半导体制冷技术理论简介
半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷，是由半导体所组成的一种冷却装置，於1960年左右才出现，然而其理论基础帕尔帖效应可追溯到19世纪。如图：
这是由 X 及 Y 两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应。它是建立在帕尔帖效应的原理基础上，这个古老的温差电现象早在19世纪初期帕尔帖就发现铋—锑组成的热电偶，帕尔帖效应很显著。塞贝克也收集了少量的半导体材料，都因温差电动势，数值小，无实用价值。因此，帕尔帖效应发现后的一百多年里，这个效应一直无法到应用。
直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年前发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体致冷器件。
我国半导体致冷技术始于50年代末、60年代初。当时在国际上也是比较早的研究单位之一。60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面研究半导体致冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力与物力，获得了半导体致冷器。因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其二次产品的开发和应用。
半导体致冷器件结构示意图：
半导体制冷现象简述
在科技领域中存在着多种致冷方法，吸收式、机械压缩式和半导体致冷 ,电子致冷的现象是温差电效应：
1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）
1821年，德国入赛贝克发现了当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温度，则在导体中产一个温差电动势：
V=a△T
式中:V为温差电动势
a为温差电动势率(赛贝克系数)
△T为接点之间的温差
2、帕尔帖效应（PELTIER EFFECT）
1934年法国人帕尔帖发现了与塞贝克效应的逆效应即当电流流经两面个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象。放热或吸热由电流的大小来决定。
Q=aTI
式中：Q为放热或吸热功率
a为熳差电动势率
T为冷接点温度
I为工作电流
3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）
当电流通过存有温度梯度的导体时，导体要放出或吸收热量。
Qτ=τI△T
式中：Q为放热或吸热功率。
τ为汤姆逊系数
I为工作电流
△T为温度梯度
半导体致冷原理简述
1、半导体致冷的原理：把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称热端如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。由于一个电偶产生热效应较小（一般约 IKcal／h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。 所以半导体的致冷即一端吸热一端放热，是由载流子（电子和空穴）流过结点，由势能的变化而引起的能量传递，这是半导体致冷的本质。
2、半导体致冷的过程：电子由负极出发经过金属片流向P点4，到P型，再流向P点3，结点金属片从结点2，到达N型，再返过结点1，到达金属片回到电源正极。由于左半部是P型，导电方式是空穴，空穴流动方向与电子流动方向相反，所以空穴是结点3金属片，到P型，再到结点4金属片，最后到电源负极。结点4金属中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量， 当空穴在电场作用下要从3到达P型，必须要增加能量，并把这部分势能转蛮为空穴的垫能。因而在结点3处的1金属被冷却下来，当空穴流向4时，金属片曲于P型中空穴能量太子金属中空穴的能量，因而要释放多余的势能，要将热放出来这4处的金属片是被加热。右半部是N型，与金属片联接是靠自由电子导电的，而在结点2金属中势能低于N型电子势能，当自由电子在电场作用1电子通过结点2到达 N型时必然要增加垫能，这部分势能只能从金属片势能取得，同时必然使结点2金属片冷下来。当电子由N型流向结点1金属片时， 由于电子从势能较高的地方流向势能低处，故要释放多余的垫能。并变成热能，在结点1处使金属片加热，是热端。
3、半导体致冷器件的性能：在应用致冷器前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外，还有两个，一个是焦耳热Qj，另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。
产冷量Qc=Qπ-Qj-Qk =（2p-2n）.Tc.I-1/2j2R-K（Th-Tc）
（式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。 ）
热端散掉的热Qh=Qπ+Qj-Qk =（2p-2n）.Th.I+1/2I2R-K（Th-Tc）
从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是“热泵”的一种：
Qh-Qc=I2R=P
由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。
Qh=P+Qc
Qc=Qh-P
半导体制冷组件的应用
