الشرح الأول عن تقنية لتبريد الكهربائي الحراري
السلام عليكم

هذا هو الشرح العربي الأول لتقنية التبريد المسماة "T.E.C thermoelectric cooling" أي التبريد الكهربائي الحراري وهي تقنية تستخدم لمساعدة أنظمة التبريد الهوائية و المائية "air and water cooling system"للوصول إلى درجات حرارة أقل من درجة الحرارة المحيطية
فهرس الموضوع
1- وصف وحدة التبريد الكهراحراري
2- معلومات عامة عن الاستطاعة "الواط" من وجهة النظر الكهربائية و الحرارية
3-مواصفات وحدة التبريد الكهراحراري
4-طريقة حساب فرق درجات الحرارة بين سطحي وحدة التبريد الكهراحراري
5-معرفة خصائص المعالج الحرارية
6-المخاطر وكيفية تجنبها
7-حساب درجة الحرارة الفعلية للسطح البارد
8-النقطة الحرجة : التحكم بدرجة حرارة السطح الساخن
9-كيفية تبريد السطح الساخن "الصعوبة"
10-أمور أخرى يجب الاهتمام بها
11-التكلفة


1- وصف وحدة التبريد الكهراحراري
تتكون وحدة التبريد الكهراحراري من معدنين متصلين مع بعضهما البعض "لن نهتم بنوع المعادن ولا كيفية التصنيع بل بكيفية الاستفادة" وعند تمرير التيار الكهربائي خلال هذه الوحدة يسخن أحد المعدنين بينما يبرد الأخر و يكون فرق درجة الحرارة ثابت بين المعدنين عند قيمة التيار المارة هذه وغالبا ما تصنع على شكل صفيحة بحيث أحد وجوهها مصنوعة من المعدن الأول و الوجه الثاني مصنوع من المعدن الثاني و تكون محاطة بشكل كامل بالسراميك الوجه المكون من المعدن الساخن يدعى بالوجه الساخن the hot side و الوجه المقابل يدعى بالوجه البارد the cold side



2- معلومات عامة عن الواط من وجهة النظر الكهربائية و الحرارية
يعرف الواط "وهو واحدة الاستطاعة"
من وجهة النظر الكهربائية يعرف الواط بالعلاقة
Watt=Amps*volts = current * voltage
الواط = الأمبير * الفولط = التيار * الجهد
أما من وجهة النظر الحرارية
Watt=Juole / second= Energy / time
الواط = الجول \ الثانية = الطاقة \ الزمن
حيث أن كل 4.18 جول تعادل واحد كالوري و الكالوري هي الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء درجة حرارة واحدة

مثال للتوضيح :
الحرارة الناتجة من منبع حرارة ومقدرة ب 60 واط وتساوي 60 جول بالثانية ستأخذ ساعة و أربع و خمسين دقيقة لرفع درجة الحرارة للتر من الماء من الدرجة 1 مئوية إلى درجة الغاليان أي 100 مئوية
في حين أن المنبع ذو ال 70 واط سيأخذ فقط 36 دقيقة أي أنه يستطيع أن يجعل لترين من الماء قرب درجة التجمد يغليان خلال 73 دقيقة


3-مواصفات وحدة التبريد الكهراحراري
هناك معياران اساسيان لوحدة التبريد الكهروحراري يحددان مقدرة التبريد لهذه الواحدة وهما الفرق الأعظمي في درجة الحرارة ويقاس بالسيلزيوس Maximum Temperature Difference (degrees C) و سعة التبريد العظمى وتقاس بالواط Maximum Cooling Capacity (watts)
1-الفرق الأعظمي في درجة الحرارة
Maximum Temperature Difference
تعمل وحدة التبريد الكهروحراري على خلق فرق بدرجات الحرارة بين السطح الساخن والسطح البارد و الفرق الأعظمي يعطيك فكرة عن أخفض فرق في درجات الحرارة وذلك في الوضع المثالي
2-سعة التبريد العظمى
Maximum Cooling Capacity
تعطيك سعة التبريد العظمى فكرة ما هو مقدار الطاقة المستهلكة في عملية التبريد للوصول إلى الفرق الأعظمي في درجة الحرارة

