Элемент пельтье чем запитать

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

Элемент Пельтье

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? «Ну а как же, например, бытовой холодильник» — скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Что такое элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами, в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами. Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как я подключил на красный — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру. Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс — он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить элемент Пельтье

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

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

Пельтье Часть 2. Самое производительное охлаждение, которое войдёт в обычный корпус.

Напомню, что в прошлой части я делал первые пристрелки к тому что вообще из себя представляют элементы пельтье и как с ними работать, какие особенности их работы. Это нужно было чтобы сформировать более точные планы дальнейшей работы, ну либо вообще отказаться от идеи не потратив сразу много денег, в случае если бы оказалось, что с ними ничего толкового не сделать (вопреки массе комментариев в видеоверсии о том, что с Пельтье ничего не получиться могу сказать, что получиться и на базе Пельтье по схеме в данной статье можно сделать, возможно, самое эффективное охлаждение которое возможно уместить в стандартном корпусе компьютера).

И напомню основную проблему этих элементов. Она заключается в их принципе работы и функциональных ограничениях. Внутри элемента собрано много пар полупроводниковых сборок и при протекании тока электронам не хватает собственной энергии и они как бы берут энергию в долг из окружающей среды, то есть забирают часть тепла.

Естественно эта энергия потом опять рассеивается в тепло, но суть в том, что рассеиваться в объеме всего модуля, а забирается с одной из плоскостей. Кроме того тепла, что переноситься есть и тепло выделяемое от электрического сопротивления модуля. И как раз в прошлом видео было выяснено насколько эффективно работают модули. В благоприятных условиях реально решаемой задачи вышло, что отношение передаваемой энергии к потребляемой модулем составляет 0,46. То есть для переноса 46 Ватт тепла затрачивается 100 Ватт энергии. Ну и естественно от самого модуля нужно отвести и 46 и 100 Ватт тепла.

Но проблема не столько в этом сколько в том, что для электронов нужно не бесконечное количество энергии, то есть если к охлаждаемой стороне подать тепла больше, чем нужно для электронов в модуле — то происходит постепенный разогрев и холодной и горячей стороны и в конечном итоге элемент выходит из строя. И проблема в том, что этого тепла элементам нужно не так уж и много. А если точно — то при хорошем охлаждении горячей части 15 Амперного модуля при питании в 12 Вольт модулю нужно 69 Ватт тепла. То есть одного модуля недостаточно для процессора. Именно поэтому сейчас не продаются кулера с модулями Пельтье. Раньше были варианты где тепло разделялось, и только часть уходило на Пельтье с процессора, но проблема в том, что сам модуль сильно нагревал радиатор, а очень крупный радиатор в районе сокета уже не поставить и эта вся тема сошла на нет.

И в общем-то то, что раньше делали с готовыми решениями на Пельтье закономерно плохо работало в ограниченных условиях эксплуатации и в прошлой части я предложил сделать другую компоновку, которая сильно отличается от того что ранее продавалось. И самое главное было уйти от ограничений габаритов крышки процессора путём передачи тепла в теплоноситель. И разделить систему на два контура. Холодный и горячий.

Поставить несколько модулей Пельтье так чтобы все холодные части забирали тепло из холодного контура, а все горячие части отдавали тепло в горячий контур. В таком случае мы получим складывание необходимого модулями тепла. То есть если одному модулю нужно 69 Ватт, то двум нужно будет 138 Ватт и т.д. И изначальный план у меня был поставить 4, может быть 5 модулей. То есть так чтобы они могли отвести под 300 Ватт тепла. Но практические тесты показали всё же значимую проблему с количеством потребляемой энергии. Допустим если процессор у нас потребляет 300 Ватт, то вместе с системой охлаждения это было бы 900 Ватт тепла, которые нужно куда-то делать. Ну и в целом — такая система точно не сможет поместиться в корпусе компьютера. Поэтому я решил что надо делать по другому. Делать так чтобы это имело адекватные габариты, то есть можно было поставить в фулл тауер или даже в некоторые мидл тауэры, чтобы для всей системы хватало одного блока питания ватт на 700-900 при этом с запасом. То есть поставил задачу сделать такую систему которую можно впихнуть в обычный компьютер, но при этом так чтобы она всё равно была на голову выше, чем водянка.

