через границу раздела попадает в заполненную валентную зону дырочного полупроводника и занимает там место дырки. В результате такой рекомбинации высвобождается энергия, которая и выделяется в контакте в виде тепла. В случае же, когда ток проходит через границу от электронного полупроводника к дырочному, электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной валентной зоны дырочного полупроводника в зону проводимости. На образование таких пар требуется энергия, которая и поставляется тепловыми колебаниями решетки. В результате на контакте тепло будет поглощаться, а сам контакт остывать. Иногда устройство охлаждения Пельтье называют термоэлектрическим тепловым насосом, перекачивающим тепло от одной стороны к другой.

Конструктивно кулер состоит из последовательности элементов Пельтье — пар полупроводников p- и n-типов, размещаемых между двумя керамическими пластинками. При прохождении тока через такую цепь одна сторона охлаждается, а вторая нагревается. Нередко разность температур между этими сторонами достигает 65°C. Однако ничего не дается даром. Сам тепловой насос может потреблять мощность свыше 60 Вт и для своей эффективной работы требует источник постоянного тока хорошего качества, который бы обеспечивал силу тока до 14 А при напряжении 12 В.

Рис 3
Рис 4

Конечно же, накапливаемое на горячей стороне кулера тепло необходимо рассеивать. Для этого обычно используется комбинация радиатора и вентилятора. Жидкостное охлаждение лучше, однако труднее реализуемо. При всей своей эффективности устройства Пельтье (рис. 3 и 4) имеют и ряд недостатков. Прежде всего, если вентилятор выйдет из строя, то последствия будут намного более тяжелыми, чем в случае обычного кулера. Поэтому необходим датчик температуры. Кроме того, в системе выделяется дополнительное тепло, что может негативно сказаться на работе других чувствительных к температуре устройств, скажем, жестких дисков. Следовательно, необходимо обеспечить хорошее охлаждение всей системы. Далее, в момент запуска компьютера, когда начинают раскручиваться жесткие диски, потребление энергии весьма высоко. Это значит, что необходим достаточно мощный блок питания. Хорошо спроектированные кулеры Пельтье включаются только по истечении определенного времени после старта системы, когда процессор нагревается до температуры, требующей отвода тепла. Другой специфической проблемой является конденсация водяных паров. Она происходит потому, что холодная сторона кулера имеет температуру ниже, чем окружающая среда. Эту проблему обычно решают с помощью уплотнителей, которые препятствуют доступу воздуха к процессору.

Конечно, охлаждающие устройства Пельтье вряд ли подходят для массового использования. Они достаточно дорогие и требуют правильного режима эксплуатации. Сегодня это, скорее, инструмент для любителей разгона процессоров. Однако в случае необходимости сильного охлаждения процессоров кулеры Пельтье являются наиболее эффективными устройствами.