半导体制冷片制冷原理

原理图 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，上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接组成. 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型半导体材料连结成电偶对时，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。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆(如右图)，以达到增强制冷(制热)的效果。以下三点是热电制冷的温差电效应。

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制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

技术应用

应用有气对气，气对板，气对液体冷却系统 半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何制冷剂，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片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3、半导体制冷片是电流换能型片件，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、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制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、导航系统。

2、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、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、高低温实验仪片。

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、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

1 半导体技术概述

半导体制冷技术又叫温差制冷、热电制冷技术。其主要基于塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应原理，利用P、N型半导体组成的半导体热电偶中电流的流向不同而形成的温差进行制冷与制热。根据帕尔贴效应，电流通过不同材料的接点时，会出现放热或吸热的现象，且热量大小与电流强弱成正比。

2 传统恒温箱与半导体制冷技术恒温箱比较

(1)传统的恒温箱原理简单，主要由温度传感器、制冷压缩机、热风机三部分组成，温度传感器测量内部空气温度，作为信号采集端结合继电器发出命令，当温度高于上限时，开启压缩机制冷，温度下降。温度低于下限时，开启热风机(有的用红外线或电阻丝)加热，温度开始回升。如此来回控制，以达到恒温的目的。而半导体恒温箱实际上是在传统恒温箱基础上做了替代与优化。依据半导体制冷原理，选取半导体制冷芯片替代制冷压缩机作为关键制冷部件，通过改变半导体制冷芯片的电流方向实现制冷制热的双向选择，调节电流强弱来改变升温或降温的幅度，以此将恒温箱内部温度控制在设定理想范围。

(2)就控制温度的精度而言，传统恒温箱的控温精度主要取决于温度传感器的线性和精度，目前市面上大多采用集成温度传感器进行测量，一般情况下，恒温箱内部空间温度达到上、下限时才开始加热或制冷，温度需要一段时间才能达到理想值。因此，对于某些对控温精度要求较高的设备，可设置偏离度，使之提前加热或制冷;就硬件设备而言，传统恒温箱往往需要一个尺寸较大的制冷循环系统来作为温度控制的执行部件，因此其设备体积较大，此外由于振动噪音高、电源需求严格等条件的限制，在特殊场合的使用上有很大局限性。因此，在保证控温精度前提下尽可能降低保温箱的尺寸对实际应用的发展有着很重要的意义。因而半导体制冷技术对恒温箱的应用将其从笨重复杂的结构中解放出来，形成了新型的空调系统。相比于传统恒温箱，半导体恒温箱从根本上解决了制冷剂的使用对环境的污染问题，促使了小型恒温箱的出现，有效解决了不易携带、噪音要求等技术性遗留问题。

3 半导体恒温箱性能研究

(1)小型半导体恒温箱其主要构成部件是由箱体、冷热端的散热片及半导体芯片等组成。而散热组成部分在整个恒温箱中占据着举足轻重的地位，其性能的好坏直接影响着制冷芯片的工作性能。而在半导体恒温箱的散热部分中我们可以采用强制换热的方式增强换热效果，一般有空冷式、水冷式强制对流与重力式热管三种换热类型，其中水冷式效果最好，它是利用较好的材料做成水箱，通入液体(一般是水)进行降温而，在散热片安装时与制冷芯片之间存在连接间隙，因此，散热片的安装方式也会对散热时的热阻产生影响。常见的连接方式有粘结、焊接、机械固定三种，粘结与焊接都使用其他介质对散热片与制冷片进行连接，介质材料的选取对导热性能起主导作用，后者的工艺实现更复杂;机械固定的精度控制要求很高，否则产生的热阻很大。在实际制造中，应结合考虑以上两种因素对散热方式及其安装形式进行选择。(2)下面我们再通过两组试验方案分别从环境温度和热端散热效果因素来对半导体恒温箱的性能进行分析：

试验1：在正常环境温度下，保证散热风扇正常运行及试验用的10v工作电压，并测量记录各时间段的温度读数，一直记录到制冷端及恒温箱内温度稳定为止。然后我们通过降低恒温箱周围的环境温度，并测量记录各时间段的温度。测试数据见图1。

由图1可以看出随着环境温度降低的变化，热端温度也开始下降，而冷端温度和恒温箱内温度也随之慢慢下降。到试验的50分钟左右时，从测试记录来看温度又开始处于比营造环境温度前略低相对稳定的状态。所以由此看出环境温度的降低对恒温箱内部的温度也会造成显著的影响。

试验2：保证10v的试验电压，并且把环境温度控制在29度左右来测量一下散热风扇在运行和停运情况下各时间段恒温箱内部的温度，测试数据见图2。

测试在前50分钟内保持散热风扇处于运行状态。由图2可以看出在前10分钟内恒温箱内温度及制冷端的温度快速下降至16度和-4度左右，而热端温度上升至35度左右。然后温度处于稳定平衡状态。在50分钟后停止散热风扇运行，而此时冷热端温度随着时间变化而快速上升。到20分钟后制冷端温度接近箱内温度，从而看出制热端的散热好坏对半导体制冷效果有着显著的影响，因此在恒温箱内加强对热端的散热效果，有利于增强制冷效果达到恒温的目的。

因而通过上面对散热器的两组试验进行分析可以看出，半导体制冷技术对于恒温箱内环境温度、热端散热效果及散热器类型和装置以及半导体热电制冷性能有着显著的影响。

4 半导体制冷技术在恒温箱的应用范围

就像前文说的那样恒温箱是一种封闭式空间装置，因其内部温度恒定而能满足现代各领域作业的恒温需要。在生物前沿实验研究中可以作为培育或运输的工具，在城市防疫站、疾控中心中也能作为特殊药品的储存空间站，同时医院中还可以作为新生儿培育箱，对于城市水质地质检测等也有着广泛应用，这是新科技发展时代中必不可少的重要工具。

半导体制冷技术作为一种新型的制冷技术把它运用到恒温箱制冷设备中从而一举解决了其散热难等问题。而且半导体制冷技术不仅符合绿色环保要求和无噪声污染、清洁及无有害物质排放，并且还拥有稳定性好、可靠性高等一系列的优点。在未来发展中该技术应不仅在恒温箱内部设备散热方面具有发展空间，同时也必将广泛应用于化学工业、医疗保健、农林畜牧、生物实验等多个领域，因此未来半导体制冷技术将呈上升发展趋势。