半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：
1、不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。
3、半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
4、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。
5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。
6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
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，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：
(1)军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
(2)医疗方面：冷刀、冷台、白内障摘除器、血液分析仪等。
(3)实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种高低温实验仪器。
(4)专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑散热器等。
(5)日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、除湿机等。
此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。
半导体制冷组件的选择
半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：
1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。
2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最佳的致冷效果，电堆必须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热器表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度。
3、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。
4、确定电堆工作对象及热负载的大小。除了受热端温度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则无意义。
5、确定致冷器的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因为电堆的价格随着级数的增加而大大提高。
6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件0.1v），因而元件对数就得增加。
7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。
上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷器件。一般的要求：
1、给定使用的环境温度Th_______ ℃
2、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc_______ ℃
3、已知热负载Q(热功率Qp 、漏热Qt)_______ W
已知Th、Tc和Q，再根据温差致冷器的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量。
4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。
5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Q/Qc
选择步骤：
1、确定致冷器的型号规格。
2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图。
3、由使用环境温度和散热方式确定致冷器的热端温度Th，得出相近的Tc。
4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。
5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Q/Qc
半导体制冷组件的散热
半导体致冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷器件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷器的几种散热方式：
1、自然散热。
采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热器，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。
2、充液散热。
用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。
3、强迫风冷散热。
工作气氛为流动空气，散热器所用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。
4、真空潜热散热。
最常用的就是“热管”散热器，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。