أمثلة توضيحية
-العديد من وحدة التبريد الكهراحراري ذات السعة40 واط تستطيع الوصول لفرق اعظمي قدره 69 درجة
-العديد من وحدة التبريد الكهراحراري ذات السعة 226 واط تستطيع الوصول لفرق أعظمي قدره 69 ردجة أيضا
- نلاحظ أن وحدة التبريد الكهراحراري الـ40 واط أفضل من وحدة التبريد الكهراحراري الـ226 واط ولكن هذا في العالم المثالي "الذي لم يستطع حتى أفلاطون الوصول إليه"
-إن الفرق الأعظمي لدرجات الحرارة لا يمكن الوصول إليه إلا في المدينة الفاضلة "العالم المثالي" وذلك عندما يكون الحمل الحراري "الغرض المراد استخدام وحدة التبريد الكهراحراري لتبريده " ذو درجة حرارة صفرية "مساوية للصفر" وهو أمر مستحيل


4-طريقة حساب فرق درجات الحرارة بين وجهي وحدة التبريد الكهراحراري
-يكون الفرق الأعظمي في درجات الحرارة العملي "الحقيقي" مرتبط بالحمل الحراري و الاستطاعة العظمى للتبريد ويدعى بـ Delta t ويعطى بالعلاقة
Delta T = (1 - (Heat Load/Max Cooling Power)) * Max Temp Difference

لفرق الأعظمي في درجات الحرارة العملي = (1-(الحمل الحراري\استطاعة التبريد العظمى))*الفرق الأعظمي في درجة الحرارة
-حيث Delta t تمثل الفرق الحقيقي بدرجات الحرارة و الذي ستختبره بين الوجهين الساخن و البارد
-الحمل الحراري هو مقدار الحرارة الناتجة عن الجسم المراد تبريده "هنا المعالج" مقدراً بالواط
-استطاعة التبريد العظمى هي سعة التبريد العظمى نفسها

هنا بعض الأمثلة التوضيحية "الشخص الذي تعب من كم المعلومات يرتاح قليلا ما زلنا في أول المشوار"
بفرض أن المعالج لدينا ينتج 60 واط من الحرارة و سأقوم بأعطاء مثالة من أنواع وحدة التبريد الكهراحراري بمخلف الاستطاعات
- استطاعة 40 واط
يكون Delta t في هذه الحالة -34 درجة أي أننا نقوم بتسخين المعالج وليس تبريدة "حيث Delta t هي درجة حرارة السطح الساخن - درجة حرارة السطح البارد وبما أن درجة الحرارة سالبة فهذا يعني أن السطح البارد اسخن من السطح الساخن" وستكون نتيجة هذا الخطا معالج مشوي على الفحم
-استطاعة 60 واط
يكون Delta t في هذه الحالة 0 أي أننا نقوم بصرف الطاقة فقط دون تبريد
-استطاعة 176 واط
يكون Delta t في هذه الحالة 46 درجة وهي فرق جيد بين درجتي الحرارة بين السطحين
-استطاعة 226 واط
يكون Delta t في هذه الحالة 51 درجة أي زيادة 28% في الاستطاعة من أجل 11% زيادة في الفرق بين درجتي الحرارة بين السطحين الساخن والبارد

نتيجة مما سبق :
كلما ازدادت سعة التبريد مقارنة بالحمل الحراري كلما اقترب الفرق بين السطحين إلى القيمة المثالية 69 درجة سيلزيوس وكلما اقتربنا من القيمة المثالية احتجنا إلى المزيد و المزيد من الاستطاعة "العلاقة غير خطية ---> لمحبي الرياضيات"


5-معرفة خصائص المعالج الحرارية
هناك العديد من الطرق لمعرفة كمية الحرارة الصادرة من المعالج ومنها الوثائق والمستندات من مصنع المعالج "AMD & Intel" أو الانترنت و يوجد هذا الرابط https://www.benchtest.com
/calc.html
ويمكن للسهولة اعتبار أن استطاعة المعالج الاساسية كـ125 واط و 140 واط و 95واط هي نفسها مقدار الاستطاعة الحرارية التي يقدمها المعالج
ملاحظة : الرابط الأخير يحوي على كثير من المعلومات المفيدة و القديمة بعض الشيء و في حال أي سؤال أنا جاهز


