“桌面空調(diào)”“TEC黑科技”“16°C涼風(fēng)直吹”……今年夏天，你的短視頻和電商平臺首頁有沒有被這樣的新型小風(fēng)扇刷屏？它們聲稱采用了“半導(dǎo)體制冷”技術(shù)，僅靠一片指甲大小的芯片，就能把熱風(fēng)變成“空調(diào)風(fēng)”，吸引無數(shù)消費(fèi)者買單。

但是，這所謂的“TEC制冷”，真的是新技術(shù)嗎？它真的能讓風(fēng)變涼？還是變著法兒收“智商稅”？

“半導(dǎo)體制冷”小風(fēng)扇制冷模式下有水珠凝結(jié)

“吹出16°C涼風(fēng)”？可能不假，但別想太多

我們先從結(jié)論說起：半導(dǎo)體制冷技術(shù)是真的，涼風(fēng)也是真的，但效果有限、很容易被夸大。

目前不少小風(fēng)扇都采用了所謂的“TEC制冷模塊”， “TEC"，即熱電半導(dǎo)體，其實(shí)就是一塊基于熱電效應(yīng)的半導(dǎo)體片（常用材料為碲化鉍Bi?Te?）[1]。當(dāng)電流通過它時，一面變冷、一面變熱。制造商通常會把冷的一面對準(zhǔn)風(fēng)道，熱的一面貼上散熱器，再加一個小風(fēng)扇輔助散熱。如此一來，風(fēng)口確實(shí)能吹出比室溫低幾度的涼風(fēng)，甚至在測試中測得16°C的瞬時低溫。

熱電半導(dǎo)體常用材料碲化鉍Bi?Te? 圖源：bilibili.com

然而，這里面藏著幾個“但”。

但它很挑散熱：TEC的冷卻效率完全依賴于熱端的散熱效率，一旦散熱器不給力，冷端溫度立刻回彈。

但它只能近吹：哪怕涼風(fēng)確實(shí)低于室溫，也僅能維持在出風(fēng)口數(shù)十厘米內(nèi)，遠(yuǎn)距離很快會被熱空氣稀釋。

但它不省電也不環(huán)保：它的制冷效率（COP）甚至小于傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷的1/3，且持續(xù)使用發(fā)熱量不小。

所以，它確實(shí)比普通風(fēng)扇涼一些，但效果可能并沒有我們想象的那么好。說到底，這是個改良型風(fēng)扇，而不是迷你空調(diào)。

“半導(dǎo)體制冷”并不新鮮，反而有點(diǎn)“復(fù)古”

說它是“黑科技”，其實(shí)有點(diǎn)名不符實(shí)——“半導(dǎo)體制冷”并不是新發(fā)明，而是經(jīng)典物理效應(yīng)的工程化應(yīng)用。它的核心原理源于19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)的珀?duì)柼?yīng)（Peltier Effect）：當(dāng)直流電流通過兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接點(diǎn)時，一端會吸熱（變冷），另一端則放熱（變熱），從而形成溫差[2]。

珀?duì)柼?yīng)制冷原理圖 圖源：參考文獻(xiàn)[3]

與之密切相關(guān)的，還有塞貝克效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。這三者統(tǒng)稱為“熱電效應(yīng)三兄弟”，共同構(gòu)成了熱電器件工作的理論基礎(chǔ)[4]。制冷時，我們用的是“電生溫差”；而反過來，如果在兩端人為制造溫差，就可以產(chǎn)生電壓——也就是溫差發(fā)電。

而真正讓這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室的，是20世紀(jì)50年代碲化鉍（Bi?Te?）等熱電半導(dǎo)體材料的問世。這類材料有一個獨(dú)特特征：它們導(dǎo)電性好，但導(dǎo)熱性差，也就是說，熱量不會“順著電流跑掉”，能有效在兩端形成冷熱分離[5]。

在實(shí)際應(yīng)用中，TEC模塊并不只是一塊芯片，而是由幾十對N型和P型半導(dǎo)體組合成的“熱電堆”。有些產(chǎn)品為了增強(qiáng)制冷效果，還會采用多層堆疊結(jié)構(gòu)，讓冷端一層一層降溫。不過要注意，每一層都需要足夠好的散熱，否則熱量積在一起，反而會讓整個系統(tǒng)“熱得更快、冷不下來”。所以，散熱做不好，堆再多也白搭[6]。

說到底，這不是什么“魔法黑片”，它只是應(yīng)用了100年前的物理效應(yīng)、70年前的材料科技，以及如今更緊湊、更節(jié)能的散熱結(jié)構(gòu)。

“涼風(fēng)”只是開始，它還能發(fā)電、控溫、上太空

除了小風(fēng)扇這種“入門級應(yīng)用”，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的舞臺遠(yuǎn)不止于此。

它那種無壓縮機(jī)、無冷媒、低噪音、易控溫的特性，在許多傳統(tǒng)制冷難以觸達(dá)的場景中，反而大顯身手。

更值得一提的，是它的“反向用法”。熱電模塊并非只能制冷，在兩端制造溫差時，它還能反過來輸出電流——這就是塞貝克效應(yīng)。在沒有電源、無法布線的場景下，只要存在冷熱差，比如發(fā)動機(jī)尾氣管、高溫爐壁、太陽照明和深空背景之間，就能源源不斷地產(chǎn)生電流。這種“溫差發(fā)電”已經(jīng)被用于航天器的供電、廢熱回收系統(tǒng)，甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)的自供電監(jiān)測裝置中。

持續(xù)工作的“玉兔二號”月球車 圖源：央廣網(wǎng)

不過，正如所有技術(shù)一樣，半導(dǎo)體制冷也非“萬能鑰匙”。它雖能在特定環(huán)境中大放異彩，但在性能、能效、成本等方面，也有一些難以忽視的短板。我們不妨來整體看一眼，它到底有哪些“加分項(xiàng)”，又存在哪些“現(xiàn)實(shí)限制”：

簡而言之，半導(dǎo)體制冷適合需要靜音、定點(diǎn)、快速響應(yīng)的小型設(shè)備，比如CPU溫控、醫(yī)學(xué)探頭、便攜飲水機(jī)等。但若用來替代傳統(tǒng)空調(diào)、冰箱這類大范圍制冷任務(wù)，它就顯得力不從心、代價(jià)高昂了。

參考文獻(xiàn)

[1]范玉斐,張鳴,鄭學(xué)林.半導(dǎo)體制冷技術(shù)以及發(fā)展前景[J].山東工業(yè)技術(shù),2016,(23):287-288.

[2]唐春暉.半導(dǎo)體制冷——21世紀(jì)的綠色“冷源”[J].半導(dǎo)體技術(shù),2005,(05):32-34.

[3] P. Bertreau, Novel thermoelectric materials development, existing and potential applications, and commercialization routes, (2006).

[4] H. Dehra, ‘Building-Integrated Thermoelectric Cooling-Photovoltaic (TEC-PV) Devices’, Bringing Thermoelectricity into Reality. InTech, July 11, 2018.

[5] A.C. Sulaiman, N.A.M. Amin, M.H. Basha, M.S.A. Majid, N.F.M. Nasir, I. Zaman, Cooling performance of thermoelectric cooling (TEC) and applications: A review, MATEC Web of Conferences 225 (2018) 03021.

[6]黃震,張華. 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 有色金屬材料與工程,2017,38(2):106-111.

來源：上海科技館

編輯：瀟瀟雨歇

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