什么叫半导体制冷 半导体制冷(3)
2023-04-07 来源:文库网
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300W，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。
需要软硬件精密无缝配合
CPU运行过程中，频率与功耗波动较大，需要制冷片的能够灵敏的针对CPU功耗、温度进行实时调节，而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环。如果要让TEC变得智能好用，就需要软硬件结合的控制系统，从频率，温度，湿度，功耗，电压全方位的进行接管监测。Intel Cryo项目的成立，进行各种软硬件通用标准的建立，就是为了让这一套完整的TEC制冷方式能够实现民用化。
成本较高
目前应用于PC领域的TEC半导体散热器，已知的酷冷至尊ML360 Sub-Zero零售价为2999元人民币，EK-QuantumX Delta TEC仅分体式水冷头约合2350元人民币 还需购买冷排水泵等其他部件自行组建，在没有足够量产的情况下，加之新品新技术溢价，成本一定非常高昂，售价比常规360一体式水冷高出2~3倍。至少在TEC类型散热器的产品生命周期前端，并不会进入寻常家庭被普遍使用。
TEC半导体制冷应用于PC的优点
制冷温度可以低于环境温度甚至低于0度
TEC散热器能够产生足够大的温差，只要功率足够，从 90℃到-130℃都可以实现。当CPU功耗处于某个较低的功耗区间时，TEC能让其内核的温度低于环境温度。注意，这种低于环境温度的情形，并非任何时候民用低功率TEC散热器都能达成，仅能在CPU低功耗运行的过程中能够产生低温。
TEC具备的大温差制冷特性，能更好解决晶体管密集的工艺下的发热问题
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300W，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。
需要软硬件精密无缝配合
CPU运行过程中，频率与功耗波动较大，需要制冷片的能够灵敏的针对CPU功耗、温度进行实时调节，而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环。如果要让TEC变得智能好用，就需要软硬件结合的控制系统，从频率，温度，湿度，功耗，电压全方位的进行接管监测。Intel Cryo项目的成立，进行各种软硬件通用标准的建立，就是为了让这一套完整的TEC制冷方式能够实现民用化。
成本较高
目前应用于PC领域的TEC半导体散热器，已知的酷冷至尊ML360 Sub-Zero零售价为2999元人民币，EK-QuantumX Delta TEC仅分体式水冷头约合2350元人民币 还需购买冷排水泵等其他部件自行组建，在没有足够量产的情况下，加之新品新技术溢价，成本一定非常高昂，售价比常规360一体式水冷高出2~3倍。至少在TEC类型散热器的产品生命周期前端，并不会进入寻常家庭被普遍使用。
TEC半导体制冷应用于PC的优点
制冷温度可以低于环境温度甚至低于0度
TEC散热器能够产生足够大的温差，只要功率足够，从 90℃到-130℃都可以实现。当CPU功耗处于某个较低的功耗区间时，TEC能让其内核的温度低于环境温度。注意，这种低于环境温度的情形，并非任何时候民用低功率TEC散热器都能达成，仅能在CPU低功耗运行的过程中能够产生低温。
TEC具备的大温差制冷特性，能更好解决晶体管密集的工艺下的发热问题
