半導體致冷器

　 半導體致冷器的工作運轉是用直流電流，它既可致冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一致冷器上實現致冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，以下的圖就是一個單片的致冷器，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯形式連結組成.

 

半導體致冷器的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定，以下三點是熱電致冷的溫差電效應。 

 

1、 塞貝克效應（SEEBECK EFFECT） 

一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢：  

 

ES=S.△T 

　　式中：ES為溫差電動勢 S為溫差電動勢率（塞貝克系數） △T為接點之間的溫差　　 

 

2、 珀爾帖效應（PELTIER EFFECT） 

 

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。 

 

Qл=л.I л=aTc 

　　 式中：Qπ 為放熱或吸熱功率 I為工作電流 a為溫差電動勢 Tc為冷接點溫度  

 

3、 湯姆遜效應 （THOMSON EFFECT） 

當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為： 

Qτ=τ.I.△T  

　　Qτ為放熱或吸熱功率 τ為湯姆遜系數 I為工作電流 △T為溫度梯度 

以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，于一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。 

約飛的理論得到實踐應用后，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優值系數，才達到相當水平，得到大規模的應用，也就是我們現在的半導體致冷器件。 

中國在半導體致冷技術開始于50年代末60年代初，當時在國際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導體材料的性能達到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導體致冷器技術發展的一個臺階。在此期間，一方面半導體致冷材料的優值系數提高，另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導體致冷器，因而才有了現在的半導體致冷器的生產及其兩次產品的開發和應用.

 

 

致 冷 器 性 能 計 算： 

 

在應用致冷器前，要進一步的了解它的性能，實際上致冷器的冷端從周圍吸收的熱Qл外，還有兩個：一個是焦耳熱Qj；另一個是傳導熱Qk。電流從元件內部通過就產生焦耳熱，焦耳熱的一半傳到冷端，另一半傳到熱端，傳導熱從熱端傳到冷端。 

 

產冷量Qc=Qπ-Qj-Qk 

=（2p-2n）.Tc.I-1/2j2R-K（Th-Tc） 

式中，R表示一對電偶的總電阻，K是總熱導。 

 

熱端散掉的熱Qh=Qπ+Qj-Qk 

=（2p-2n）.Th.I+1/2I2R-K（Th-Tc） 

 

從上面兩公式中可以看出，輸入的電功率恰好就是熱端散掉的熱與冷端吸收的熱之差，這就是"熱泵”的一種： 

Qh-Qc=I2R=P 

 

由上式得出一個電偶在熱端放出的熱量Qh等于輸入電功率與冷端產冷量之和，相反得出冷端產冷量Qc等于熱端放出的熱量與輸入電功率之差。 

 

Qh=P+Qc 

Qc=Qh-P 

 

 

最大致冷功率的計算方法 

 

A.1 在熱端溫度Th為27℃±1℃, 溫差為△T=0 , I=Imax 時. 

最大致冷功率Qcmax(W)按公式（1）計算：Qcmax=0.07NI  

 

(1)式中：N ---器件對數, I ---器件的最大溫差電流（A）. 

A.2 若熱面溫度為3~40℃時，最大致冷功率Qcmax（W）應按公式（2）加以修正。 

Qcmax∣Th= Qcmax×[1+0.0042(Th--27)]  

 

(2)式中：Qcmax ---熱面溫度Th=27℃±1℃的最大致冷功率（W）， 

Qcmax∣Th --熱面溫度Th --3~40℃時的實測溫度下的最大致冷功率（W）.

 

致冷器---應用選擇 

 

半導體致冷應用產品的心臟部分是半導體致冷器，根據半導體溫差電堆的特點，弱點及應用范圍，選用電堆時首先應確定以下幾個問題： 

1、 確定電堆的工作狀態。根據工作電流的方向和大小，就可以決定電堆的致冷，加熱和恒溫性能，盡管最常用的是致冷方式，但也不應忽視它的致熱和恒溫性能。 

2、 確定致冷時熱端實際溫度。因為電堆是溫差器件，要達到最佳的致冷效果，電堆須安裝在一個良好的散熱器上，根據散熱條件的好壞，決定致冷時電堆熱端的實際溫度，要注意，由于溫度梯度的影響，電堆熱端實際溫度總是要比散熱器表面溫度高，通常少則零點幾度，多則高幾度、十幾度。同樣，除了熱端存在散熱梯度以外，被冷卻的空間與電堆冷端之間也存在溫度梯度。 

