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什么叫半导体制冷 半导体制冷( 二 )


什么是热电制冷？刚才说的帕尔贴效应，从发现到现在100多年都没有实际应用，因为金属半导体的帕尔贴效应太弱，无法实际应用 。直到上世纪90年代，前苏联科学家岳飞的研究表明，碲化铋基化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了一种实用的半导体电子制冷元件:热电制冷(TEC) 。
与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优点:1 .它能把温度降低到室温以下；2.精确控温(采用闭环控温电路，精度可达0.1℃)；3.可靠性高(制冷组件为固体器件，无运动部件，使用寿命超过20万小时，故障率低)；4.工作时没有噪音 。
图:热管冷却半导体冷箱的理论分析和实验研究曹2010
在TEC制冷片中，半导体通过金属导板连接形成回路 。当电流从N经过P时，电场使N中的电子和P中的空空穴反向流动 。它们产生的能量来自晶格的热能，所以在导流板上吸热，在另一端放热，产生温差 。珀尔帖模块，也称为热泵，可用于加热和冷却 。半导体制冷器是一种传热工具 。只要热端(被冷却的物体)的温度高于一定温度，半导体制冷器就会开始发挥作用，使冷热端的温度逐渐平衡，从而起到制冷的作用 。这就是半导体制冷芯片(TEC)可以与PC散热器一起使用的原理 。TEC的散热片吸热(冷)端靠近发热的CPU，给CPU降温，而TEC的另一端则散发热量 。它具有无噪音、无振动、无需制冷剂、体积小、重量轻、运行可靠、冷却速度极快、温差和制冷量易于控制等特点 。
听起来很适合PC芯片这种功耗波动大的发热体，也不是什么新技术 。为什么过去厂商没有尝试将TEC制冷应用于PC散热？
TEC制冷应用于PC散热的难点
高能耗对于普通家用PC来说，TEC散热器的能耗比太低了 。目前半导体制冷系数小，制冷消耗的能量远大于制冷量 。比如目前EK公开的EK-QuantumX Delta TEC水冷头，满载时功耗为200W，甚至在某些情况下超过了它的服务对象CPU 。我们电脑10年的主流电源是300W，5年前是400W左右，现在只有500W左右 。TEC制冷设备没有足够的剩余功率空空间 。所以，除了少数大功率电源(额定750W以上)的高端台式机，TEC散热器现阶段还不能成为主流的PC散热解决方案 。
大功率TEC不能独立工作 。TEC制冷片在工作时，需要热端有效散热，冷端冷却 。要耗散的热量包括由珀尔帖效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热 。也就是说，如果TEC制冷设备要对CPU进行大功率的制冷输出进行散热，也需要持续制冷 。如果应用到PC领域，还需要叠加高性能水冷来冷却TEC制冷片 。所以无论是EK-QuantumX台达TEC还是超酷ML360零度以下，最终的TEC产品都是水冷和TEC制冷装置的融合产品 。
质疑压制大功率CPU散热性能领先幅度【什么叫半导体制冷 半导体制冷】从厂商公布的数据来看，EK TEC配合分体式水冷最多能压制338W CPU，Cool TEC配合360一体式水冷最多能压制250W CPU 。相比传统的高性能360水冷散热器，面对全核满负荷大功率处理器，领先幅度可能没有想象中那么大 。
工作温差大容易导致主板元器件冷凝损坏 。空气体中的水分在面对TEC制造的大温差环境时，容易在低于室温的部位形成凝露，所以需要在处理器周围设计一定的密封环境，避免凝露的风险 。
需要软件和硬件精准无缝的配合 。CPU运行过程中，频率和功耗波动较大，需要制冷片能够实时灵敏地调节CPU功耗和温度，而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环 。TEC要想做到智能易用，需要一个软硬件结合的控制系统，可以从频率、温度、湿度、功耗、电压等方面接管和监控 。Intel Cryo项目的建立，各种软硬件通用标准的建立，就是为了让这套完整的TEC制冷方法实现民用化 。
成本更高目前PC领域使用的TEC半导体散热器零售价为2999人民币，EK-QuantumX Delta TEC的零售价仅为2350人民币左右(冷排水泵等其他部件需要购买自建) 。在没有足够的量产和新产品新技术溢价的情况下，成本肯定是很高的，售价比常规的360一体化水冷高出2~3倍 。至少在TEC散热器的产品生命周期前端，不会在普通家庭中广泛使用 。
TEC制冷应用于PC机的优势
制冷温度可以低于环境温度或者甚至低于0度 。TEC可以产生足够大的温差，只要功率足够，可以达到+90℃到-130℃ 。当CPU功耗处于较低功耗范围时，TEC可以使其核心温度低于环境温度 。注意，这种低于环境温度的情况是民用小功率TEC散热器在任何时候都无法达到的，只能在低功率CPU运行过程中产生低温 。
TEC具有大温差制冷特性，可以较好地解决晶体管密集工艺中的发热问题 。随着工艺技术的提高和晶体管密度的增加，CPU核的封装管芯面积越来越小 。根据热力学原理，导热面积越小，维持导热性能需要的温差越大，传统的温差较小的散热形式无法解决这一问题 。即使CPU功耗不高，信息资源网络仍然会严重积热(散热口面积不够)，导致频率下限 。然而，CPU的发展注定了晶体管密度将继续改善信息资源网络 。TEC天然具有大温差特性(吸热端的温度可以轻松达到-20℃)，这可能是解决小面积高导热问题的最佳方案 。


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