半导体制冷组件的电源选择
半导体致冷器是输入直流电源工作的，必须配备专用电源。
1、直流电源。直流电源的优点是可以直接使用，不需要转换，缺点是电压电流必须适用于半导体致冷器，有些可以通过半导体致冷器的串、并联的方式解决。
2、交流电流。这是一个最普通的电源，使用时必须整流为直流才能供致冷器使用。由于致冷器件是低电压大电流器件，应用时先降压、整流、滤波，有些为了方便使用还要加上温度测量，温度控制，电流控制等。
3、由于半导体致冷器是直流电源供应，电源的波纹系数必须小于10%，否则对致冷效果有较大的影响。
4、半导体致冷器的工作电压及电流必须符合所工作器件的需要，例如：型号为TEC112706的器件，则127为致冷器件，PN的电偶对数，致冷器的工作极限电压V=电偶对数×0.11，06为允许通过最大的电流值。
5、致冷器冷热交换时的通电必须待两端面恢复到室温时（一般需要5分钟以上方可进行），否则易造成致冷器的线路损坏和陶瓷片的破裂。
6、半导体致冷器电源的电子线路都是常见通用的，在一般的电子技术参考书中都可以查到，如下图就是简单的两个变压整流、滤波、电源图。
半导体制冷组件的安装
致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。在生产上具体用那一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉，将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操作过程。
1、焊接。
焊接的安装方法要求致冷器件外表面必须是金属化，储冷板和散热板也必须能够上焊料（如：铜材的储冷板或散热板）安装时先将储冷板、散热板、致冷器进行加温，（温度和焊料的熔点差不多）在各安装表面都熔上约70℃～110℃之间的低温焊料0.1mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面，致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，确保工作面的接触良好后冷却，该安装方法较复杂，不易维修，一般应用在较特殊的场合。
2、粘合。
粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在致冷器件、储冷板、散热板的安装面上。粘合剂的厚度在0.03mm，将致冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把致冷器固定在散热板或储冷板的地方。
3、螺柱压缩固定。
螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面、致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。
以上三种安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。下图是一种压缩固定安装方法供用户参考。
半导体制冷技术研究
摘要：本文讨论了目前半导体制冷技术存在的问题，详尽分析了半导体制冷的特点、应用及发展动向。
关键词：半导体,制冷技术,半导体制冷技术
传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其它化合物制剂来实现制冷，氟利昂或其它化合物制剂的泄漏，对周围环境会造成一定的污染，更主要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经相继被淘汰出局。而现代化高科技的半导体制冷技术，不需任何制冷剂，仅仅利用半导体的珀尔帖效应就能实现制冷。在致力于保护全球环境的今天，研制开发一种性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球制冷技术科学研究领域的一个重要课题。所以半导体制冷技术具有广阔的发展前景。导体的热电效应主要包括：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。而半导体制冷技术是利用了珀尔帖效应。
珀尔帖效应是塞贝克效应的逆效应，珀尔帖效应所产生的热量称为珀尔帖热，其大小与回路的电流强度成正比，方向将随着电流方向的改变而发生变更，即冷端与热端互换。
其机理主要是电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载体从高能级的材料向低能级的材料运动时，便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从低能级的材料向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以热的形式放出或吸收。金属材料的珀尔帖效应较微弱，而半导体材料的珀尔帖效应则强得多，所以在实际工程中采用半导体制冷。
1 半导体制冷技术的特点
与压缩式制冷机相比，半导体制冷器具有以下优点：
(1)无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠性高。
(2)不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。
(3)半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应
用。
(4)作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节
器制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。
