半导体制冷-EDN博客-电子工程师的设计灵感之源

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。