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。

1.什么是半导体制冷器

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。

 

2.半导体制冷器原理  

原理上,半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时,两端之间就会产生热量转移,热量就会从一端转移到另一端,从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量,从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差,这两种热传递的量相等时,就会达到一个平衡点,正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度,可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。

 

什么是半导体制冷器

(图片均来源于网络)

 

风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40~65度之间,如果通过主动散热的方式来降低热端温度,那冷端温度也会相应的下降,从而达到更低的温度。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,以下三点是热电制冷的温差电效应。

 

半导体制冷器原理

(图片均来源于网络)

 

  1. 塞贝克效应SEEBECKEFFECT):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(PELTIEREFFECT):一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应,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.Iл=aTc,式中:Qπ为放热或吸热功率π为比例系数、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(THOMSONEFFECT):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 ,式中: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。

 

(图片均来源于网络)

3.半导体制冷器使用

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,电源纹波系数小于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%。