Естественно тут чудес не бывает, нельзя вдруг так сделать что оно не получается, захотел и получилось и совершенно без компромиссов.

И тут уже, чтобы понять что можно сделать надо углубляться в то как вообще происходит управление модулями Пельтье. А управляются они и ограничением тока и управлением напряжения. По сути у Модуля Пельтье есть несколько характеристик.

Первая — разница температур между холодной и горячей частью, вторая — количество передаваемого тепла от горячей части к холодной и третья — эффективность работы. Это тот самый коэффициент 0,46, который я посчитал в прошлой части для китайских 15 Амперных элементов при питании от 12 Вольт без ограничений по току.

И как я уже сказал — изменяются эти характеристики от напряжения и от тока, а так же от условий работы, но условия работы у нас — передавать столько тепла сколько возможно, и с обеспечением достаточного отвода тепла, это мы не меняем. Поэтому по сути у нас меняются только ток и напряжение.

Для того чтобы понять что и как от чего зависит — предлагаю рассмотреть графики зависимости всех этих параметров. На китайские модули Пельтье всех данных я не нашёл, так что предлгаю рассмотреть графики на примере модуля TB-127-2.0-1.15 от Криотерм, это наиболее похожий элемент на китайский 15 Амперный модуль (для тех кто захочет повторить проект ссылки на все комплектующие будут в конце статьи, так же вы найдёте «выкройки» для деталей которые я делал из листового металла).

Для начала предлагаю рассмотреть вольт амперную характеристику на нижним правом графике.

Видно, что если подать 12 Вольт, то и ток будет примерно те же 12 Амер. У Китайских в реальности на 12 Вольтах около 10-11,5 Ампер в зависимости от качества теплоотвода.

Это исходя из моего личного опыта который я показал в прошлой статье. Далее на этом графике видно, что при снижении подаваемого напряжения — падает и ток. Зависимости линейные. Ну и тут такой модуль, что напряжение и ток практически равны друг другу. Китайские 15 Амперные в Целом — тоже близки к этому, далее ещё на цифры посмотрим.

Ну и понятно, что допустим на 12 Вольтах получается 12 Ампер и выходит потребление 144 Ватта, а на 10 Вольтах выходит 10 Ампер и уже всего 100 Ватт. Естественно при этом должны ухудшиться какие-то основные характеристики модуля.

И того подведем промежуточные итоги: чтобы нам увеличить эффективность и впихнуть всё в корпус нам надо уменьшить напряжение работы элементов Пельтье, при этом потеряв в температуре охлаждения и нам потребуется больше элементов Пельтье для такого же объёма отводимой энергии.

Но я естественно решил, что систему можно обмануть и получить и высокую энергетическую эффективность и при этом высокую разницу температур.

Скажу сразу, что я не предусмотрел одну важную вещь, поэтому эта хитрость не вышла, но оно в целом исправимо. Я расскажу, что я сделал не так, чтобы вы не повторяли мои ошибки и как это поправить, чтобы можно было получить и эти 16 градусов обратно и при этом сохранить энергетическую эффективность, но сам я делать это не буду скорее всего.

А решение у меня было довольно простое. Из школьного курса некоторые могут помнить о том как вычисляется напряжение участка цепи. Но у нас модули Пельтье одинаковые, так что никакие формулы не нужны, напряжение всей цепи делить на все модули поровну, если подключить их не параллельно, а последовательно.

То есть если мы возьмём питание в 12 Вольт и подключим последовательно два модуля, то на каждом будет по 6 Вольт.

В общем — никаких преобразователей напряжения, КПД преобразований 100%. Но это нисколько не решает проблем с потерей 16 градусов. Вопрос количества элементов решается при этом тоже просто. Мы параллельно друг к другу можем подключить несколько пар элементов.

И в общем я решил, что если в каждой паре мы сможем отключать один из двух модулей, то есть подключать цепь в обход второго модуля и все модули включать чисто параллельно, то мы сможем в простое системы копить недостающие 16 градусов, а потом в процессе нагрева жидкости в нагрузке переключаться обратно на параллельно последовательную схему подключения.

И звучит всё правдоподобно. С электрической точки зрения я даже это реализовал и далее покажу как.

