半導(dǎo)體制冷原理和結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)與安裝

半導(dǎo)體制冷(亦稱熱電 制冷、溫差電制冷或電子制冷)是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，采用具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體材料進(jìn)行制冷。由于半導(dǎo)體制冷不用制冷劑，無機(jī)械傳動(dòng)部分，并且冷卻速度和制冷溫度可任意調(diào)節(jié)，現(xiàn)已廣泛用于生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域中。
一、半導(dǎo)體制冷原理簡(jiǎn)介
半導(dǎo)體制冷是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷的目的，其整個(gè)制冷過程由五種不同的效應(yīng)組成，它們分別是:賽貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和富里葉效應(yīng)。
1.賽貝克效應(yīng)

在兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路如果兩個(gè)接頭處的溫度不同，回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種電動(dòng)勢(shì)就稱為賽貝克電動(dòng)勢(shì)或溫差電動(dòng)勢(shì)，如圖1所示。

圖中△U是溫差電動(dòng)勢(shì)，它的大小與兩結(jié)點(diǎn)間的溫差成正比，比例常數(shù)為賽貝克系數(shù)(也稱為溫差電動(dòng)勢(shì)率，每種材料都有固定的賽貝克系數(shù))。
2.珀?duì)柼?yīng)
當(dāng)直流電流通過由不同導(dǎo)體連接形成的回路時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為珀?duì)柼?yīng)。

因?yàn)榘雽?dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)比金屬更為強(qiáng)烈，所以用半導(dǎo)體制作的組件可以達(dá)到較好的制冷效果，如圖2所示。

N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當(dāng)溫差電偶的N型元件接入直流電正極，P型元件接入負(fù)極時(shí)，N型元件中的電子在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時(shí)放熱，同樣P型元件中的空穴在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的負(fù)電荷聚合，聚合時(shí)放熱;同時(shí)，電子與空穴在上端分離，分離時(shí)吸收熱量。當(dāng)改變電流的方向時(shí)，吸熱端會(huì)變?yōu)榉艧岫?，放熱端?huì)變?yōu)槲鼰岫恕?br />3.湯姆遜效應(yīng)

當(dāng)電流通過有溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，則在導(dǎo)體和周圍環(huán)境之間進(jìn)行能量交換，如圖3所示。

4.焦耳效應(yīng)
單位時(shí)間內(nèi)電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q等于導(dǎo)體的電阻R與電流I的平方的乘積，即Q=I2R。
5.富里葉效應(yīng)
單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比，即Q=Sx△T。
二、半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)和性能
1.半導(dǎo)體制冷組件的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體按導(dǎo)電類型分N型材料和P型材料，將N型元件和P型元件大規(guī)模串聯(lián)成回路，使每個(gè)元件相連接的都是不同導(dǎo)電類型的元件，這樣就形成了半導(dǎo)體制冷組件，如圖4所示。

從圖4中可以看出，制冷組件的上下面是陶瓷片，起電絕緣、導(dǎo)熱和支撐作用，其主要成分是95%的氧化鋁。
與陶瓷片連接的是導(dǎo)流片，它的成分是無氧銅，起導(dǎo)電和導(dǎo)熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化圖形上。上下導(dǎo)流片之間是半導(dǎo)體制冷元件，它的主要成分是碲化鉍，是制冷組件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通過錫焊接在導(dǎo)流片上。
2.最高施加電壓和最大溫差電流
常溫下每對(duì)半導(dǎo)體制冷元件所允許最高施加的電壓是0.12V，則每種制冷組件所允許最高施加電壓是元件對(duì)數(shù)x0.12V。每片制冷組件的最大溫差電流可以粗略地計(jì)算:元件對(duì)數(shù)X0.12X0.77/R。
3.半導(dǎo)體制冷的特性曲線

半導(dǎo)體制冷的特性曲線表示半導(dǎo)體制冷組件的工作電流和產(chǎn)冷功率的關(guān)系，呈拋物線形狀。下面以TEC1-12705型半導(dǎo)體為例，其制冷的特性曲線如圖5所示。

