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半导体制冷片的制冷效率能达到3000%(在零温差下)
2026/03/06
原创
IP:四川

一般印象里,半导体制冷片的效率很低,制冷效率只有比如60%。

但是刚刷到个视频,作者实测到了30,或者说3000%的制冷效率。

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他用的是常见的半导体制冷片,测试方法是把它夹到两个铝块中间,然后测铝块的温度。

image.jpg


先给制冷片通交流,用来校准。然后通直流,测试效率,结果如下图。实测在345mA下的制冷效率有30,就是每消耗1J电能,能从冷端搬运30J热能到热端。

image.jpg



30比一般印象里的0.6大出了几十倍。作者的解释是,制冷片的制冷量是和电流的一次方成正比的,而消耗的电能是和电流的平方成正比的。所以制冷效率是和电流成一次方的反比。电流越小,制冷效率就越高。

他用的制冷片型号是TEC1-12708,淘宝上十几块钱一片。型号后面的08意思是额定电流8A,而作者测试的时候只给它通了345mA,所以就能得到高到离谱的制冷效率。


更进一步的,他后面又发了一个视频。

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讲的是半导体制冷的冰箱可以相当省电,比如4℃的时候待机功耗做到不到10W。常见的半导体冰箱之所以很费电,纯粹是设计缺陷。

他推了些公式,结论是,半导体制冷片的制冷量和电流之间是一个抛物线关系,如下图。通的电流过大的话,不仅是制冷效率会降低,连制冷量都会变小,因为制冷片的两端同时被电能加热了。

而系统的热阻如果较大(比如冰箱这种有隔热的东西),那么从系统的角度讲,这个抛物线的顶点会左移。因此如果按照额定电流通电,只是单纯的白白浪费电能,对制冷反而是有害的。比如冰箱待机维持低温的时候,5A电流的效果和2A可能是一样的,但是耗电量差了几倍。

image.jpg

他说市面上大多数半导体冰箱,都是工作在电流过大的状态。这种状态对于“将物体从常温冷却到低温”是合适的,但是对于“让低温的物体保持低温”是不对的。一般印象里半导体冰箱效率极低就是因为这个。

如果温度已经降下来并且稳定了,就应该大幅度减小电流,用小电流达到和大电流一样的“保冷”效果。他说他发现下面图里这款半导体冰箱就带这个功能,所以待机的功耗就只有10W。(他说他做这些视频的契机之一就是偶然发现了这款冰箱)

image.jpg



更进一步的,如果把几个半导体制冷片叠起来(热学上串联),还能让待机功耗降低很多。

因为制冷片本身的热阻挺低的,所以冰箱保冷的时候有很大比例的热量是从制冷片本身泄露的。需要用电来抵消制冷片本身的热泄露。而串联制冷片会让热阻串联,降低热泄露。串联后需要的制冷量变小,需要的电流就会变小,制冷效率又会提高,耗电量就能降低不少。


感觉如果不计成本的话,甚至有希望在“制冷效率”上和压缩机比一比。

[ 修改于7个月28天前 - 2026/03/06 22:22:45 ]
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7个月27天前IP:四川
949167
1楼

虽然我无法确定是否真的如此,但据我所知,有些行业真有干了几十年,一些最浅显的问题都没搞明白的情况,而且还不少。前年搞辐射计,Ma3.02的守望就发现至少两处。

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4
7个月27天前IP:广东
949169
2楼

这让我想到了LED,工作区间也是电流越大效率越低。就以市面上的灯泡来说,灯珠总是工作在极限状态,费电的同时还发热严重,而设计者为了美观还尽可能的减小散热壳,最后搞的不久就会烧坏。不过近几年网上卖的太阳能灯却是个反例,毕竟电池供电有限,而且灯珠的数量也是卖点之一。

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7个月27天前IP:重庆
949170
3楼

如果用于温差发电,那么这个结论该如何应用?

反而是温差较低的情况下效率高,输出功率增加效率反而降低?

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7个月27天前IP:广东
949174
4楼

物理细节上不了解,但是确实不违反热力学基本原理。从低温向高温搬运热量的热机,理论效率极限大概是绝对温度与温差之比。温差够小的话,效率远大于1是理论上可能的。

TEC大电流下效率很差,加上热渗漏,条件不好时自控回路有可能锁死在最大电流并持续加热的悲惨状态,变成失控加热器。

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7个月26天前IP:浙江
949182
5楼

好反直觉的实验结果,大概是我知识不足吧。但这样的话多出来的能量是哪来的呢?