Ещё я решил, что далеко не всегда нужно иметь все параллельные ветви сборок из модулей, то есть надо реализовать возможность подключения и отключения параллельных ветвей схемы. Допустим если система в простое отключать вообще всё. Если нагрузка малая — включать только одну ветвь, большая — две ветви, то есть 4 модуля, ещё выше нагрузка — три ветви, то есть 6 модулей Пельтье.И в турбо режиме переключаться на полностью параллельную схему. Естественно 3 модуля в последовательной схеме будут потреблять больше, чем 6 в последовательно параллельной, так как мощность — это произведения тока на напряжение, а мы уже выяснили, что они у 15 Амперных модулей Пельтье практически линейно связанные, то есть при падении напряжения в 2 раза потребляемая мощность падает в 4 раза (передаваемое количество тепла в два раза).

Тем не менее — разница уже такая, что в целом — на оба варианта, то есть 6 последовательно параллельных и 3 параллельных в целом — нужны схожие блоки питания и сечения проводов, то есть не нужно делать суперизлишних запасов на временный турбо режим заморозки хладогента.

Реализация схемы подключения

Сделать я её решил довольно просто. Перед входом на первый модуль я поставил твердотельное реле на каждую параллельную ветвь. Они не щёлкают, ну и в целом на практике показали, что и не особо и греются. Их ресурс срабатываний — вечность. Внутри там уже есть оптронная развязка и всё что нужно для нормальной работы, то есть собирать из мосфета самому было бы сложнее и дороже, чем купить готовое реле. Но такие реле не умеют выполнять работу по переключению, которая нужна уже между модулями, чтобы пускать ток в обход второго модуля. Поэтому была куплена плата с 4-мя обычными электромеханическими реле на 30 Ампер каждый. Тут так же вся необходимая обвязка есть, то есть ничего не пробъёт в обратку на управляющий контроллер и т.д.

Я всё установил, и скажу, что оно даже всё заработало как я и планировал, то есть можно включать все параллельные цепи по отдельности и переключать режим работы из последовательно параллельного в параллельный. но на деле — это всё сделать сложнее, чем мне бы хотелось. Когда перейдём к практике я расскажу, что пошло не так, и дело не в электрической части.

Сделать планировалось примерно так, 4 одинаковых радиатора я поставил на рендере для красоты. В этой части было собрано не 6 модулей, как на рендере, а четыре. Верхние водоблоки — водоблоки холодной части, нижние, находящиеся внутри кожуха — водоблоки горячей части. Радиаторы и одна из помп являются частью горячего контура, другая помпа и верхние водоблоки — часть холодного контура

В целом я запланировал сделать 3 ветви модулей, то есть 6 модулей пельтье, но сейчас пока собрал две ветви, так как это довольно затратно покупать всё за раз, в добавок я не знаю сколько секций СВО нужно на один модуль на 6-ти Вольтах.

А вот установка живьём в которой собрана только горячая часть, видно трубки уходящие внутрь кожуха на радиаторы и водоблоки. А это внутренние убранства. Всего на 4 модуля Пельтье нужно 9 водоблоков. по два на элемент, который лежит как мясная котлета гриль, а две булочки с кунжутом — это водоблоки, плюс ещё один водоблок на процессор. Полностью собранная система уже с двумя контурами Подключаются пары модулей к блоку питанию обычными разъёмами Вентеляторы и помпа подключены через специальный разветвитель Arduini UNO и два реле внутри кожуха Ещё изображение с внутренним убранством

И да, пока управлял я всем не ардуиной, а перетыкивая 5 Вольт на макетной плате для всех реле, и темодатчики, которые нужны будут для автоматического управления я тоже поставил в отельный блок который просто выводил комнатную температуру и температуру жидкости в холодном контуре.

В общем — это ещё не последняя часть, но в целом — какие-то практически значимые результаты привести всё же я считаю нужно уже сейчас.

Сравнение с другими системами охлаждения

И для практических результатов я решил, что стоит сравнить эту систему с чем-то другим.

Я выставил у своего i9 9900k частоту 4,8 ГГц без снижения на AVX, чуть задрал напряжение, чтобы было побольше тепла.

При комнатной температуре я прогнал Cinebench R20 с несколькими системами охлаждения.

Первая — тонкая башня на 4 трубки и вентилятор на 2 тысячи оборотов.