圖中縱坐標(biāo)是產(chǎn)冷功率，橫坐標(biāo)是工作電流，Th是熱面溫度。從圖中看出:電流達(dá)到最大溫差電流.時(shí)和略低的電流時(shí)(比如電流從5A降到4A)的產(chǎn)冷功率相差不大，但是輸人的電功率相差卻很大。
提示：半導(dǎo)體制冷器的供電為直流電源，且電源的紋波系數(shù)必須小于10%，否則對(duì)制冷效果有較大的影響。
三、半導(dǎo)體制冷的主要特點(diǎn)
1.工作時(shí)無振動(dòng)、無噪音
由于半導(dǎo)體制冷片是一種固體片件，不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生 回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音壽命長(zhǎng)，安裝容易。
2.可實(shí)現(xiàn)多種方式的高精度控制
半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸人電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控程控及計(jì)算機(jī)控制 ，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。
3.制冷/制熱快
半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷/制熱速度快，在熱端散熱良好，冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。
4.組合靈活
半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，并用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做得很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。
5.溫差范圍寬
半導(dǎo)體制冷片既能制冷又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍寬，從-130°C~+90°C都可以實(shí)現(xiàn)。
6.可利用其溫差進(jìn)行發(fā)電
若將半導(dǎo)體制冷片反向使用，就可利用其溫差進(jìn)行發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。
通過以上分析，半導(dǎo)體制冷片可用于制冷加熱發(fā)電系統(tǒng)中。在日常生活方面，主要用于空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、車載冰箱、電腦等產(chǎn)品中。
四、半導(dǎo)體制冷器件的散熱方式
半導(dǎo)體制冷器件的散熱是一門專業(yè)技術(shù)，也是半導(dǎo)體制冷器件能否長(zhǎng)期運(yùn)行的基礎(chǔ)。良好的散熱才能獲得最低冷端溫度的先決條件，其常見的散熱方式如下:
1.自然散熱
該方式采用導(dǎo)熱較好的材料，如用紫銅材料做成各種散熱器，在靜止的空氣中自由地散發(fā)熱量。該方式使用方便，缺點(diǎn)是整體體積較大。
2.充液散熱
用較好的散熱材料做成儲(chǔ)液箱，用流通的液體(常采用水)的方法來降溫。該方式的優(yōu)點(diǎn)是體積小，散熱效果最好，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
3.強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱
該方式的散熱器所用的材料和自然散熱器相同，但增加安裝-個(gè)風(fēng)扇，使流過散熱器的空氣為流動(dòng)空氣。該方式使用方便，體積比自然冷卻的小，缺點(diǎn)是工作中風(fēng)扇有噪音。
五、半導(dǎo)體制冷器件的安裝方法
制冷器的安裝方法一般有接、粘合、螺栓壓縮固定等三種方法。在生產(chǎn)上具體用哪一種方法安裝，要根據(jù)產(chǎn)品的要求來定。無論采用哪種方法，在安裝前，都要用無水酒精棉將制冷器件的兩端面擦洗千凈，并對(duì)儲(chǔ)冷板和散熱板的安裝表面進(jìn)行加工，使其平面的凸凹相差度不大于0.03mm。
1.焊接
該方法要求制冷器件外表面必須金屬化，儲(chǔ)冷板和散熱板也必須能夠上焊料(如銅材的儲(chǔ)冷板或散熱板)。安裝時(shí)先將儲(chǔ)冷板、散熱板、制冷器進(jìn)行加溫(溫度和焊料的熔點(diǎn)差不多)，然后在各安裝表面都熔，上70°C~110°C之間的低溫焊料，最后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面，制冷器件的冷面和儲(chǔ)冷板的安裝面平行接觸并且旋轉(zhuǎn)擠壓，確保工作面的接觸良好后冷卻。該安裝方法較復(fù)雜，不易維修，一般應(yīng)用在較特殊的場(chǎng)合。
2.粘合
先找一種具有較好導(dǎo)熱性能的粘合劑，均勻地涂在制冷器件、儲(chǔ)冷板、散熱板的安裝面上(粘合劑的厚度約0.03mm)，接下來將制冷器的冷熱面和儲(chǔ)冷板、散熱板的安裝面平行地?cái)D壓，并且輕輕地來回旋轉(zhuǎn)，確保各接觸面良好接觸，最后通風(fēng)放置24小時(shí)待其自然固化即可。
該安裝方法一般用在想永久地把制冷器固定在散熱板或儲(chǔ)冷板的場(chǎng)合。
3.螺柱壓縮固定
該方法是先在制冷器件、儲(chǔ)冷板、散熱板各安裝面上均勻地涂上很薄的一層導(dǎo)熱硅脂(粘合劑的厚度約0.03mm)，然后將制冷器件的熱面和散熱板的安裝面、制冷器件的冷面和儲(chǔ)冷板的安裝面平行接觸，并且輕輕地來回旋轉(zhuǎn)制冷器，擠壓過量的導(dǎo)熱硅脂，一定要確保各工作面接觸良好，最后用螺絲將散熱板、制冷器、儲(chǔ)冷板三者之間緊固。緊固時(shí)用力應(yīng)均勻，切勿過量或太輕，重了易壓環(huán)制冷器件，輕了容易造成工作面不接觸。
該安裝方法簡(jiǎn)單、快速，維修方便，可靠性較高，是目前應(yīng)用得最多的一種安裝方法。
為了讓上述三種安裝方法能夠達(dá)到出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的的制冷效果，儲(chǔ)冷板和散熱板之間應(yīng)用隔熱材料填充，固定螺絲應(yīng)加隔熱墊圈。