(A kép közepén felfedezel egy zord arcot?)

A peltier elemekről szóló cikksorozat második részéhez értünk. Most nézzük meg, hogy ha ilyen hűtést szeretnénk, akkor milyen hűtőelemre lesz szükségünk. Kezdjük a teljesítménnyel:

A kiindulási alap az, hogy van egy melegedő alkatrészünk (IC processzor stb.) amit alacsonyabb hőmérsékleten szeretnénk üzemeltetni. Ekkor általában aktív hűtésre lesz szükségünk. Ha mindezt peltier elemmel szeretnénk megoldani, akkor meg kell tudnunk, hogy az adott eszköz vajon mennyire melegszik? Nem azt kell megmérni, hogy most hány fokos, hanem azt, hogy mennyi hőt termel.

Általában megadják, vagy kiszámíthatjuk, hogy hány Wattal fűti az eszköz a környezetét. Pl. ha számítógép processzorra szeretnénk ilyen hűtőt szerelni, akkor nagy segítséget nyújthat az itt található program. (Kénytelen voltam ide feltenni, mert itt valamiért nem volt hajlandó működni.)

Tételezzük fel, hogy 1.4GHz-es Intel Pentium 4 hűtésére adjuk a fejünket, ami kb. 52 Wattot fűt el. Innentől kezdve mindegy, hogy milyen a processzor, vagy ezt a hőt egyáltalán processzor termeli-e? Már csak az 52 Watt a fontos.

A cikksorozat fő szponzora a www.datapress.hu, aki teszt peltier modult is biztosított, köszönet érte! Hazánkban ők forgalmazzák a Supercool peltier elemeket, így két PE-127-20-15-ös áll rendelkezésemre. Minden hűtőmodulhoz tartozik egy katalóguslap, ami csak akkor ér valamit, ha grafikon is tartozik hozzá.

Mielőtt megnézzük a grafikont tisztáznunk kell egy dolgot a teljesítményekkel kapcsolatban. Kétfajta teljesítményről beszélhetünk, az egyik a hűtőteljesítmény a másik a tápegységből felvett teljesítmény. A hűtőteljesítmény az igazán fontos most, a másik, majd a hűtés tervezésénél kerül elő. A boltban, ha azt mondjuk, hogy egy 100 Wattosat szeretnénk, akkor minden esetben a hűtőteljesítményt értik alatta.

Gondoljunk csak bele, hogy 100 Watt fűtőteljesítmény milyen nagy. Pl. egy 100 Wattos izzó majdnem ennyivel melegít, hiszen igen alacsony a hatásfoka. És annak a burája hihetetlenül felforrósodik. 100 Watt hűtőteljesítmény már egyáltalán nem tűnik soknak, hiszen egy otthoni hűtőgép hűtőteljesítménye kb. a duplája. Igaz az túl van méretezve, jó a hőszigetelése és így nem is kell éjjel-nappal üzemelnie.

Első pillanatra egy ilyen grafikon kaotiusnak hathat... nézzük miként kell használni. A bal- és jobboldali függőleges tengelyek teljesítményben vannak skálázva, itt kell megkeresni azt a teljesítményt, amennyivel az alkatrész melegszik, vagyis a példánkban az 52 Wattot. A vízszintes tengelyen hőmérsékletet tüntettek fel.

Ha a grafikon bal felső sarkába pillantunk, akkor 6db fontos adatot tüntettek fel. A legfelső az a hőmérséklet, amin a peltier elem meleg oldalát kell tartani, itt a 298K annyit jelent, hogy a meleg oldal 25 fokos! Ezt a hőmérsékletet vízhűtéssel is nehéz elérni! Ha elegendő hely áll rendelkezésre, akkor a hűtést egy hűtőborával is megoldhatjuk, persze a meleg oldal ekkor jóval melegebb lesz. A hűtési technikákról később lesz szó.

Ha a bekeretezett részt nézzük, akkor megadták, hogy legfeljebb 13.4 Amperes áram még megengedhető. Ha a hideg oldal hőszigetelése tökéletes, akkor a két oldala között 73 fokos hőmérsékletkülönbség áll, ami igen tekintélyes!

