半导体制冷片的转换使用和制冷应用
用半导体制冷片制热案例
用半导体制冷片制热案例
半导体制冷片在设计上主要用于制冷，其工作原理基于珀尔帖效应，当电流通过两种不同材料组成的回路时，在接头处会产生吸热或放热现象。
在制冷模式下，一个面吸收热量变冷，而另一面则释放热量变热。
然而，从实际应用的角度看，半导体制冷片可以“制热”，但这并非其直接的制热功能，而是利用其工作的对称性特点。
当改变电流方向时，原本制冷的一面会变成发热端，而原本发热的一面则转变为制冷端。
这样，在需要加热的应用场景中，可以通过将原来的散热器部分用作加热源来实现“制热”。
例如，在一些实验室设备、小型恒温装置或特定微型环境控制场合中，如果空间有限且无需大功率加热，就可以使用半导体制冷片作为精确控温元件，通过切换电流方向来实现快速升温或降温。
需要注意的是，由于半导体热电效应的转换效率相对较低，所以相比于专门的电热元件如电阻丝等，半导体制冷片在制热模式下的能效比不高，通常不作为经济高效的大型或高功率加热解决方案的选择。
但在需要紧凑型结构、快速响应及精确温度控制的应用场合，它仍有其独特的优势。
半导体制冷器原理及应用研究
半导体制冷器原理及应用研究摘要：本文介绍了半导体制冷器的基本工作原理、优点、缺点和随后对半导体的相关公式进行了推导。
最后根据半导体的研究现状，提出了半导体制冷器的主要性能参数，为今后的半导体制冷技术研究提供借鉴。
关键词：半导体制冷器；原理；应用研究1.引言目前，能源消耗问题是国际学术研究的热点，而中国作为能源消耗大国，因此研究如何降低能源消耗，实现可持续发展具有非常重大的现实意义。
半导体制冷器作为一种新型的制冷技术，具好广阔的应用前景。
半导体制冷器具有体积小、功耗低、无污染、降温快等诸多优点，符合环境保护以及低功耗的要求，在许多行业得到了广泛的应用。
虽然半导体制冷器的制冷量不大，但是降温速度非常快，非常适用于对制冷器的尺寸有严格要求的场所。
2.半导体制冷器的工作原理2.1 半导体制冷的物理基础半导体制冷又称为热电制冷（Thermoelectric cooler）或温差电制冷。
当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电致冷，由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，因此，热电制冷又称为半导体制冷。
半导体制冷是基于帕尔贴效应、塞贝克效应、焦尔效应、汤姆逊效应和傅里叶效应五种效应建立起来的新型制冷技术。
（1）帕尔贴效应当电流通过由不同材料导体组成的回路时，在导体的连接处，会发生吸热和放热现象。
这时吸收和放出的热量就是帕尔贴热。
回路的一端为吸热，而另一端为放热。
（2）塞贝克效应将两种不同的材料和温度的导体相连接并组成回路时，这个回路之中就会产生电流，这就叫做塞贝克效应，这与帕尔贴效应是相逆的。
（3）焦尔效应焦尔效应是指当通过电流时，金属导体内部的热量与通过金属导体的电流平方成正比。
（4）汤姆逊效应当不同金属材料组成的闭合回路接入电流时，不仅会有赛贝尔效应和帕尔帖效应，还会产生一种汤姆逊效应，产生的热为汤姆逊热。
（5）傅里叶效应在金属材料中，沿着某固定方向的热传导过程叫做傅里叶效应，热传导是不可逆的，且垂直方向的面积与垂直方向上温度差的乘积成正比。
半导体制冷
半导体制冷片
（热电制冷片），是由上百对热电偶联成的热电堆。
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概述 原理 特点 系统 应用
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1 半导体制冷片的结构及材料
基板 一般是陶瓷片，主要成分是95
％氧化铝。起电绝缘、导热和支撑作 用。在其表面烧结有金属化图形。
导流条 其成分多是无氧铜，起导电
和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的 金属化图形上。
(2-16) (2-17)
式中 r=1/ρ ——热电元件材料的 电导率
由此可见: 热电制冷的最大温差取决于材料的 α、r、λ 综合参数。此综合参数称为制造电偶对材料的优值系数Z ，即
组成的一个
Z 2r
44
(2-18)
概述 原理 特点 系统 应用
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优值系数
优值系数Z
， 只与电偶材料的物理性质（温差电动势、电导率、导热系数）有关。是评价电偶
2 功率
w I 2 R (Th Tc )I
(2-8)
3 制冷系数
Q0 w
ITc 0.5I 2R k (Th I 2R (Th Tc )I
Tc
)
(2-9)
40
概述 原理 特点 系统 应用
4 制热系数
Qh 1
w
5 冷热端温差
T
Th
Tc
1 k
[I
Tc
0.5I 2 R]
(2-10) (2-11)
处于导通状态。