(5)尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。
半导体制冷器虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。
(1)在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。
(2)电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用交流电源，就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的
(3)电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用。
2 半导体制冷技术的应用
半导体制冷器作为先进的无污染制冷器材，将在工农业、医疗、科研、国防等领域得到广泛的应用。目前国内外半导体制冷器已有数十个应用项目，新的应用项目仍在不断开发中。
(1)在电子工业中，半导体制冷器作为低温温度稳定器，可用来提高电子元器件的性能。例如，在半导体制冷器产生的低温环境中，红外探测器性能明显提高，即响应时间缩短，灵敏度提高，响应波长展宽，背景噪音下降；光电倍增管暗电流和噪声降低；石英晶体振荡频率稳定等等。
(2)半导体制冷器作为一种冷源，可以代替干冰，实现无冷媒的冷源，用于测量、控制和提高工艺性能。例如，在真空扩散泵中采用冷阱，真空度可提高一个数量级。在实验室中，半导体制冷器用于样品的凝固点、浊点分析和测定时，可对任意点进行简易可靠的温度控制，减小了通常用冰、二氧化碳干冰或机械制冷所带来的麻烦。
(3)半导体制冷器可用于气象学中的露点温度测定、照片及x光底片定影显影、材料行业的低温物理性能实验、工业气体含水量的测定与控制等。
(4)在医疗和临床上，病理半导体冷冻机已得到广泛的应用。因此，手术病理
报告
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十几分钟就可做出(常规石蜡切片一般要23天)，大大提高了诊断周期，为外科医生及时确定手术
方案
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提供了可靠的依据。在脑外颅脑降温帽、眼科白内障摘除器、半导体冷冻刀、皮肤冷冻治疗中也得到应用。用半导体制冷器可制作冷热一体箱，即将冷端做成冰箱，热端做成温箱，实现一机两用，节省能源。用半
导体制冷器做成的药用半导体冷藏箱，可以很好的保存血浆、疫苗、血清、药品等。
(5)计算机主板上的CPU正常工作时就会散发热量，多数采用小风扇降温，噪音较大。如果将小风扇改为半导体制冷器，降温效果会更好。
(6)半导体制冷器也使用在车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下的空调、冷藏和降湿装置。随着制冷性能的不断提高，成本逐渐降低，半导体制冷器必将得到广泛的应用。
3 半导体制冷材料及器件的发展动向
在过去的二十多年里，半导体制冷材料及其器件的研究没有取得突破性的进展，要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数(zT)。目前世界上具有最高zT值的半导体制冷材料是Bi21b合金。最近，在热电(电子)制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷
材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展。这两种新型半导体制冷材料及器件分别为半导体量子阱超晶格薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。用半导体量子阱超晶格结构获得较高zT值的设想是美国Massachusetts技术学院的L．D．Hievs及M．S．Dre8 L halls于1993年首先提出来的。他们在理论上计算了用单带材料及双带材料分别形成二维量子阱结构后对zI’值的影响。所谓单带材料就是指具有一种载流子(电子或空穴)的半导体热
电材料，目前具有最高zI'值的热电材料都是单带材料。双带材料如半金属不是理想的热电材料，用这些材料形成二维量子阱超晶格结构之后，可以有效地分离双带，转变成有效的单载流子系统材料。他们的理论计算表明二维量子阱超品格结构的zr值比单带材料有显著提高。在300K下，zT值可以达到3．0以上，是传统热电材料Bi2 合金的3倍。这一理论结果的发表，引起了科研工作者的研究兴趣，因为如果从实验上zT值能够达到这一值，可望热电制冷技术能与其它制冷技术如机械制冷技术相抗衡。目前开展量子阱超晶格结构的半导体制冷材料及其器件研究的国家有美国，日本，乌克兰，德国等，其中以美国，日本的研究力量最为强大。
另一个值得关注的问题足高温半导体热电材料及其器件的研究。美国发现一种新型的热电材料，这种材料在高温下具有优良的输运特性，它是方钴大家族的成员，在热电应用方面显示出巨大的潜力。这种热电材料具有多晶结构，在高温下(一般在650度 750度)用粉末冶金技术制备而成，在350度一750度的温度范围内显示出超常的热电特性。例如，CeFe3．5Co0．5Sb12体材料，具有P型电导率，在600度下优值系数zT达到1．4，与其它能量转换材料相比，用这种材料制成的组件有一定的优势，如可靠性强，适应于高温不良环境，有利于环保等。但这种材料也有其弱点，其晶格热导率较高，在300K下可以达到0．01 0．15W／cmK。目前科研工作者正在尝试用不同技术来减小该材料的晶格热导率，已有的实验结果表明，这种材料的热导率有可能得到进一步降低，以获得较大的优值系数。