6-المخاطر وكيفية تجنبها
-إن أكبر خطر يحيط بوحدة التبريد الكهروحراري هو انخفاض الطاقة حيث أن الكثيرين قاموا بشواء معالجهم الجديد بسبب هذه المشكلة و تجنها سهل فقط يجب أن لا يتم تغذية المعالج "أو الحاسب ككل طبعاً" إلا عند التأكد من التغذية الكاملة إلى وحدة التبريد الكهروحراري "سأقوم بعرض دارة الكترونية لاحقا تقوم بفصل التغذية عن الحاسب ما لم تكن وحدة التبريد الكهروحراري مغذاة بشكل صحيح"
-السبب الثاني لشواء معالجك هو عدم كفاية جهاز التبريد الخاص بك لتبريد الوجه الساخن لوحدة التبريد الكهروحراري "كما ذكرت سابقا فوحدة التبريد الكهروحراري هي وحدة دعم وليست وحدة تبريد مستقل"
و ستتوضح الفكرة لاحقاً


7-حساب درجة الحرارة الفعلية للسطح البارد
نعلم أن Delta t تمثل الفرق بدرجات الحرارة ولا تمثل درجة الحرارة التي نحصل عليها من السطح البارد إذ أن درجة حرارة السطح البارد تساوي إلى درجة حرارة السطح الساخن ناقص Delta t
أي
The cold side temp = the hot side temp - Delta t
كمثال إذا فرضنا أن Delta t قيمتها 50 و أن درجة حرارة السطح الساخن 25 فتكون درجة حرارة السطح البارد -25 وإذا ازدادت درجة حرارة السطح الساخن إلى 50 تكون درجة حرارة السطح البارد هي الصفر


8-النقطة الحرجة : التحكم بدرجة حرارة السطح الساخن
بعدما عرفنا أن درجة حرارة السطح البارد مرتبطة بشكل وثيق مع درجة حرارة السطح الساخن وعلى ذلك يجب تبريد السطح الساخن حتى نحصل على إنخفاض في درجة الحرارة للسطح البارد
لنعد إلى عالم الواقع ونرى ما حدث مع فلان
اراد فلان أن يستخدم وحدة التبريد الكهروحراري لمعالجه الذي يعطي 60 واط من الحرارة وكان لدى فلان مشتت سحري يستطيع أن يخفض درجة الحرارة لمعالجه إلى درجة الحرارة المحيطية "وهي 25 درجة سيليزيوس" وعلى فرض أنه استخدم وحدة التبريد الكهروحراري ذات 226 واط فكانت قيمة Delta t هي 51 وبما أن درجة حرارة السطح الساخن 25 فتكون درجة حرارة السطح البارد -26 درجة وهي قيمة رائعة ولكن فلان عندما قام بتجربته حصل على معالج مشوي "على الفحم" لماذا ؟؟؟ لأني نسي أحد أهم العوامل (وهو الحرارة الناتجة عن عملية التبريد)
أين تذهب الـ226 والط المقدمة لوحدة التبريد الكهروحراري؟ حسب قانون مصونية الطاقة يجب أن تتحول إلى نوع أخر من الطاقة وحسب جول فإن هذه الطاقة ستتحول إلى طاقة حرارية.
أي على مشتت فلان الأن التعامل مع 286=60+226 بدلا من 60 واط من المعالج لوحده ومن هنا ينشأ لدينا مفهوم يدعى الحمل الحراري الكلي ويعطى بالعلاقة
الحمل الحراري الكلي = الحمل الحراري "الحرارة المقدمة من المعالج مقدرة بالواط" + استطاعة التبريد العظمى"

THL = Heat Load + Max Cooling Power

-THL (Total Heat Load) = The heat load generated on the hot-side of the TEC in watts.
-Heat Load = The heat generated (in this case) by the processor measured in watts.
-Max Cooling Power = Maximum TEC rating in watts. (e.g. a 226-watt TEC)