Tételezzük fel, hogy 15.5 Voltot kapcsoltunk a hűtőelemre és az a maximális 13.4 Ampert veszi fel. Ha a hideg oldalára egy 52 Wattal melegedő eszközt szerelünk, akkor ha azt megkeressük a fenti grafikonon és levetítjük a vízszintes tengelyre akkor azt látjuk, hogy a hideg oldal -11 fokos lesz!!!

-11 fokos hűtőfelülettel igazán elégedettek lehetünk, ráadásul ez akkor áll elő, ha teljes "gőzzel" dolgozik a processzor, mert csak ekkor termel ilyen sok hőt. Ha nem terheljük a processzort komoly számításokkal, akkor akár az ötöd részére is csökkenhet a keletkezett hő. Ez azt jelenti, hogy a processzor úgy -40 fokra lehűlne, ami már probléma is lehet.

A túlhűtés problémát is okozhat! Ha a processzor sokat lazsál és hírtelen nagy hőtermelésbe kezd, akkor túlságosan nagy hőterhelés állna elő a hűtője és a mag között. Ez akár azt is okozhatja, hogy a processzormag a hőterhelés hatására elreped. De a tapasztalat azt mutatja, hogy általában -20 fokog nincs ilyen probléma...

Fontosnak tartom kihangsúlyozni, hogy az előbb kiszámított -11 fok, csak akkor áll elő, ha a meleg oldalát 25 fokon tudjuk tartani. Ez nyáron szinte lehetetlen feladat, mert mégha vízhűtéssel is oldjuk meg a hűtését, akkor a hűtővíz könnyedén elérheti zárt rendszer esetén a 30-40 fokot. Inkább számoljunk a 40 fokkal, mert ezt még reális eséllyel tartható. Ez 15 fokkal magasabb az előírtál, így a hideg oldal is 15 fokkal melegebb lesz és hipp-hopp eltűntek a mínuszok és már 4 fokos a hideg oldala.

De nem kell elszomorodni, mert a nulla fok feletti hőmérsékletnek komoly előnyei vannak. Ugyanis a levegőben lévő pára kicsapódik a hideg felületen és ez nulla fok alatt megfagy és jég keletkezik. Ezért gondosan ügyelni kell a hőszigetelésre, ezen áll vagy bukik a dolog. Ennek a hőszigetelésnek lehetőleg hermetikusnak kell lennie. Speciális hőszigetelő és tömítő anyagokkal ez megoldható.

Az egyik legjobb megoldás, ha a hőszigetelő rész hungarocellből készül és utána kap egy epoxi gyantás burkolatot. Van jobb hőszigetelő anyag is, ez nagyon hasonlít a hungarocellre csak kissé zöldes beütése van és nehezebb. Az epoxi burkolatnak nem csak az a feladata, hogy a levegőt kizárja, hanem tartást is ad a rendszernek.

Mint az a képen is látható mindenféle peltier elemet gyártanak. Van kicsi, nagy emeletes, sőt lyukas is! A legmenőbb modul a 127-14-11-es, ez a képen a bal sarokban látható 40x40mm-es méretben. Ez 76.6 Wattos hűtőteljesítménnyel rendelkezik és 15 Voltról üzemeltethető. Két ilyen hűtőelemmel a mai nagy processzorok már kellemes hőmérsékleten üzemelhetnek. Két ilyen modul olcsóbb, mint az előbb bemutatott 127-20-15-ös, ami 124 Watt hűtőteljesítményt produkál, ráadásul a kettő összesen 153.2 Watt hűtőteljesítményt tud.

A fenti képen a legnagyobb modul a 127-20-15ös, ennek a katalóguslapja alapján méreteztünk az előbb. Ezen egy igen extra modul látható, egy emeletes vagy más néven többlépcsős eszköz. Ez csak 15 Wattos hűtőteljesítménnyel rendelkezik, de 104 fokos hőmérséklet különbségre képes a két oldala között! Ezt inkább olyan helyeken célszerű alkalmazni, ahol egy kevésbé melegedő eszközt szeretnénk pl. a zaj vagy sebesség szempontjából hidegen tartani.

