半导体制冷器原理及使用

一、介绍

半导体致冷器（TE）也叫热电致冷器，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，无致冷剂污染的场合。

半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热，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致冷器，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。

半导体致冷器的工作原理是：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，以下三点是热电致冷的温差电效应。

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致冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致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致冷材料的优值系数，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致冷器件。

中国在半导体致冷技术开始于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致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体致冷材料的优值系数

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，获得了半导体致冷器，因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用。

二、致冷器的技术应用

半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何致冷剂，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器件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效

率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。

3、半导体致冷器是电流换能型器件，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、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散

热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。

5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般

适用于中低温区发电。

6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，

用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可

以实现。

通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致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、白内障摘除器、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、高低温实验仪器。

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、冷藏箱、饮水机、电子

冷热牛奶箱、车载冷热两用箱等。

此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

三、致冷器的性能

在应用致冷器前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外，还有两个，一个是焦耳热Qj；另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端，另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。

产冷量Qc=Qπ-Qj-Qk

=（2p-2n）.Tc.I-1/2j2R-K（Th-Tc）

式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。

热端散掉的热Qh=Qπ+Qj-Qk

=（2p-2n）.Th.I+1/2I2R-K（Th-Tc）

从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是“热泵”的一种：

Qh-Qc=I2R=P

由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。

Qh=P+Qc

Qc=Qh-P

四、致冷器的选择过程

半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以

下几个问题：

1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以

决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，

但也不应忽视它的致热和恒温性能。

2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最

佳的致冷效果，电堆必须安装在一个良好的散热器上，根据散

热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由

于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热器表面温

度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了

热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在

温度梯度。

3、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是

在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，

由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。

4、确定电堆工作对象及热负载的大小。除了受热端温

度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和

绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝

热，也必须有热负载，否则无意义。

5、确定致冷器的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，

即电堆标称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因为电堆的价格随着级数的增加而大大提高。

6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，

特别是电堆的工作电流。因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件

0.1v），因而元件对数就得增加。

7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功

率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。

上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷器件。一般的要求：

①、给定使用的环境温度Th ℃

②、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc ℃

③、已知热负载Q（热功率Qp 、漏热Qt） W

已知Th、Tc和Q，再根据温差致冷器的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量。

1、确定致冷器的型号规格。

2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图。

3、由使用环境温度和散热方式确定致冷器的热端温度Th，得出相

近的Tc。

4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。

5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆

数量N=Q/Qc

六、半导体致冷器的散热方式

半导体致冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷器件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷器的几种散热方式：

1、自然散热。

采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热器，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。

2、充液散热。

用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。

3、强迫风冷散热。

工作气氛为流动空气，散热器所用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。

4、真空潜热散热。

最常用的就是“热管”散热器，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。

七、半导体致冷器的电源

半导体致冷器是输入直流电源工作的，必须配备专用电源。

1、直流电源。直流电源的优点是可以直接使用，不需要转换，

缺点是电压电流必须适用于半导体致冷器，有些可以通过半导

体致冷器的串、并联的方式解决。

2、交流电流。这是一个最普通的电源，使用时必须整流为直流

才能供致冷器使用。由于致冷器件是低电压大电流器件，应用

时先降压、整流、滤波，有些为了方便使用还要加上温度测量，温度控制，电流控制等。

3、由于半导体致冷器是直流电源供应，电源的波纹系数必须小

于10%，否则对致冷效果有较大的影响。

4、半导体致冷器的工作电压及电流必须符合所工作器件的需

要，例如：型号为TEC112706的器件，则127为致冷器件，PN

的电偶对数，致冷器的工作极限电压V=电偶对数×0.11，06

为允许通过最大的电流值。

5、致冷器冷热交换时的通电必须待两端面恢复到室温时（一般

需要5分钟以上方可进行），否则易造成致冷器的线路损坏和

陶瓷片的破裂。

八、半导体致冷器的安装方法

致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。

在生产上具体用那一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉，将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操作过程。

1、焊接。

焊接的安装方法要求致冷器件外表面必须是金属化，储冷板 和散热板也必须能够上焊料（如：铜材的储冷板或散热板）安装时先将储冷板、散热板、致冷器进行加温，（温度和焊料的熔点差不多）在各安装表面都熔上约70℃——110℃之间的低温焊料

0.1mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面，致冷器件的

冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，确保工作面的接触良好后冷却，该安装方法较复杂，不易维修，一般应用在较特殊的场合。

2、粘合。

粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在致冷器件、储冷板、散热板的安装面上。粘合剂的厚度在

0.03mm，将致冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤

压，并且轻轻的来回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把致冷器固定在散热板或储冷板的地方。

3、螺柱压缩固定。

螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面、致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。

以上三种安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。下图是一种压缩固定安装方法供用户参考。