9-كيفية تبريد السطح الساخن "الصعوبة"
يفضل دائما استخدام التبريد المائي مع وحدة التبريد الكهراحراري لأنه كما وجدنا نحن بحاجة إلى استطاعة تبريد عالية للتغلب على الحمل الحراري الكلي ويجب أن يتم وجود عزل ممتاز للوحة الأم خوفا من التكثف
التكثف: هو تحول بخار الماء الموجود في الهواء إلى ندى "ماء" على اللوحة الأم "أسوء كابوس يمكن أن تحلم به وأنت تقوم بعملية التبريد" لذلك لا بد من عزل كامل للوحة الأم و مقبس المعالج و سأقوم بوضع بعض الروابط التي قد تفيد في هذه العملية


10-أمور أخرى يجب الاهتمام بها
-على سبيل المثال وحدة التبريد الكهراحراري الـ226 وات تستجر ما يقارب 25 أمبير للعمل لذلك يجب التأكد من قدرة خط وحدة التغذية من تأمين هذا التيار "أي يجب النظر إلى PSU +12 Volt Rail وليس إلى استطاعة وحدة التغذية بشكل كامل" وبما أنه لا يوجد 100% مردود لذلك يجب أن يكون هناك إمكانية تلبية احتياجات وحدة التبريد الكهراحراري.
-ولا ننسى أن هناك مردود لنقل الحرارة من السطح البارد إلى سطح المعالج أي أنه لن تنطبق الحسابات التي قمنا بها حتى الأن على درجة سطح المعالج بل على السطح البارد ولحساب درجة الحرارة لسطح المعالج يجب أن نقوم بضرب درجة حرارة السطح البارد بمردود النقل الحراري للمعجونة التبريد..
-عند وصل وحدة التبريد الكهراحراري بشكل معاكس "الأحمر مع - و الاسود مع +" فإننا بذلك نحضر عشاء مشوي عفوا معالج مشوي لذلك أفضل إضافة ثنائي المسار "Didoe" لكابل تغذية وحدة التبريد الكهراحراري.
-الاستطاعات الشائعة لوحدة التبريد الكهراحراري هي 40 80 176 226 واط وكلها لن تزيد الفرق الحراري عن 69 درجة
-لن أقوم بذكر أو الإجابة عن تعدد طبقات وحدات التبريد الكهراحراري في هذا الموضوع لأنها موضوع متقدم ولكن سأجيب عنها في حال وضعت بموضوع خاص

11-التكلفة
سعر وحدة التبريد الكهراحراري يعتد بشكل اساسي على استطاعتها فكلما ازدات الاستطاعة ارتفع سعرها
وهي تباع إما على شكل شريحة سيراميكية مستقلة كما في الصورة في الموضوع أو على شكل TEC Cooling block كما في الاشكال

اسعار الشرائح تتراوح بين 14$ لل80 واط و 30$ لل226 واط اضغط هنا
أما TEC Cooling block فاسعارها تختلف حسب نوع التبريد بالهواء أو الماء ولكن غالبا اسعارها فوق ال100$ كمثال هنا
فمثلا إذا كان لدى أحد الأشخاص تبريد مائي جاهز فإنه مقابل 50$ يستطيع الوصول إلى درجات حرارة منخفضة حيث ال50 هي تكلفة الشريحة بالإضافة إلى وحدة التغذية و الدارارت الالكترونية المساعدة

في النهاية إذا اعجبك الموضوع فقيمه وإذا اعجبك الأسلوب فقيمني
ولأي ملاحظة عن الاسلوب "راسلني على الخاص" فهذا الموضوع لمناقشة الـ TEC وليس اسلوبي
تم عمل هذا الموضوع بتشجيع من الأخ EN.Ahmed و الأخ ramy 64
هذا الموضوع عمل شخصي لذلك لا اسمح باستخدامه إلا بأذن من صاحب الموضوع "AKA I"

المراجع
ويكيبيديا
The Ultimate Guide to TECs by eweast from XtremeSystems Forums