Самое горячее ядро нагрелось до 80 градусов при комнатной температуре 28 градусов. Да, за окном уже за двадцать было, а отопление не выключили, так что в квартире Ташкент.

нажмите для увеличения

Далее я пока собирал систему решил ещё собрать другую конфигурацию, вообще без пельтье. А взять тот водоблок, который я купил на процессор, взять те два радиатора, которые будут трудиться в системе с пельтье и собрать обычную кастомную СВО.

И вышла температура 70 градусов при температуре в помещении 27 градусов.

То есть с коррекцией комнатных температур разница между тонкой башней и 5 секционной кастомной водой с дорогим водоблоком с микроканалами — 9 градусов. Это к слову о том, как в прошлой части я писал, что если поставить несколько радиаторов от грузовиков — то температура в сравнении с парой секций хорошо если упадёт ещё на градус. В целом — на хорошем воздухе можно было бы получить меньше градусов 6-7 от тонкой башни, ну и ещё пару-тройку градусов при переходе на воду. И всё. Это потолок. Без изменения температуры среды — ниже температуры не опустить, в этом то и вся соль Пельтье, фреонок, и систем с расходом холодных веществ, то есть сухого льда или азота. Иных средств кроме как изменения температуры среды — нет.

Осталось только протестировать саму систему на пельте. Думаю особо подробно рассказывать про устройство не стоит. Скажу только то, что она состоит из двух водяных контуров. Горячий находится внутри самодельного кожуха, он собирает тепло с 4-х горячих частей модулей пельтье посредством процессорных водоблоков. И рассеивает это тепло двумя радиаторами, один на 3 секции, второй на две секции. Вентиляторы по 2000 оборотов. Помпа с маленькой колбой.

Второй контур — холодный. Контактирует с холодными половинками модулей, так же посредством водоблоков. А так же с процессором посредством водоблока. Для этого контура стоит вторая помпа. Контуры, естественно друг с другом не пересекаются.

С элементами Пельтье первое что я решил проверить — это насколько они вообще хорошо проводят тепло когда выключены, то есть можно ли пользоваться этой СВО когда элементы Пельтье отключены.

И в этих же условиях теста система показала нагрев самого горячего ядра до 73 градусов.

То есть потери в 3 градуса в сравнении с СВО в которой не было элементов Пельтье. В общем — эффективность падает, но результат всё равно не плохой, то есть если строить эту систему внутри корпуса и рассчитывать пользоваться её возможностями время от времени, а не на постоянку, то она и так будет нормально работать. Опять же можно и в систему управления вывести режим работы с отключенными модулями, чтобы они почём зря в холостую не нагоняли холода когда вам это не нужно.

Далее посмотрим на паралельно последовательную схему работы.

Перед тестом холодный контур остыл до 11,5 градусов при 28 градусной жаре в квартире. То есть на самом деле те 40 градусов разницы в идеальных условиях превратились в куда меньшие цифры. Естественно тут разницу нужно вычислять от температуры горячей части. А она была 35 градусов. То есть в условиях тепловой нагрузки разница между холодной и горячей сторонами модулей Пельте составила около 24 градусов.

Самое горячее ядро в этом тесте набрало 52 градуса. И это на 18 градусов ниже, чем просто с СВО. То есть между тонкой башней и кастомной водой вышло 9 градусов, а между кастомной водой и Пельтье в экономичном режиме 18 градусов. Если считать, что башни и вода — это считаются разными классами охлаждения, то учитывая разницу температур — вода на Пельтье — это тоже уже отдельный класс. При этом он находиться от водянок в большем отрыве, чем водянки от башенных кулеров. В целом — результат есть. Конечно, всегда хочется больше, но забегая вперёд скажу, что эта конфигурация мне в итоге очень понравилась, в конце я расскажу вообще про ощущения от неё и, что тут не в этих 18 градусах дело.

Потребялли эти 4 модуля вместе около 138 Ватт питания из блока питания. Тем не менее нагрузка в примерно 145 Ватт (от Cb R20) выше, чем модули могут передать, то есть в процессе прохождения теста температура хладогента (которым была обычная вода) в холодном контуре поднялась с 11,5 до 14,2 градусов. То есть нагрев от внешней среды и процессора в 145 Ватт оказался выше, чем выводилось из холодного контура. Трубки холодильного контура, я кстати, пока не утеплял, лишь немного отодвинул от горячей видеокарты, чтобы уменьшить нагрев от теплого воздуха.

