半导体制冷|什么叫半导体制冷( 二 )

通俗的讲就是，第一，热量能够产生电；第二，电也能让导体产生温差；第三，电流在温差不均匀导体中流过时，还会吸收并释放一定的热量，形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制，便能够形成各种可控的具体应用，比如热能（温差）发电：可运用于军事，航天，民用能源等各种领域；热电（温差电）制冷：与温差发电相反，将电能转化为热能，制造出温差电制冷机，由于这种类型的只能装置无需压缩机，也无需氟利昂等制冷剂，而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外，热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品，没有活动部件，也就没有磨损，维护成本很低，同样适用于军事，航天，工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”，便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。
什么是半导体制冷片（ThermoElectric Cooling）？刚才讲到的帕尔帖效应（Peltier effect）自发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱，无法应用于实际。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件：热电致冷器（ThermoElectric Cooling，简称TEC）。

与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优势：1. 可以把温度降至室温以下；2. 精确温控（使用闭环温控电路，精度可达0.1℃）；3. 高可靠性（制冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；4. 没有工作噪音。

图片来源：《热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究》曹志高 2010
在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。帕尔帖模块也称作热泵（heatpumps），它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端（被冷却物体）的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。能够运用与PC散热器的半导体制冷片（TEC），便是这样的原理。TEC散热片的吸热（冷）端贴近发热的CPU，给CPU降温，TEC另外一面进行放热，其具备无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，制冷速度极快，易于进行温差冷量可控调节。
听起来很适合PC芯片这种功耗波动较大的发热体，而且并不是新的技术，为什么以前厂商并没有深入尝试将TEC制冷应用于PC散热领域呢？
TEC半导体制冷应用于PC散热的难点

能耗较高对普通家用PC来说，使用TEC散热器的能耗比过低。目前半导体制冷系数较小，制冷时消耗的能量远大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumX Delta TEC水冷头满负荷工况功耗为200W，甚至某些情况下超过了它的服务对象CPU 。我们的电脑10年主流电源功率为300百思特网W，5年前约为400W，如今也不过500W左右，并没有足够多的盈余的功率空间留给TEC制冷设备使用。所以除了少部分拥有大功率电源的高端台式机（额定750W以上），TEC散热器现阶段还无法成为主流的PC散热解决方案。
大功率TEC无法独立工作TEC制冷片在工作时，冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热，需要散去的热量包含帕尔贴效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。也就是说，TEC制冷装置若要进行大功率制冷输出给CPU散热的同时，自身也需要被持续散热，应用在PC领域的话，就是还需要叠加较高性能的水冷来进行TEC制冷片的散热。所以无论是EK-QuantumX Delta TEC还是酷冷至尊ML360 Sub-Zero，最终呈现的TEC产品均为水冷+TEC制冷装置融合的产物。
对于压制高功耗CPU的散热性能领先幅度存疑按照目前厂商已公布的数据，EK TEC结合分体式水冷的情况下，最多压制338W的CPU，酷冷TEC在结合360一体式水冷的情况下，可压制最大功率为250W的CPU，对比传统的高性能360水冷散热器，在面对全核满载的高功耗处理器的情况下，领先幅度可能没有想象的大。
工作温差较大易导致主板元器件结露损坏空气中的水分在面对TEC制造的较大温差环境，在低于室温的部件位置容易形成结露，需要在处理器周围设计一定的密封环境，避免结露风险。