我国在以上两个方面的研究工作尚有一个空白。就最近两届国际热电技术年会来说，第十五届国际热电技术年会于1996年3月在美国加利福尼亚州召开，我国没有代表参加这次年会，第十六届国际热电技术年会于1997年8月在德国召开，我国有两个单位提交了论文，但工作主要集中在传统热电制冷组件方面，据了解，我国已有实验室开始从事量子阱超晶格热电材料的研究工作。运用半导体技术进行家电制冷，将消除由生产工艺带来的环境污染，同时也大大的节约了能源，因此对于这项技术的研发成为一个热点。然而，由于技术水平等原因，开发大功率的半导体制冷元件
也一直是个难点。
目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制热效率应用方面则率先开辟了新的领域。
压制好由于频率提升带来的大发热量一直是众overclocker讨论的一个问题，从风冷、水冷，到压缩机、半导体制冷，再到变态的液氮、干冰，用尽降温方法。比较BT的风冷散热器和水冷由于其低成本和易用性的特点已经成为入门级超频发烧友的
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
配置，缺点在于：即使是最好的风冷或水冷，也只能把温度控制得接近或等于环境温度；为了把温度降得低于零度，发烧友们选择了压缩机和半导体制冷，VapoChill和Mach系列压缩机通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-50℃，而国外发烧友自制的三级压缩机系统甚至达到了-196℃，也就是相当于液氮的蒸发温度，但是由于压缩机系统高昂的价格，只能被极少数发烧友接受；液氮和干冰也许是骨灰极发烧友才会用到的极限利器，但是蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，没有实用价值。所以我选择了半导体制冷。本文将介绍DIY半导体制冷系统的过程，带你领略把CPU压在零度以下的快感。
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首先介绍一下半导体制冷的原理：
把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称热端如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。由于一个电偶产生热效应较小（一般约 IKcal／h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。 所以半导体的致冷即一端吸热一端放热，是由载流子（电子和空穴）流过结点，由势能的变化而引起的能量传递，这是半导体致冷的本质，即帕尔帖效应。
半导体致冷器件结构示意图：
闲话少说，马上开始！
这块铜在整套系统中负责热交换工作，直接接触CPU和两块半导体制冷片，所以作了一些抛光处理，提高散热效果。
有机玻璃加工的制冷片支架
扣具，这套系统为Socket939 CPU
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
，所以没有考虑其他平台，诸看官可以根据自己的情况，设计462/478/754/775的扣具
制冷片安装示意图
两个水冷头和两块半导体制冷片来个合影，两块半导体制冷片通过导热铜块给CPU冷却，水冷头则给半导体制冷片的热端降温，从而达到把CPU温度控制在室温甚至零度以下的目的。这里采用的是两片输入功率231W的制冷片，输入电压15V，制冷功率128W。
自制的水泵+水箱磁悬浮套件
现在我们开始组装
先把制冷片支架安装在导热铜块上
一侧安装好了，在安装另一侧
两边都安装好了系酱紫滴 PS:铜块打磨得亮吧？
在半导体制冷片的冷面涂抹一些导热硅脂，安装之前一定要搞清楚半导体制冷片哪面是冷面哪面是热面，可以用电池的两极接上两根导线试一下，冷热面搞反的话制冷片就有被烧毁的危险
把半导体制冷片安装在导热铜块上，热面也涂抹上导热硅脂
安装水冷头，制冷片和导热铜块以及水冷头接合要紧密，但是制冷片不能受力，受太大力的时候会把绝缘陶瓷片压碎。另一片制冷片也是一样的方法，装在导热铜块的另一面。
因为温度会降到零度以下，当温度与环境温度的温差超过8摄氏度时会结露，所以保温工作一定要做好。这里用到了聚氨酯保温泡沫，保温效果很好。
在外面再穿一层“衣服”——环氧树脂版，纯粹为了外观。
装上上盖。
把制冷片的两根导线固定在接线端子上。
装上扣具
把温度探头放在和CPU接触面的附近
和CPU接触的那一面周围也要保温。
装好水管，大功告成！
现在来试一下威力吧
接一盘水，拿个铝散热器
准备开始冰冻
全套实验设备合影
小弟的超频伴侣也来凑热闹
HYPERLINK "http://www.qdit.com/upload/newsimg/20050409210240.JPG" \t "_blank"
紧张的时刻到了，先给水泵通电，如果直接给半导体制冷片通电的话会有被烧毁的危险
再打开这个电源，直接把电压调到制冷片的耐压极限
这里用的是一个500W电源，电压可以在12v~19v之间调节
朝冷头呵一口气，呵呵，效果不错
温度下降很快，马上就-18了
半小时之后，冰块已经冻成了
冰冻成果欣赏
下面该上机测试了，在测试之前，主板也要作适当的保护，防止因为温差过大而结霜或者结露
先拆下CPU周围的散热器支架
把聚氨酯保温泡沫用剪刀修剪一下
然后再把散热器支架安装好
主板背面也要保护好
半导体制冷技术
实物图
