Introduktion till Peltierelement

Peltiers! Peltiers har varit ett stort diskussionsämne under en ganska lång period. Man vill överklocka, men kylningen räcker inte riktigt till och man funderar på att kanske testa med en peltier eller så kallad TEC. Det är dock inte bara att köpa första bästa och montera dit. Då kan det få mycket dålig effekt eller rent av den motsatta effekten, d.v.s du får en varmare processor i stället. Här ska vi dock förklara grunderna om peltiers. Hur dom fungerar, vilken man ska välja och mycket mer.

Inledning

Vad är
då en peltier ? Vi börjar med lite bakgrundsfakta.
En peltier eller så kallad TEC (Thermo Electric Cooling) kan
enkelt förklaras som en värmepump. Den flyttar värme från
en sida till en annan. Denna effekt upptäcktes 1834 av den franske fysikern
Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Grunden till Peltier’s upptäckt
hästammar dock från Seebeckeffekten som upptäcktes 1821 av
Th.
J. Seebeck. Seebeckeffekten kan framkalla en ström genom en temperaturförändring.
Peltiereffekten är tvärtemot, d.v.s man framkallar en temperaturförändring
genom att tillföra ström. Vi tittar på lite förklarande
bilder:

Här ser

vi hur Seebeckeffekten fungerar. Man måste ha två olika ledare,

i detta fall koppar och vismut. Dessa kopplas sedan ihop till en sluten krets.

Man tillför värme vid punkten A (och/eller kyler punkten B, så

att man får en temperaturskillnad mellan A och B)och får således

en ström som flyter genom kretsen. Detta kan vi då försöka

bevisa med ett litet enkelt experiment. Vi använder en 120W peltier och

en multimeter till försöket. Genom att kyla den ena sidan och värma

den andra på peltiern lyckades vi få ut ca 1,0V från peltiern

(nu kan vi snart driva en hel fläkt! :)). Om vi nu istället tillför

en ström till kretsen:

Då får

vi istället en varm(B) och en kall(A) sida, och på detta sätt

är en peltier uppbyggd. I ett peltierelement förstärker man

dock denna effekt genom att ha en hel serie med kretsar som fungerar på

samma sätt (se bild nedan).

Här en hel

serie med vismut och kopparledare, varje övergång från koppar

till vismut genererar värme medans övergång från vismut

till koppar tar upp värme (alltså blir kall) och vi får en

varm sida till vänster och kall till höger, se vänstra bilden

(eller tvärtom om vi vänder strömriktningen, höger bild).

Så fungerar en peltier idag, men man använder sig av N- och P-dopade

halvledare istället för att få bättre effekt.

Här ser

vi en modern peltier av den typ vi kommer att använda som exempel här.

Nu vet vi hur de fungerar inte sant ? Då går vi raskt

vidare till nästa steg.

Hur används då en peltier ?

Att använda
en peltier medför en del risker och en mängd beräkningar som
man bör ta hänsyn till. Till att börja med tar vi reda på
vilka specifikationer peltiern har. Som exempel för räkningarna
väljer vi en 122W peltier från TEdist. Jag valde en peltier från
TEdist eftersom dom har ett välutvecklat program som kan vara till hjälp
när man räknar, och programmet är anpassat till deras peltiers.
Programmet går givetvis att använda till peltiers som inte kommer
ifrån TEdist, man väljer bara en peltier i TEdist’s lista som har
ungefär samma specifikationer som den modul man själv tänkt
använda så fungerar det ändå.
Programet finns att ladda ner här.
Peltiern vi valde finns till att börja med i 3 storlekar (48*48mm, 55*55mm,
62*62mm, alla med en tjocklek på 3,9mm), 48*48mm kan vara att föredra
då det kan bli problem att få den att passa till alla vattenblock/flänsar
och coldplates om vi väljer en som är större än 50*50mm.
Nedan har vi då specifikationerna för peltiern:

Modell nummer	Imax (A)	Qcmax (Wcooling)	Umax (V)	Delta T max C
TB-127-2.0-1.5 / 48	12,4A	122W	15,9V	70

Peltiern har

alltså en max kyleffekt på 122W (snarlik de vanliga 120W peltiers

som finns i många butiker) om den drivs på Umax och Imax. Ett

vanligt nätaggregat till en dator levererar ju dock inte mer än

12V, ca 75% av peltierns Umax(15,9V). Har man då bara 75% av kyleffekten

kvar? Nej, peltierns kyleffekt är inte linjär med spänningen.