Но остается важный вопрос — как изменилась эффективность отвода тепла в параллельно последовательной схеме подключения, в сравнении с параллельной.

Для того чтобы вычислить эффективность нужно создать условия при которых холодный контур не будет нагреваться или охлаждаться окружающим воздухом и создать условия с контролируемым тепловым поток в контур. Иными словами привести температуру хладогента до комнатной и поигравшись напряжениями или поверлимитами процессора, зная то количества тепла, что он выделяет, добиться теплового баланса контура.

Помпа выделяет в контур около 6 Ватт, от процессора поступает в равновесном состоянии около 129 Ватт тепла. И того выходит 135 Ватт тепла.

При этом 4 модуля в параллельно последовательной схеме подключения потребляли 138 Ватт тепла, то есть коэффициент эффективности системы охлаждения выходит около 0,98. Напомню, что на 12 Вольтах он был 0,46. То есть эффективность выросла чуть более, чем в два раза (примерно 2,1 раза). Но опять же напомню, что с потерей разницы температур.

Теперь перейдем к переключению в параллельную схему.

Как только я включил параллельную схему я увидел что температура хладагента в контуре в простоте начала расти, вопреки ожиданию. И от изначальной при включении 11,5 градусов она выросла до 18. И когда система была уже собрана и стояла перед глазами — причина этого была очевидна. Дело в том, что два модуля из 4-х были в это время отключены (как и планировалось), но я не учёл очень важную вещь. Эти модули становятся мостиками перетекания тепла из горячего контура в холодный.

А как показали тесты с отключенными модулями — модули не плохо передают тепло, и медные водоблоки — тоже. То есть для работоспособности такой системы нужно чтобы водяной контур был разделён на два независимых контура (один с модулями которые работают всегда, второй с модулями которые отключаются для перехода схемы в полностью параллельный режим), но так как они оба должны сходиться у процессора, а процессор маленький, то два независимых контура не сделать. Чтобы реализовать эту схему с турбо режимом нужно разделять холодный контур на две параллельные ветви и ставить на одной из ответвлений электроклапан. То есть одновременно с отключением модулей, нужно перекрывать и поток жидкости через них. Но тут есть ряд сложностей. Вообще мне некоторые люди после первой части говорили, мол надо все водоблоки подключать не последовательно, а параллельно. Но тут не всё так просто как хотелось бы. Дело в том, что нельзя просто так параллелить потоки, потому что добиться равномерного течения жидкости очень сложно, и для этой цели делаются специальные ресиверы которые надо рассчитывать под определённый поток, под давление, турбулентность и скорость этого потока. Допустим на радиаторах СВО вы можете видеть ёмкости по бокам — это ресиверы. Если потоки быстрые, то надо жидкости направлять, или выравнивать. Вдобавок — сильно уменьшается скорость потока, а затем она сильно увеличивается в местах соединения. И это тоже влияет на то как распределиться скорости по ветвям. При том что между началом контура и концом разница температур хладогента не превышает и одного градуса (теплоёмкость воды очень большая, за доли секунды прохождения через водоблоки от 300 Ватт сильно разогреть её не получиться), то есть проблема с последовательностью не такая острая, в добавок скорость потока через параллельные ветви будет ниже (при той же помпе) и нагрев в них будет выше именно из-за более долгого нагрева, в общем — замена схемы на параллельную даст доли градуса в лучшем случае, и в случае закупорки ветвей, допустим сплющило трубку — закупорка не будет никак видна а модуль Пельтье перегреется и сгорит. Но частично параллельная схема с электро магнитным клапаном позволит реализовать гибридную электрическую параллельную/параллельно-последовательную схему подключения модулей Пельтье и позволит морозить хладагент до более низких температур перед прохождением бенчмарка, а в долгой работе можно будет получить большую электроэффективность системы. Но делать эту схему с клапаном я скорее всего не буду, далее я доделаю систему до 3-х параллельных ветвей по два модуля, то есть наращу систему до 6-ти модулей Пельтье, при этом большая часть проводов, которые сейчас есть нужны именно для смены схем подключения и они уйдут.

И в тесте сенбенч Р20 полностью параллельные модули набрали 59 градусов по самому горячему ядру, против 52 в последовательно-параллельной схеме.