半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷；这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。"帕尔帖效应"的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。 所以，"半导体制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。但当时由于使用的金属材料的热电性能较差，能量转换的效率很低，热电效应没有得到实质应用。直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于1945年前发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用。80年代以后，半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高，进一步开发热电制冷的应用领域。
二、半导体制冷片制冷原理
原理图
半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，上图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成. 半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆（如右图），以达到增强制冷（制热）的效果。以下三点是热电制冷的温差电效应。
1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）
一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势： ES=S.△T
式中：ES为温差电动势
S（?）为温差电动势率（塞贝克系数）
△T为接点之间的温差
2、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）
一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Qл=л.I л=aTc
式中：Qπ 为放热或吸热功率
π为比例系数，称为珀尔帖系数
I为工作电流
a为温差电动势率
Tc为冷接点温度
3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）
当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
Qτ=τ.I.△T
Qτ为放热或吸热功率
τ为汤姆逊系数
I为工作电流
△T为温度梯度
以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。
三、制冷片的技术应用
半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：
1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：
1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。
3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。
4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。
5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了
半导体制冷 自制冰镇啤酒凉杯
编者按：这篇文章成文于2005年11月1日，发表在《大众硬件》杂志上。是一篇非常另类的DIY改造文章。半导体可以发热也可以制冷。总之就是将热量从一处转化到另一处。利用这个原理我写了这篇文章。我个人认为这篇文章属于我DIY类文章比较有代表性的。不仅仅是改造的过程，还有实现改造的原理分析。相当精彩，推荐大家学习。
半导体制冷——自制冰镇啤酒凉杯
男人都喜欢喝啤酒，天气炎热的时候一杯冰镇啤酒更是能让人倍感凉爽。在休闲的时候约上几个好朋友，把酒言欢更是人生一大幸事。但是冰镇啤酒最大的敌人就是温度，从冰箱里取出的啤酒，倒入杯中很快就会变热了。尤其是在烈日炎炎的夏天更是如此。因此我就想利用手头现有的材料和工具，制作一只冰镇啤酒保温杯。这样我们随时随地就都可以喝道爽口的冰镇啤酒了。
珀尔帖效应和半导体制冷
起初我曾经使用过市面上的一些保温杯来盛啤酒，但是效果都不尽如人意。因为保温杯只是尽可能的保护啤酒的温度，减缓它的升温速度而已。保温杯不能直接对杯中的啤酒进行制冷。如果我们想要冷却啤酒，只能倚赖冰箱。但是科学的力量是无限的，凭借着我在处理器超频散热方面的一些经验，我终于想到了解决办法。那就是半导体制冷技术。
提到半导体制冷技术我们就不得不提起两个著名的温差电效应原理。1821年德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的半导体致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的，它是塞贝克效应的逆效应——两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。当这两种效应现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应非常微弱。然而科学技术飞速发展的今天，人们已经制造出很多新的半导体材料，这使得单级致冷组件的最大温差可达到70℃以上。
记得以前我在超赛扬300A的时候，曾经买过一块半导体制冷片。轻易的就可以将处理器降到0℃左右。不过此后我升级了处理器，这块强悍的半导体制冷片也被封存起来了。今天我就要让它在展神威。
如图1，我的半导体制冷片。
准备材料
在制作这个冰镇啤酒凉杯的时候，几乎所有的材料都是从家里的各个角落搜刮出来的。可以说整个DIY都是变废为宝，没有花一分钱。最为主要的器皿就是这个废旧的咖啡杯。