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概述 原理 特点 系统 应用
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PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由
于电流很小，故可近似认为其截止。
详细讲解半导体制冷原理(可用于电子电路和芯片散热)
详细讲解半导体制冷原理(通俗易懂)时间:2009-09-19 20:39来源: 作者:Aquan一、半导体制冷原理的理论依据： 1. Peltier effect （珀尔帖效应）：当电流通过热电偶时，其中一个结点散发热而另一个结点吸收热,这就是法国物理学家Jean Peltier在1834年发现的珀尔帖效应。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发一、半导体制冷原理的理论依据：1. Peltier effect（珀尔帖效应）：当电流通过热电偶时，其中一个结点散发热而另一个结点吸收热,这就是法国物理学家Jean Peltier在1834年发现的珀尔帖效应。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背後真正的科学原理。
到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家Jean Peltier，才发现背後真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[制冷器]的发明(注意，这种叫制冷器，还不叫半导体制冷器)。
2．P型半导体和N型半导体半导体材料导带中的电子密度小于在价带中的空穴密度，通过增加受主(acceptor)杂质来形成，例如在硅上掺杂硼，这就是P型半导体材料；而在导带中的电子密度大于在价带中的空穴密度，通过对硅的晶体结构中加入施主杂质(掺杂)——比如砷或磷等来实现，这就是N型半导体材料。
二、珀尔帖效应的应用半导体制冷器是由半导体所组成的一种冷却装置，也叫热电制冷。
于1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。
如图是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。
通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导制冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的Peltier effect 。
三、半导体制冷法的原理以及结构：半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。
半导体制冷器的原理与使用
半导体制冷器的原理与使用1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：8 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
9 医疗方面：冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪等。
10 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。
11 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。
12 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。
半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，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，无制冷剂污染的场合。
半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，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制冷片，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制冷片的工作原理是：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。
半导体制冷片的原理
半导体制冷片的原理1.热电效应：热电效应是指在一些材料中，当温度差距存在时，通过该材料的两侧施加电压，会产生一种电压差。
这种效应可以通过两种现象来解释：热电冷却效应和热电发电效应。
2.热电冷却效应：当半导体材料的两侧施加正反电压时，电子从低温一侧移动到高温一侧，使得低温侧冷却，而高温侧加热。
这是因为在半导体材料中，电子在移动过程中会带走一部分热量，实现冷却效果。