Vi tittar på ett diagram:

Som vi ser i diagramet har man drygt 90% av kyleffekten kvar även om

peltiern går på 12V, med denna modul har vi alltså ca 110W

kyleffekt kvar. En stor fördel med att driva peltiern på 12V är

att peltiern i sig själv utvecklar mycket mindre värme. Om den i

vårt fall hade drivits på max skulle den utveckla 12,4*15,9=197W,

istället utvecklar den 9,5*12=114W(med en värmebelastning på

34W, ex en processor som genererar 34W), en markant minskning. Detta gör

att det blir lättare att kyla peltierns varma sida och det leder i sin

tur ofta till lägre temperatur på den kalla sidan.

I diagramet

till höger ser vi hur ström och spänning påverkar varandra.

Qc, alltså hur mycket värme peltiern tar emot på kalla sidan

ställde jag till 34W, alltså värmelasten motsvarar en processor

som genererar 34W, detta värdebehölls vid alla diagramen annars

skulle avläsningarna inte säga någonting mot varandra. Av

diagramet kan man också avläsa att en peltier inte är linjär,

det gör det svårt att räkna med peltiers då man inte

bara kan räkna med ohms lag och komma fram till att vid den och den volten

drar den si och så många ampere. Nu skulle vi kunna rada upp oändligt

många diagram som talar om både det ena och det andra, men vi

har valt ut ett par som är av lite större vikt. De två diagramen

nedan visar hur mycket värme peltiern generear med olika värden

på I(ampere) och U(volt). Watt på y-axeln i diagramen visar alltså

hur mycket värme kylflänsen/vattenblocket måste transportera

bort från peltiern. Märk! Enbart från peltiern, värmen

från processorn tillkommer också, i detta fall 34W.

Intressant vore

kanske också att se hur deltaT varierar med olika värden på

I och U.

Slutligen

ett som illustrerar deltaT(temperaturskillnaden) mot den totala effekten (U*I).

Värdena man kan utläsa ur diagramen stämmer ganska

väl överens med specifikationerna för peltiern. Samtidigt ser

man också att man inte förlorar så mycket kyleffekt om man

minskar till 12V, som vi nämnde tidigare.

Kan man få ett lika kraftigt deltaT om peltiern drivs på 12V istället

för på? Nej, det kan man inte. Vi ställer om vämrelasten

från 34W till 0, man tillför alltså ingen värme till

peltierns kalla sida.

U (Volt)	Tc (max deltaT)	I (Ampere)	W (watt)
15,9	70	12,4	197
11,9	66	11,2	133

Som vi ser här kan man uppnå ett deltaT som bara är 4 grader

mindre än deltaTmax när peltiern drivs på 12V. En så

stor temperarturskillnad som 60 till 70 grader uppstår dock bara när

peltiern är helt obelastad, alltså att man inte tillför någon

värme till peltierns kalla sida. När man ska kyla något som

genererar värme (förmodligen din processor) så minskar deltaT

beroende på hur mycket värme som tillförs. Nu börjar

vi kanske få rätsida på hur en peltier fungerar och beter

sig?

Vilken peltier ska man då välja?

Här är det två
faktorer som spelar in. Vilken temperatur man vill uppnå samt hur mycket
värme din processor avger. Processorn avger mer väme när man
överklockar den, speciellt när man ökar volten. Ett bra program
för att se hur mycket värme ens procossor avger är radiate.
Radiate hittar du i vårt filarkiv under Diagnostik ->Värmeutveckning.
Man kan också räkna ut det på följande sätt:

NyW = SpecW * (NyF/SpecF) * (NyV/SpecV)^2

NyW = Nya värmeutvecklingen

SpecW = Tillverkarens angivna värmeutveckling för processorn.

NyF = Den nya CPU-hastigheten

SpecF = Orginal CPU-hastighet

NyV = Ny voltinställning

SpecV = Orginla voltinställning

Vi tar ett räkneexempel: Vi säger att vi har en Amd Thunderbird
processor på 800MHz. Den tänkte vi klocka till resonabla 1000MHz.
Processorn avger med standardinställningar 45,1 W. För att nå
1000MHz fick vi öka volten från 1,75 till 1,85. Den nya värmeutvecklingen
blir alltså:

NyW = 45,1 * (1000/800) * (1,85/1,75)^2 = 63

Processorn kommer alltså att generera 63W värme. Enligt radiate
kommer den avge 60,4W, vilket som är närmast sanningen vet jag dock
inte. Men en skillnad på 2,6W kan vi förbise då det är
så pass många andra felfaktorer som spelar in. Vi håller
oss till formeln och räknar med 63W. Så, nu vet vi hur mycket
värme processorn avger men hur kraftig peltier ska vi ha till den då
? Det beror på vilken temperatur man vill kyla ner processorn till.
Vi tar peltiern vi haft som exempel och ser vilken temperatur vi hamnar på.
Till detta har vi en annan formel:

DeltaT = (1 – (NyW/PeltierQc))*Max deltaT

DeltaT = Den temperaturskillnad du kommer att få mellan peltierns varma
och kalla sida.