3、確定電堆的工作環境和氣氛。這包括是工作在真空狀況還是在普通大氣，干燥氮氣，靜止或流動空氣及周圍的環境溫度，由此來考慮保溫（絕熱）措施，并決定漏熱的影響。 

4、確定電堆工作對象及熱負載的大小。除了受熱端溫 度影響以外，電堆所能達到的最低溫度或最大溫差是在空載和絕熱兩個條件下確定的，實際上工作的，電堆既不可能真正絕熱，也必須有熱負載，否則無意義。 

5、確定致冷器的級數。電堆級數的選定必須滿足實際溫差的要求，即電堆標稱的溫差必須高于實際要求的溫差，否則達不到要求，但是級數也不能太多，因電堆的價格隨著級數的增加而大大提高。 

6、電堆的規格。選定電堆的級數以后，就可以選定電堆的規格，特別是電堆的工作電流。因為同時能滿足溫差及產冷的電堆有好幾種，但是由于工作條件不同，通常選用工作電流最小的電堆，因為這時配套電源費用較小，然而電堆的總功率是決定因素，同樣的輸入電功率減少工作電流就得增加電壓（每對元件0.1v），因而元件對數就得增加。 

7、確定電堆的數量。這是根據能滿足溫差要求的電堆產冷總功率來決定的，它必須保證在工作溫度時電堆產冷量的總和大于工作對象熱負載的總功率，否則無法達到要求。電堆的熱慣性非常小，空載下不大于一分鐘，但是由于負載的慣性（主要是由于負載的熱容量造成的），因此實際要達到設定溫度時的工作速度要遠遠大于一分鐘，多時達幾小時。如工作速度要求愈大，電堆的數量也就愈多，熱負載的總功率是由總熱容量加上漏熱量（溫度愈低、漏熱量愈大）。 

上述七個方面是選用電堆時考慮的一般原則，根據上述原用戶首先應根據需要提出要求來選擇致冷器件。一般的要求： 

①、給定使用的環境溫度Th ℃ 

②、被冷卻的空間或物體達到的低溫度Tc ℃ 

③、已知熱負載Q（熱功率Qp 、漏熱Qt）W 

已知Th、Tc和Q，再根據溫差致冷器的特性曲線就可估算所需的電堆及電堆數量。  

 

1、確定致冷器的型號規格 

 

2、選定型號后，查閱該型號的溫差電致冷特性曲線圖。 

 

3、由使用環境溫度和散熱方式確定致冷器的熱端溫度Th，得出相近的Tc。 

 

4、在相應的特性曲線圖中查出冷端Qc的產冷量。 

 

5、由所需的產冷量Q除以每個電堆的產冷量Qc就得到所需的電堆數量N=Q/Qc

 

 

半導體致冷器作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點： 

 

1、 不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音、壽命長、安裝容易。 

 

2、 半導體致冷器具有兩種功能，既能致冷，又能加熱，致冷效率一般不高，但致熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個器件就可以代替分立的加熱系統和致冷系統。 

 

3、 半導體致冷器是電流換能型器件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。 

 

4、 半導體致冷器熱慣性非常小，致冷致熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，致冷器就能達到最大溫差。 

 

5、 半導體致冷器的反向使用就是溫差發電，半導體致冷器一般適用于中低溫區發電。 

 

6、 半導體致冷器的單個致冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯的方法組合成致冷系統的話，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。 

 

7、 半導體致冷器的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。 

 

半導體致冷器件的散熱是一門專業技術，也是半導體致冷器件能否長期運行的基礎。良好的散熱才能獲得最低冷端溫度的先決條件。以下就是半導體致冷器的幾種散熱方式： 

 

1、 自然散熱。  

采用導熱較好的材料，紫銅鋁材料做成各種散熱器，在靜止的空氣中自由的散發熱量，使用方便，缺點是體積太大。 

 

2、 充液散熱。  

用較好的散熱材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫。缺點是用水不方便，浪廢太大，優點是體積小，散熱效果最好。 

 

3、 強迫風冷散熱。  

工作氣氛為流動空氣，散熱器所用的材料和自然散熱器相同，使用方便，體積比自然冷卻的小，缺點是增加一個風機出現噪音。 

 

4、 真空潛熱散熱。  

最常用的就是"熱管”散熱器，它是利用蒸發潛熱快速傳遞熱容量。

 