Если бы был разделённый контур с электроклапаном, то, естественно, эта схема могла бы дать температуры ниже, чем у параллельно последовательной, но я не предусмотрел перетекание тепла из горячего контура в холодный через выключенные модули.

Первые результаты разгона

Ну и несмотря на то что систему я не доделал мне очень понравилось как она работает, поэтому немного практики я решил добавить именно в это видео. Вышло, конечно, пальцем в небо, но я считаю, что именно такая конфигурация 2+2 15 Амерных модуля — самая лучшая если вы захотите её повторить, а некоторые из вас, я уверен, захотят после того как я расскажу о реальности эксплуатации.

Во первых — большая головная боль — это конденсат. Данная система в простое процессора и тепловыделении процессора около 20-25 Ватт и помпы в 6 Ватт смогла охладиться только до 11,5 градусов.

При этом водоблоки и трубки имеют некоторое температурное сопротивление, то есть температуры трубок и водоблоков были чуть выше. А процессорный водоблок так и вовсе нагреваясь от процессора и не уходил ниже 25 градусов. Так что конденсата почти нигде не было, конденсат был только на металлических фитингах. При этом если применить немного теплоизоляции, то не будет контакта тёплого воздуха с холодными поверхностями с появлением точки росы. В общем — на самом деле можно просто купить пачку губок для мытья посуды — сделать в каждой пару отверстий под трубки и надеть на водоблоки. Всё, конденсата не будет. Вторая особенность — температуры не уходят ниже ноля. У меня было 28 градусов в комнате и вышло около 11,5 градусов жидкости. А значит замерзание воды в такой системе будет только при комнатной температуре ниже 16 градусов. То есть если в квартире не очень холодно, то в холодном контуре можно просто использовать обычную воду, в том числе и жидкости для водянок, красители и всё такое. Опять — никаких проблем не будет. Ну и теперь немного про практику использования.

Во первых не для кого не секрет, что с ростом температур у полупроводников увеличивается сопротивление. Это можно увидеть даже в уже показанных тестах разных систем из данной статьи.

Допустим с тонкой башней Cinebench R20 в начале теста потреблял 155 Ватт процессора, а под конец, когда процессор нагрелся — потребление было уже 166 Ватт, при том что нагрузка осталась такая же.

С 5 секционной СВО — температуры были ниже и вначале теста нагрузка была 150 Ватт, а под конец с нагретым процессором — 154 Ватта.

С Пельтье нагрузка была в начале теста 142 Ватта, а под конец 147 Ватт.

Даже в таких сравнительно невысоких диапазонах температур при одной и той же нагрузке мы увидели разницу в потреблении 166 и 142 Ватта. Это довольно большая разница.

Но куда выше разница оказалась в стабильности работы при разгоне. У меня не самый удачный i9 9900k для степинга R0, ну и плюс может быть сказывается ещё и старая прошивка платы с которой работает кофемод, чтобы поставить i9 9900k на Z170 чипсет. И в целом — 5 Ггц я на воде взять не смог на все ядра без занижения AVX. С Пельтье я просто загрузил свои сохранения на 5 ГГц, запускаюсь и чувствую, что стабильности гора, то есть там уже не просто на прохождение бенчмарков было стабильности, а намного больше, вполне возможно что разгон был действительно полностью стабильный. Дальше я взял и просто на тех же настройках поставил множитель 51, то есть 5100 МГц, и тех настроек что на воде не хватало для 5 ГГц хватило для 5,1 на Пельтье. При этом владельцы intel процессоров знают, что 5 ГГц и 5,1 ГГц — это вообще две большие разницы. 5,1 взять намного сложнее, чем 5. Но на этом я не остановился естественно.

И тут можно проследить хранометраж тестов, благо при захвате видео захватывается и системные часы Winows.