NyW = Processorns värmeutveckling (som vi räknade ut med föregående
formel).

PeltierQc = Peltierns maximala kyleffekt.

Max deltaT = Peltierns maximala deltaT.

Exempel: Processorn avger 63W, peltierns kyleffekt var 122W, men eftersom
den kommer att drivas på 12V så har den bara 90% av sin kyleffekt
kvar. Alltså PeltierQc = 122*0,9 vilket blir 110W. Peltierns maximala
deltaT var 70 grader vid 0 värme belastning. Vi sätter in värdena
i formlen.

DeltaT = (1-(63/110))*70 = 29,9

Vi kommer alltså att få ett deltaT på nästan 30 grader
mellan den varma och kalla sidan på processorn. Hur mycket ström
drar då peltier i detta läge ? Vi kollar med Krytherm.

Den

drar alltså nästan 13A, det är mycket ström o kräver

ett kraftigt aggregat, peltiern genererar nu också mycket värme

i sig själv, ca 150W! Att driva peltiern på samma aggregat som

övriga datorn är nästan uteslutet. Peltiern vi räknat

med nu motsvarar de flesta förkommande 120W peltiers som finns på

marknaden så tänk på att ha ordentlig strömförsörjning

om du funderar på att använda en 120W peltier. Vilken temperatur

får jag på processesorn nu då ? Vi räknar igen:

Tkall

= Tvarm-DeltaT

Tkall = Temeraturen på peltierns
kalla sida.

Tvarm = Den temperatur man kan hålla på peltierns varma sida.

DeltaT = Temperaturskillnaden mellan peltierns varma och kalla sida.

Vi säger att vi lyckas hålla en konstant temperatur på 25
grader på peltierns varma sida då kommer vi att få:

Ex: Tkall = 25-30 = -5

Vi skulle alltså teoretiskt kunna få en processortemperatur på
-5 grader. Detta gäller dock under optimala förhållanden,
alltså perfekt kontakt och tryck mot alla ytor, perfekt isolering och
så vidare. Detta värdet får alltså ses som aningen
optimistiskt. Vi säger att vi räknar med ett värmespill på
10 grader, då får vi ändå en mycket bra temperatur
på ca 5 grader på processorn. Att uppnå rätt tryck
mellan coldplate+peltier+vattenblock/kylfläns kan vara mycket svårt.
Enligt supercool (ett svenskt företag inom kylning, som tillverkar bland
annat peltiers) så är ett rekomenderat tryck ca 150N/cm^2. För
en peltier med måtten 50*50 mm innebär detta ett tryck på
ca 380kg! Det uppnår man inte med ett clip från en kylfläns
eller någon typ av holddowndevice till vattenblock. Det enda sättet
att uppnå sådant tryck är att sätta ihop coldplate+peltier+vattenblock
separat med bultar eller någon annan kraftig fästanordning och
sedan fästa detta på processorn. På så vis kan man
ha ett lagom tryck mot coren men ändå ett rejält tryck om
peltiern.

Kylning av peltiern

Kylningen av peltierns varma sida
kan vara det knepigaste. Med peltiers kraftigare än 72W börjar det
verkligen bli knepigt om man inte övergår till något annat
än lufkylning. Ju lägre temperatur du kan hålla på varma
sidan ju lägra temperatur får du på kalla sidan (logiskt
inte sant:)). Låt säga att du har en processor som du nu tänkt
kyla med en peltier. Med bara luftkylning hade du en temperatur på ca
35 grader. Peltiern klarar att ge ett deltaT på 20 grader på din
processor. Bra då får jag en temperatur på 15 (35-deltaT
på 20) grader på processorn! Nej knappast, peltiern i sig genererar
mycket värme så nu måste kylflänsen ta hand om värmen
från både peltier och processor. Det klarar kanske inte kylflänsen
ordentligt utan kylflänsen blir 20 grader varmare än vad den var
utan peltier. Eftersom kylflänsen blir 20 grader varmare kommer det deltaT
på 20 grader som peltiern åstakommer inte märkas, utan temperaturen
hamnar fortfarande på ca 35 grader. Det enda som händer är
att du får en större strömförbrukning och kraftigare
värmeutveckling i lådan. Bilder som förklarar lite:

I

detta fall skulle man alltså inte tjäna något på att

ha en peltier. Hade man däremot haft en kylfläns alternativt ett

vattenblock som hade klarat att hålla 35 grader (samma temp som utan

peliter) på den varma sidan av peltiern hade man alltså fått

en temperaturminskning på 20 grader. Vad gör vi nu åt detta

då ? Jo, man kan räkna ut vilken ungefärlig temperatur kylflänsen

kommer att få med ökad värmelast. Till det behöver vi

då ytterligare en formel:

TotW = NyW + PeliterW

TotW = Den totala värmeutvecklingen (så mycket värme som måste

transporteras bort från peltierns varma sida).

NyW = Processorns värmeutveckling (som vi räknat med föregående

formler, alternativt radiate).

PeltierW = Den värme som peltiern avger, ( i exemplet vi tog ovan var

det 150W).

Ex: TotW = 63 + 150 = 213

Detta är mycket värme och förmodligen omöjligt att kyla

med en kylfläns. Här skulle det krävas vattenkylning.

Nu har vi i alla fall den totala värmeutvecklingen.

Tkylfläns = Luftemperatur + (C/W * TotW)

Tkylfläns = Den ungefärliga temperatur din kylfläns kommer

att hålla.

Luftemperatur = Temperautern på luften som blåser på kylflänsen,

(din låd-/rumstemperatur).

C/W = Effektiviteten

på din kylfläns. Alltås så många grader som temperaturen

på kylflänser per Watt värme den tar emot.

TotW = Den totala värmeutvecklingen (så mycket värme som måste

transporteras bort från peltierns varma sida).

Då räknar vi på vårt exempel. Säg att vi har en

Alpha kylfläns med ett C/W värde på 0,35. Den stiger alltså

0,35 grader för varje Watt. Vi har en lufttemperatur på ca 25 grader.

Tkylfläns = 25 + ((0,35)(213)) = 99,55

Nästan

100 grader! Den kylflänsen vill jag inte lägga mina fingrar på!

🙂 Kylflänsen har alltså en temperatur på 100 grader. Nu

är den lite tveksamt om den skulle bli så varm i praktiken, i och

med att man får ett så stort deltaT mellan lufttemp och kylfläns

kommer värmeöverföringsförmågan att öka (större

deltaT = större värmestrålning). Vi ser vilken temperatur

vi får på processorn genom att använda den numera förhoppningsvis

välkända forlmeln (som vi använde förut):

Tkall = Tvarm-DeltaT

Tkall = 100 – 30 = 70

Peltiern klarade ett deltaT på 30 grader vid denna belastning enligt

våra tidigare beräkningar. Processortemperaturen är alltså

70! grader, lite för varmt för att det ska vara behagligt. Av detta

kan vi dra slutsatsen att så här pass kraftiga peltiers KRÄVER

något annat än luftkylning. Här skulle man kunna uppnå

mycket bättre resultat med bara kylfläns+fläkt. Vi kollar vad

vi skulle få för temp utan peltier:

Tkylfläns = 25 + ((0,35)(63)) = 47

Med bara HSF (Heatsink Fan)

skulle vi alltså få 47 grader. Märkbart bättre än

70 eller hur !? 🙂 C/W värdet för kylflänsen kan man ofta hitta

på tillverkarens hemsida. Hittar man inte det exakta får man räkna

ut det istället. Vi ändrar om lite i formeln för att få

fram kylflänstemperaturen:

(Tkylfläns-Luftemperatur)/TotW = C/W

Ex: (47-25)/63 = 0,35

Med C/W värdet kan du nu räkna ut vilken temp du skulle få

på kylflänsen med en pelier installerad.

Med vatten då !?

Givetvis kan man räkna ut
vilken temperatur man skulle kunna få med ett vattenblock istället
för en HSF-kombination, men det är då så passa många
faktorer, ex: vätskeflöde, vätsketemperatur, vätska, blockmaterial,
invändiga area på blocket o.s.v att vi sparar det till en annan
gång. Det enklaste är att försöka uppskatta vilken temperatur
man kommer att få på den varma sidan av peltier och utgå
från det. Det är ändå så pass många faktorera
att man förmodligen kommer få en bred felmarginal när man
räknar, så vi nöjer oss med formler för den här
gången. Men med det vi gått igenom här har ni förmodligen
de kunskaper som behövs för att komma igång med sin "superkylning".
Har ni frågor, kommentarer eller funderingar om artikeln eller om peltiers
i allmänhet så hör gärna av er.

LYCKA TILL!