如图2，废旧的咖啡杯。它是电加热型的咖啡杯，内部电路出了故障现在已经不能加热了。不过这个旧咖啡杯给我留下了两件非常有用的东西。一个是咖啡杯的开关，另一个是电子温度计。
如图3，旧咖啡杯剩下的开关。
如图4，旧咖啡杯的电子温度计。
剩下的材料都比较好找了。300W的ATX电源一个，用来给半导体制冷片供电。8节2v的5号充电电池，即便以后家里停电的时候，我们仍然可以利用充电电池供电。1个CPU散热片，最好是全铜的这样散热效率最高，不会由于使用时间过长而烧毁半导体制冷片。集冷片一块，其实就是一小块厚厚的纯铜片，它会被安置在半导体制冷片的冷极上，这样可以更好的冷却啤酒。CPU散热硅胶若干，将他们涂抹在散热片和半导体芯片之间可以增加换热效率。环氧树脂胶水一瓶，用来将CPU散热片和旧咖啡杯固定住。导线若干，用来连接各个部件。绝缘胶带若干，用来制作电池模组和捆扎导线。最后就是我们的主角，额定功率118w的半导体制冷片一块。
如图5，所有材料准备齐全。
装配制冷部件
首先，我先将CPU纯铜散热片固定在旧咖啡杯的底部。纯铜散热片外部有一圈黑色的塑料外壳，这个外壳的四角都是水平的。
如图6，这是CPU纯铜散热片。但是旧咖啡杯的四个底脚却是向下凹陷的。环氧树脂是一种非常强力的胶水，它不仅仅具有极为强大的粘合性，更有很好的定型性。在这里我使用了足够多的环氧树脂，将他们填充到散热片和旧咖啡杯底部形成的空隙中。
这里我还要提一下干燥的过程，环氧树脂胶水的干燥过程比较苛刻。散热片的部分是塑料质地，而旧咖啡杯的四角是金属质地。要想让他们牢牢的粘合在一起，胶水的干燥过程也尤为重要。必须保证在75℃的恒温环境下，干燥24个小时才能牢固。
如图7，旧咖啡杯和纯铜散热片在烤箱中度过了24小时。
接下来我们安装半导体制冷片。首先你要很明确的知道半导体制冷片的两极，哪边冷哪边热。千万不要把他们搞混淆了，不然你最后做成的就不是夏天用的冰镇啤酒杯了，而是冬天喝白酒用的温酒杯了。在集冷片、半导体制冷片和CPU散热片之间我们要使用导热硅胶来加大换热效率。
如图8，集冷片上涂满了导热硅胶。选择导热硅胶的时候我们也要注意，尽量选用那些带有粘性的硅胶，这样三个部件就能牢牢的固定在一起了。
如图9，三个部分完美的固定粘合一起。
供电部分的组装
众所周知ATX电源只有插在主板上才能正常使用，要想不经过主板单独使用ATX电源，我们必须先将它进行短路处理。找到PS_ON和Com-connector两个插孔，就是带钩的一边左数第四个，右数第四个。截取一小段铜丝，插入这两个小孔让电源短路，
如图10。但仅仅这样是不够的，为了让今后能顺利的使用这个电源，我们最好在铜丝处用绝缘胶带封装固定，
如图11。由此电源的短路工作就完成了，当你接通电源的时候，各个5V、12V的电源端口都会有电压了。
下面我们来制作电池组。半导体制冷片的规格为16v/118w。因此我们要利用5号电池制作16v电池组就至少需要8节电池。这里要提醒大家，最好选用电容量高一些的充电电池。因为半导体制冷片的功耗很高，要想让它长时间稳定工作高容量电池是必不可少的。这次我使用的是每节1800mAh的镍氢充电电池。整个电池组做好后会达到14400mAh。为了享受到爽口的冰镇啤酒这是值得的。而且电池组要使用串连的方式将所有的电池连接在一起。我先使用铁丝将所有的电池都绑定在一起。在绑定的时候最好按照一个向上、一个向下的方式摆放。最后只要将临近的两个电池互连就可以了。
如图12，正在用铁丝绑定电池组。然后我使用黑色的绝缘胶带将所有的电池都封装好。在封装的时候要细心，确保电池都是两两互连正确。完成封装后可以使用小灯泡作测试确认电池组工作良好。
如图13，制作精良的14400mAh超大电池组。
最后就是将电池组装配到旧咖啡杯上去。电池组可以弯成一定的弧度，这样就可以与玻璃杯紧凑的贴在一起。
如图14，电池组装配完毕。
布线和装配
首先将ATX电源与开关的一档相连，然后再将电池组的导线和开关的另一档相连。此时你要明确的记住当开关档位所处的状态下，是由哪个部分供电。不然以后你连着ATX电源时却使用电池组供电，那就太浪费资源了。
如图15，开关部分的线路已经连接完毕。这里我还要提醒大家一点，千万不要将ATX电源的输出线路，与电池组连接起来。更不要认为ATX的输出电路可以为电池组充电。我这个300瓦ATX电源的输出电流足有11A，如此高的电流很容易烧毁电池组，甚至使电池发生爆炸。我手头没有很小的充电模组，无法将体积过大的充电器集成到旧咖啡杯上。因此当电池组的电力消耗殆尽的时候，我只能单独为电池组充电。
最后我们要安装的是电子温度计。首先要将温度计的感应触点固定在集冷器上。我们使用一点点导热硅胶就能将它固定住。然后用铁丝将温度计绑定在旧咖啡杯的最下面就好了。
如图16，这是电子测温触点。
测试冰镇啤酒凉杯
如图17，这是最终的冰镇啤酒凉杯完成后的样子，看上去是不是很酷。这里为了美观我使用了玻璃杯子，如果你渴望喝道更加冰凉的啤酒。我推荐你使用不超过铁箍直径的金属杯子。因为金属的杯子底部的换热效率更高，所以啤酒的温度会更凉。
一般玻璃杯的温度为22℃，从冰箱内取出的啤酒为8℃。不通电时，电子温度计会显示19℃左右。如果使用玻璃杯装啤酒，一般的室内环境中，采用ATX供电的话，电子温度计会显示1℃以上，基本不会到零度结冰。如果使用电池组供电，温度会恒定在7℃左右。普通常温下的啤酒只用4分钟就可以降到10℃左右。此时的啤酒已经非常爽口了。
总结
这个小巧而简单的DIY作品只是利用了CPU的电子制冷技术。如果将半导体制冷片翻转过来，你就可以制作出温茶暖手的咖啡杯了。当然这仅仅是电脑科技给我们的一个小小的启发。希望这篇文章能起到抛砖引玉的作用，激起大家动手动脑的潜力。
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