3.直流热电模块：热电制冷片通常采用直流热电模块来实现冷却效果。
直流热电模块由一系列的P型和N型半导体片组成，这些片被交叉连接，在两侧分别加上正反电压。
4. Peltier效应：当电流通过热电模块时，P型材料产生热，而N型材料则会吸收热。
这是因为电流通过P型材料时，电子从低能级跃迁到高能级，释放出热量；而电流通过N型材料时，电子从高能级跃迁到低能级，吸收热量。
通过不断的热电转换，实现了对低温侧的冷却和高温侧的加热。
5.热导导率：为了提高制冷效果，热电制冷片通常采用具有高热导率的材料来制作，如硅和碲化铟。
高热导率可以增加热量的传导速度，提高制冷效果。
6.温度差限制：由于热电制冷片的制冷效果主要取决于温差，因此在实际应用中需要控制温差。
通常情况下，热电制冷片的温差较小，一般在几十摄氏度以下。
7.应用领域：热电制冷片具有体积小、重量轻、无污染、无噪音和可靠性高等特点，广泛应用于微型制冷器、电子设备冷却、激光器冷却、红外探测器等领域。
总结起来，半导体制冷片的原理是通过热电效应将电能转化为热能和冷能。
这种效应通过直流热电模块实现，利用Peltier效应将低温侧冷却和高温侧加热。
热电制冷片具有许多优点，正在逐渐应用于更多领域。
半导体制冷技术
总结
半导体制冷技术已在小功率、小范围制冷制热范围内走近电动汽车领域，而 在代替现在的压缩制冷式空调上至少现阶段在技术方案上和成本上有一段距 离，但可作为现空调设施的某些辅助产品；其代替现在的压缩制冷式空调有 赖于电源技术的进步和自身制冷效率的提高。
➢ 如在车身涂敷技术中能应用上太阳能电池做成太阳能电池车身，利用太阳能电池的能 量供给半导体制冷系统，给夏日停靠的车辆降温，也许会解决所有驾车人的苦恼。
总结：半导体制冷在汽车空调中的应用现阶段由于其电源制造成本和用电成本限制了其应 用，但可以作为现空调系统的辅助。其代替现空调系统的冷暖设备依赖于电源技术和 半导体制冷材料的进步。
半导体制冷技术 在电动汽车上的应用
体制冷又称热电制冷，是利用珀尔贴现象，即温差电致冷效应的一种技术。其本 质是给两种电子能级不同互相接触的物质通直流电，由于载流子从低能级向高能级跃 迁要吸收能量，从而向外界吸热，表现出制冷特性；是一种将电能转化为热能的技术。 在此技术中要产生焦耳热，致使此技术的冷转换效率不高。如下图示为半导体制冷基 本原理：
半导体制冷技术的效率
半导体制冷技术在电动汽车中 的应用
节能，环保的要求以及全球石油资源的紧张使电动汽车上市呼之欲出 ；半导 体制冷技术在电动汽车中 的应用涉及以下三个方面： 车用空调系统 中的制冷制热装置。 电池和大功率驱动器件 等电子零部件的散热。 车载冷热饮水机及车载冰箱等的制冷装置。
半导体制冷在车用空调系统的应用技术分析
➢ 车用空调系统的基本功能是改善驾驶员的工作条件和提高乘员的舒适性。舒适性由人 对下列参数指标的感受和反应决定：温度、湿度、空气流速、含氧量、有害气体含量、 噪声、压力、气味、灰尘、细菌等。
半导体制冷片
半导体制冷片半导体制冷片，也叫热电制冷片，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，无制冷剂污染的场合。
利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。
它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。
历史编辑半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家ThomasSeeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeanPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明(注意，这时叫致冷器，还不叫半导体致冷器)。
由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，N型半导体任何物质都是由原子组成，原子是由原子核和电子组成。
电以高速度绕原子核转动，受到原子核吸引，因为受到一定的限制，所以电子只能在有限的轨道上运转，不能任意离开，而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。
离原子核最远轨道上的电子，经常可以脱离原子核吸引，而在原子之间运动，叫导体。
如果电子不能脱离轨道形成自由电子，故不能参加导电，叫绝缘体。
半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半导体。
半导体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后，不但能大大加大导电能力，而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。