半導體致冷器是輸入直流電源工作的，必須配備專用電源。 

 

1、直流電源。直流電源的優點是可以直接使用，不需要轉換，缺點是電壓電流必須適用于半導體致冷器，有些可以通過半導體致冷器的串、并聯的方式解決。 

2、交流電流。這是一個最普通的電源，使用時必須整流為直流才能供致冷器使用。由于致冷器件是低電壓大電流器件，應用時先降壓、整流、濾波，有些為了方便使用還要加上溫度測量，溫度控制，電流控制等。 

3、由于半導體致冷器是直流電源供應，電源的波紋系數必須小于10%，否則對致冷效果有較大的影響。 

4、半導體致冷器的工作電壓及電流必須符合所工作器件的需要，例如：型號為TEC1-12706T125的器件，則127為致冷器件，PN的電偶對數，致冷器的工作極限電壓V=電偶對數×0.11，06為允許通過最大的電流值。 

5、致冷器冷熱交換時的通電必須待兩端面恢復到室溫時（一般需要5分鐘以上方可進行），否則易造成致冷器的線路損壞和陶瓷片的破裂。 

6、半導體致冷器電源的電子線路都是常見通用的，在一般的電子技術參考書中都可以查到.

致 冷 器 ---安裝方法 

 

致冷器的安裝方法一般有三種：焊接、粘合、螺栓壓縮固定。在生產上具體用哪一種方法安裝，要根據產品的要求來定，總的來說對于這三種的安裝時，首先都要用無水酒精棉將致冷器件的兩端面擦洗干凈，儲冷板和散熱板的安裝表面應加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干凈，以下就是三種安裝的操作過程。 

 

1、焊接。  

焊接的安裝方法要求致冷器件外表面必須是金屬化，儲冷板和散熱板也必須能夠上焊料（如：銅材的儲冷板或散熱板）安裝時先將儲冷板、散熱板、致冷器進行加溫，（溫度和焊料的熔點差不多）在各安裝表面都熔上約70℃——110℃之間的低溫焊料0.1mm。然后將致冷器件的熱面和散熱板的安裝面，致冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸并且旋轉擠壓，確保工作面的接觸良好后冷卻。該安裝方法較復雜，不易維修，一般應用在較特殊的場合。 

 

2、粘合。 

粘合的安裝方法是用一種具有導熱性能較好的粘合劑，均勻的涂在致冷器件、儲冷板、散熱板的安裝面上。粘合劑的厚度在0.03mm，將致冷器的冷熱面和儲冷板、散熱板的安裝面平行的擠壓，并且輕輕的來回旋轉確保各接觸面的良好接觸，通風放置24小時自然固化。該安裝方法一般應用在想永久的把致冷器固定在散熱板或儲冷板的地方。 

 

3、螺柱壓縮固定。 

螺柱壓縮固定的安裝方法是將致冷器件、儲冷板、散熱板各安裝面均勻的涂上很薄的一層導熱硅脂，厚度大約在0.03mm。然后將致冷器件的熱面和散熱板的安裝面、致冷器件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸，并且輕輕的來回旋轉致冷器，擠壓過量的導熱硅脂，一定要確保各工作面的接觸良好，再用螺絲將散熱板、致冷器、儲冷板三者之間緊固，緊固時用力應均勻，切勿過量或太輕，重了易壓壞致冷器件，輕了容易造成工作面不接觸。該安裝簡單、快速，維修方便，可靠性較高，是目前產品應用中最多的一種安裝方法。 

 

以上三種安裝方法為了能夠達到最佳的致冷效果，儲冷板和散熱板之間應用隔熱材料填充，固定螺絲應用隔熱墊圈，為減少冷熱交替，儲冷板和散熱板的尺寸大小取決于冷卻方法及冷卻功率大小，根據應用情況決定。 

 

通過以上分析，半導體溫差電器件應用范圍有：致冷、加熱、發電，致冷和加熱應用比較普遍，有以下幾個方面： 

 

1、 軍事方面：導彈、雷達、潛艇,航天等方面的紅外線探測、導行系統。  

2、 醫療方面；冷力、冷合、白內障摘除器、血液分析儀等。 

3、 實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀器。 

 

4、 專用裝置方面：石油、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恒溫顯影槽、電腦等。 

 

5、 日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子冰箱等。此外，還有其它方面的應用。