话说有人注意到最后一张图右上角的R2D2吗?星战粉泪目了。


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7个月26天前修改于 7个月25天前IP:北京
949183
6楼

原理上这样的制冷效率并无问题。

查到以下资料,可能部分解释了“半导体制冷片的效率较低”的原因:

现有半导体冰箱的制冷效率较低,主要是由以下几个方面的原因造成的:
1、半导体冰箱要求的目标温度较低,导致半导体制冷片工作时冷热端的温差较大,一般高于30℃,冷热端的温差过大降低了半导体制冷片的制冷下效率。
2、半导体制冷片热端的散热不好,无法将半导体制冷片产生的制冷量及时散发到周围空气中,时间久了之后,半导体制冷片热端的温度会上升,同样导致了半导体制冷片冷热端的温差变大,降低了半导体制冷片的制冷效率。
3、半导体制冷片规格的选择不是最优,导致半导体制冷片不能与半导体冰箱匹配,半导体制冷片的制冷量过多或过少,也导致了半导体制冷片的制冷效率变低。

来源: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

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其中图4可以看出,最大制冷效率并不与制冷功率最大的电压重合。

冰箱一般都有温控程序吧,我想厂商是不会让冰箱在大于 $U_m$ 电压下运行的。

image.jpg

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6
6个月28天前IP:四川
949485
7楼

这个up主又更新了一个视频。他用制冷片做了一个“冷却啤酒”的装置。

IMG_20260331_121753.jpg

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这个东西能用大概二十瓦的输入功率,和二十分钟时间把啤酒从室温冷却到比如5度。

他说这套装置的制冷效率实际上比家用冰箱更高。因为家用的压缩机制冷的冰箱效率事实上很低,只有比如1,而不是一般印象里的三到四。因为家用冰箱为了“优雅”,散热效果不佳,热端温度可以达到比如四五十度。即使是理想卡诺循环,在热端四五十度,冷端负二十多度的情况下,热效率也只有三点几。考虑到电机效率,热机效率等,最后的电能-制冷量的效率还要掉一半,就变成一点几了。这个说法很惊人,听起来挺有道理,但我还没有查验。

不过即使冰箱的热效率真的只有1,他这里的比法也过于偏向制冷片了,毕竟冰箱没有在热端装20L水作为热库。

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1
6个月14天前IP:上海
949689
8楼

3000%的制冷效率看着吓人,其实和热机相比似乎还是没啥可比性,毕竟这种温差下卡诺效率高的吓人,还是比较有欺骗性。至于这个良好散热的系统和家用冰箱比似乎也是卡bug。不过他这个主要在于说明制冷片是个非本质单调系统(不同情况下增大电流,温度可能增加/减小)。这个倒是值得注意的点,意味着某些情况下采用常规的恒电压或者单调反馈控制是不合适的。

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5个月26天前IP:北京
949970
9楼

这个30的效率是在接近零温差的情况测出来的,一般印象里0.6的效率是额定工况下的,感觉也挺正常?后面的理论倒是有可取之处,只是用制冷片的产品大多是成本优化型,有如此设计的便显得少见了?

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1个月6天前IP:上海
952331
10楼

实验曲线都写了两侧温差只测到1.7k,你猜为什么不继续拉大温差就停了,当然是因为再往后测结果就不礼貌了

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1个月4天前IP:广东
952342
11楼
引用科创人106884发表于2楼的内容
这让我想到了LED,工作区间也是电流越大效率越低。就以市面上的灯泡来说,灯珠总是工作在极限状态,费电的同时还发热严重,而设计者为了美观还尽可能的减小散热壳,最后搞的不久就会烧坏。不过近几年网上卖的太阳...

你以为人家是吃干饭的么……同样一个灯,人家用10个灯珠,你要用50个、100个,灯珠多,出厂成本就高,根本卖不过同行。

电池供电产品类似,不少消费品、玩具,明明可以用可充电锂电池,但偏偏放个装3节、4节电池的注塑电池仓。因为锂电池是要厂家承担的,5号/7号电池却是用户购买的

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