将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体称为N型半导体。
P型半导体P型半导体，是靠“空穴”来导电。
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半导体制冷片的使用和应用
一、正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。
2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。
3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
二、正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。
2、电流不得超过组件的额定电流。
3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。
4、制冷片内部不得进水。
5、制冷片周围湿度不得超过80％。
三、CDL1系列制冷组件使用中的注意问题：1、当采用非专用设备检验该器件时，在工作参数下，热端的温度必须低于80℃，(含改变电流方向冷端变成热端)。
在热端没有散热条件下，瞬间通电进行试验，即用手触摸制冷器的两个端面，感到有一定的热感，一面稍有冷感即可。
否则由于热端温度太高，极易造成器件短路或断路，使制冷器报废。
2、在一般条件下，鉴别制冷组件的极性时可将制冷组件冷端朝上放置，引线端朝向人体方向，此时右侧引线即为正极，通常用红色表示；左侧为负极，通常用黑色，兰或白色表示，此种极性是制冷组件工作时的接线方法。
需制热时，只要改变电流极性即可。
制冷工作时，必须采用直流电源，电源的绞波系数应小于10％。
3、制冷电偶对数及极限电压的识别方法，电偶对数即指PN结点的数量。
例如：制冷器的型号为CDL1-12703，则127为制冷组件的电偶对数，03为允许电流值(单位安培)，制冷组件的极限电压V；电偶对数×0.11，例如：CDLl-12703的极限电压V=l27×0.11=13.97(V)。
4、各种制冷组件不论在使用还是在试验中，冷热交换时必须待两端面恢复到室温时，(一般需要15分钟以上方可进行)。
否则易造成陶瓷片炸裂。
5、为了提高制冷组件的寿命，使用前应该对制冷组件四周外露PN元件进行固化处理。
方法用706单组固化橡胶，均匀地涂在制冷组件四周PN元件上，不要涂在两个端面上。
所涂的橡胶24小时自然固化，固化后呈乳白色有弹性的固体。
固化的目的是使制冷组件电偶与外界空气完全隔离。
起防潮的作用，可提高制冷组件寿命约50％。
6、在安装时，首先用无水酒精棉，将制冷组件的两端擦洗干净，均匀的涂上很蒲的一层导热硅脂：安装表面(储冷板、散热板)应加工，表面平面度不大于0.03MM，并清洗干净；在安装过程中制冷组件的冷端工作面一定要与储冷板接触良好，热端应与散热板接触良好(如用螺丝紧固，用力应均匀，切勿过度)；储冷板、散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，可视情况自行决定；为达到最佳制冷效果，储冷板和散热板之间应当用隔热材料充填，其厚度在25~30mm为宜。
7、
由于压缩机系统高昂的价格，只能被极少数发烧友接受；液氮和干冰也许是骨灰极发烧友才会用到的极限利器，但是蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，没有实用价值。
所以选择了半导体制冷。
把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。
当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称热端如果
电流方向反过来，则冷热端相互转换。
由于一个电偶产生热效应较小（一般约IKcal／h）所以实际上将几十。
上百对电偶联成的热电堆。
所以半导体的致冷即一端吸热一端放热，是由载流子（电子和空穴）流过结点，由势能的变化而引起的能量传递，这是半导体致冷的本质，即帕尔帖效应。
两个水冷头和两块半导体制冷片来个合影，两块半导体制冷片通过导热铜块给CPU冷却，水冷头则给半导体制冷片的热端降温，从而达到把CPU温度控制在室温甚至零度以下的目的。
这里采用的是两片输入功率231W的制冷片，输入电压15V，制冷功率128W。
因为温度会降到零度以下，当温度与环境温度的温差超过8摄氏度时会结露，所以保温工作一定要做好。
这里用到了聚氨酯保温泡沫，保温效果很好。
在外面再穿一层“衣服”——环氧树脂，纯粹为了外观。
如果直接给半导体制冷片通电的话会有被烧毁的危险，在测试之前，主板也要作适当的保护，防止因为温差过大而结霜或者结露。
电路需要一块温控电路（就买市面上可调节温度的温控器模块），一个整流滤波电路（根据你制冷块的功率大小选择电流电压大小，当然要有风扇电源和温控器电源），一个风扇，还有一个电压极性变换电路，这个空调完全可以用汽车上的蓄电瓶带动。