A legkisebb a 007-05-15-ös, ami igazán miniatűr modulnak számít. A meleg oldalát könnyű hűteni, a hideg oldalára kis tömegű alig melegedő alkatrészt helyezhetünk, pl. egy CCD kamerát. Ebben az esetben a zajszint alacsonyabb lesz, így élesebb képet kaphatunk. A kis méret előnye, hogy akár mobil is lehet az adott eszköz.

Érdemes megnézni a többlépcsős modult, középen van az elektromos átvezetése a felső egységnek. De nem csak két lépcsős létezik, három sőt ötrétegű is! Ezekkel hihetetlenül nagy hőmérsékletkülönbségeket lehet elérni. Pl. ha egy ötlépcsős alatt a cikk elején tárgyalt 124 Wattos hűtőelemen van, akkor úgy -150-160 fokos hőmérséklet is elérhető, ami szinte hihetetlennek tűnik, de így van.

Már nagyon sokszor előkerült az a fogalom, hogy hűtőteljesítmény, ezt nem szabad félreérteni. Ezek a számok arra vonatkoznak, hogy ha a hideg oldalát ennyivel melegítjük, akkor az pontosan olyan meleg lesz, mint a meleg oldala. Vagyis ha egy 80 Wattot disszipáló 1.2GHz-es Thunderbird processzorra szerelnénk egy 80 Watt hűtőteljesítménnyel rendelkező modult, akkor végülis nem csináltunk semmit, mert mindkét oldal azonos hőmérsékletű, csak falja az energiát a rendszer.

Általánosságban azt lehet mondani, hogy ha nem szeretnénk csalódni a peltier elem tudásában, akkor a hűtőteljesítménye legalább kétszer több legyen, mint a CPU által termelt hő mennyisége. De ez még önmagában nem elég egy méretezéshez. A következő részben, majd egy program is lesz, ami minden lényeges dolgot kiszámít helyettünk, sőt még modult is ajánl.

A fenti képen érdemes megnézni, hogy vannak olyan modulok, melyeknek a széle hermetikusan le van tömítve és van olyanok is melyek szabadon szellőzhetnek. Ez utóbbi általában nem túl jó, mert nagy mínuszok esetén belül is páralecsapódás jöhet éltre (egyébként minden hideg felületen kicsapódik a pára, de ez a relatív páratartalomtól függ), ami több szempontból is rossz. Egyrészt hőhidat képez a meleg és hideg oldal között, ennek eredményeként a hűtés majdhogynem megszűnik, hiszen a meleg oldal "melegét" a kondenzvíz átviszi a hidegre. Másrészt az esetleges jég a hűtőelemeket károsíthatja.

Tehát a szélek szigetelése fontos lehet, de nem minden modulból kapunk szigeteltet.

A felső részen a szigetelés nélküli modul látható, az alsón a házilag átalakított. Noha már mindenféle szilikon tömítőanyag kapható mégsem célszerű közvetlenül ezzel tömíteni. Vágjunk egy csíkot Leukoplasztból és azzal egy soron vonjuk be a élét (rózsaszín "ragacs", gyógyszertárban lehet kapni) a képen látható módon, és utána tömítsük le pl. Gumiam pasztával vagy FBS-el. A tapasztalat azt mutatja, ha ezzel a módszerrel szigetelünk, akkor nem nyomódik be az elemek közé a tömítőanyag, és valószínű, hogy ennek következtében nem romlik le a hűtőteljesítmény.

A második rész végén nézzünk utána a meleg oldal hűtési lehetőségeinek.

A legnagyobb gyári CPU hűtőbordák, 70-80 Wattal is megbirkóznak, de ekkor rendszerint az 50 fokos hőmérsékletet is elérik. Ez már meglehetősen melegnek számít (aligha hűthetünk ezzel hatékonyan), jóval 50 fok alatt célszerű a peltier hideg oldalát tartani. Tehát csak kis teljesítményű modulokat célszerű hűtőbordával hűteni.

Érdemes odafigyelni, mert a cikk elején szerelő 124 Watt hűtőteljesítményű modul nem 124 Wattal fűt a meleg oldalon, hanem 15.5*13.4 azaz 207.7 Wattal! Vagyis sokkal több hő termelődik, mint azt az ember az első pillanatban várná.

