:半导体制冷原理

希望用半导体制冷将相机CCD温度降到22度以下.
第一部分
制冷片的介绍
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，以下的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结组成

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，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。
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制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。
中国在半导体制冷技术开始于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制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，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和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了现在的半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。
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、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。
第二部分
一直专注于显示卡散热器创新的七彩虹，这次在其热管散热冰封骑士的基础上融入目前超前位的TEC(thermoelectric chip——热电芯片)技术，配合热管方案进行风冷散热。当GPU处于常态下风冷已经可以满足使用，在到达显示卡BIOS设定的温度临界点时开启热电制冷装置——半导体制冷片，进行增强制冷。

半导体制冷原理图
下面我们来了解一下半导体制冷的几本原理，目前的半导体散热片主要由N型半导体、P型半导体、导线和陶瓷绝缘外壳组成，分冷热两端，冷端与 CPU或GPU的核心接触，热端则与散热器接触。通电后热量从冷端传向热端，导致冷端温度降低(一般可以达到零下10℃左右)，热端温度升高。但半导体制冷有一个最大的问题，就是如果冷热两端温差较大，且空气湿度过大时，冷端容易产生“结露”现象，从而很容易导致短路。因此，使用时应注意控制两端温差，及时处理掉凝结的水珠。
第三部分
岛城超频狂人自制半导体制冷系统
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。
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！
这套系统为Socket939 CPU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。

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。