5 ГГц 5,1 ГГц 5,2 ГГц

На 5 Ггц я прошёл сенибенч в 17:29, на 5,1 ГГц я прошёл сенибенч в 17:34, то есть для взятия 5,1 ГГц мне понадобилось 5 минут. А 5,2 ГГц в сенибенч R15 я взял в 17:51. То есть покорение 5,2 ГГц заняло у меня 17 минут при том что это был мой первый опыт похода за 5,1 ГГц. Более того на 5,2 ГГц без занижения для AVX при прохождении сенинбенч R20 у меня самое горячее ядро нагрелось только до 73 градусов. Очевидно, что тут есть явный задел и на большие частоты. Естественно тут нет речи про полную стабильность, да и сенбенч R20 не такой требовательный бенчмарк к стабильности. Он куда требовательнее, чем R15. R15 иногда удаётся пройти на системах которые загружаются не с первого раза. R20 уже посложнее даётся. Ну и в целом — это охлаждение нужно только для энтузиастов, которые не получили того чего хотели, допустим от кастомной воды. И именно в такой конфигурации вы не получаете конденсата, замерзаний, и всё это требует, как показала практика, два тонких радиатора на 2+3 секции, что поместиться в много какие корпуса. Сами водоблоки тоже разместить внутри корпуса не так сложно. При этом с отключенными модулями СВО тоже хорошо работает. То есть когда не надо — оно просто отключается и всё. От блока питания тоже никаких серьёзных требований нет. У меня 800 Ваттный блок во время долгих тестов так и не перешёл в режим активного охлаждения, то есть для него это вообще не нагрузка. С шестью модулями я добавлю ещё один радиатор и такая система у же в обычный корпус не войдёт. При этом температуры не будут ниже, чем в этой системе. Просто будет больше времени на тесты. Но и с этим охлаждением тоже времени достаточно. Допустим когда я прогревал систему для замеров эффективности и мне надо было набрать для холодного контура комнатную температуру при нагрузке в почти 170 Ватт у меня с 20 до 27 с половиной градусов контур нагревается около 14 минут. Это ещё при условии длинных не тепло изолированных трубок холодного контура через которые тоже происходит нагрев жидкости. В общем — четыре 15 Ампераных модуля по последовательно параллельной схеме это идеальное решение для незапарного серьёзного улучшения охлаждения. Более того — они делают ограничивающим фактором материнскую плату. Допустим явно мне можно было пойти на 5,3 ГГц (а то и дальше), но я понимаю, что моя материнская плата уже может такое не выдержать, при том что пусть она серии Pro Gaming от асус, но элементы VRM у i версии (mini ITX) от ASUS Extreme, с урезанием фаз, то есть у этой платы лучший VRM из всех Z170 гейминг да и возможно всех стриксов, включая новые.

Те кто беспокоится ещё за систему управления, то и без ардуины такую систему собрать тоже очень легко. Каждая параллельная ветвь потребляет 11 Ампер. Так что на каждую можно поставить механические выключатели которые выдержат 11 Ампер и всё.

Вообще без электроники, подключение элементарное. Самая большая сложность — это припаять 6 или 8 пиновый коннектор для подключения к блоку питания (если кто не знал 8 pin коннектор для видеокарт имеет точно так же 3 провода +12 Вольт, как и 8 pin, так что какой вы будите припаивать: 6 или 8 — значения не имеет). Это сделать очень просто. Вдобавок — собрав эту схему вы сможете практически без вложений потом переделать её на параллельную (4 модуля Пельтье в параллельной схеме жрать энергии будут как не в себя, но и морозить будут очень мощно). Получить ещё градусов на 15 меньше температуры, но уже потребуется много радиаторов, незамерзающий хладагент, будут проблемы с конденсатом, нужен будет отдельный блок питания для запитки модулей и т.д. В общем — совсем другие вопросы, но уже без серьёзных финансовых вложений. Но именно 2 по 2 модуля — это в самый раз для домашнего незапарного оверклокинга. Вдобавок никуда не пропадает зимний разгон. Если системы на основе испарений азота или сухого льда выдают одинаковые температуры в любых условиях, фреонки имеют ограничения по климату, то Пельтье могут снизить температуру относительно зимней, если просто всю установку вынести на балкон (и сменить хладагент на незамерзающий), то есть никаких модификаций не требуется.

Ну а я всё же буду доделывать систему до 6 элементов Пельтье и будем делать систему автоматического управления, а также делать теплоизоляцию холодного контура в следующих частях этого проекта.

Ссылки на комплектующие и материалы

Водоблок Alphacool Eisblock XPX (промокод на 5 Евро FWIJZJ1)

Твердотельное реле (постоянное напряжение/постоянное напряжение)

Источник