Az egyik lehetőség az, hogy egy hatalmas ventilátorokkal felszerelt hűtőbordával hűtjük a meleg oldalt. Mint az a képen is látható ezek már testesebb darabok. Ebben az esetben a méretek miatt általában nem tudjuk az egészet a hűtendő alkatrészre szerelni, és így a hőt valahogy oda kell szállítani. Az egyik megoldás lehet az, hogy levegőt hűtünk és egy hideg levegősugarat irányítunk a hűtendő felületre, a másik az, hogy vízzel szállítjuk a hőenergiát.

Nem csak elektronikai alkatrészek hűtésében lehet gondolkodni, mert az is megoldható, hogy egy zárt térben hideg levegőt kell előállítani (lásd hűtőgép). Ekkor a hideg oldalra is elegendő lehet egy hűtőborda. Ezt a peltier elem hűti, ha van egy kis ventilátor a hideg hűtőbordán a levegő keringetése ezáltal a hűtése már meg is oldódott.

A Datapresstől megtudtam, hogy a fenti képen látható vízhűtőt ajánlja a Supercool a peltier elemek hűtéséhez. Ez meglehetősen sok alkatészből áll. Különösen az alsó részen látható műanyag spirálra hívnám fel a figyelmet. Ezt beledugják az alumínium hűtőcsőbe, amibe a víz kering, ezáltal vizet spirális mozgásra kényszerítik. Ezzel javítható a vízhűtő hőelvonó képessége.

Minden hiedelemmel ellentétben a víz egyáltalán nem jó hővezető! Több nagyságrenddel rosszabbul vezeti a hőt, mint a vörösréz (kb. 800x rosszabb). De ez csak akkor igaz, ha nem áramlik. Keringetés esetén kb. húszezerszer jobb lesz a hőelvonó képessége, ami így a fémeket messze felülmúlja! A másik tévhit a keringetési sebesség körül fordul elő. Érdekes módon a víz úgy vonja el a hőt, hogy ha kismértékben elindul az áramlás, akkor rohamosan nő a hőszállítóképessége, de ez utána a víz sebességével alig változik.

Végezzünk egy röpke számítást:

A víz fajhője nulla fokon 4183 J/(kg*C), 30 fokos hőmérsékleten is kb. ennyi. A vízhűtőblokk 1 fokos felmelegedése még talán megengedett. Kis rátartással számohatunk úgy, hogy ebben az esetben fél fokkal melegebb a kiáramló víz, mint a befolyó. Hozzávetőlegesen egy hűtőblokkba 10 köbcenti víz fér el, ami kb. 10 grammot nyom. Vagyük az előbbi esetet, hogy 207 Wattal fűtjük a hűtőblokkot, az a kérdés, hogy mennyi idő alatt melegszik fel fél fokkal 10 gramm víz. Bárki könnyen utánaszámolhat (lásd a fajhő mértékegységét), ehhez 0.1 másodpercre van szükség. Vagyis 0.1 másofpercen belül ki kell cserélni a folyadékot hidegebbre, ez azt jelenti, hogy percenként 6 litert kell megmozgatni. Ez a számítás csak tájékoztató jellegű, arra jó, hogy megsaccoljuk a szükséges vízmennyiséget.

Így ezek után hiába növeljük duplájára vagy triplájára a víz áramlási sebességét és ezáltal a l/h (liter/óra) számot az csak néhány %-os vavulást okozhat, ami itt tized fokokat jelent, azért meg igazán kár küzdeni!

Végezetül, hogy lássuk, hogy nem csak a Supercool gyárt peltier elemeket:

Aki a korcsolyából nem jött volna rá, hogy ez melyik országban készül, annak egy kis segítség:

Ebbe a peltieres téma rendkívül sokrétű, így nem feledkezek meg a hővezető ragasztókról sem a méretező programok is helyet kapnak és más cégek termékeit is bemutatjuk, bár azokat csak katalógusból, mert azokból nincs tesztpéldány.

És ne feledjétek, ha Supercool peltier elemekről van szó, akkor www.datapress.hu