半导体制冷原理和结构以及特点与安装

半导体制冷(亦称热电 制冷、温差电制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，采用具有热电能量转换特性的半导体材料进行制冷。由于半导体制冷不用制冷剂，无机械传动部分，并且冷却速度和制冷温度可任意调节，现已广泛用于生产、生活各个领域中。
一、半导体制冷原理简介
半导体制冷是利用半导体材料的珀尔帖(Peltier)效应，即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，从而实现制冷的目的，其整个制冷过程由五种不同的效应组成，它们分别是:赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。
1.赛贝克效应

在两种不同导体构成的回路如果两个接头处的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势，如图1所示。

图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数(也称为温差电动势率，每种材料都有固定的赛贝克系数)。
2.珀尔帖效应
当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点处会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。

因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的制冷效果，如图2所示。

N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热;同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。
3.汤姆逊效应

当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换，如图3所示。

4.焦耳效应
单位时间内电流通过导体产生的热量Q等于导体的电阻R与电流I的平方的乘积，即Q=I²R。
5.富里叶效应
单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比，即Q=Sx△T。
二、半导体制冷组件的结构和性能
1.半导体制冷组件的结构

半导体按导电类型分N型材料和P型材料，将N型元件和P型元件大规模串联成回路，使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件，这样就形成了半导体制冷组件，如图4所示。

从图4中可以看出，制冷组件的上下面是陶瓷片，起电绝缘、导热和支撑作用，其主要成分是95%的氧化铝。
与陶瓷片连接的是导流片，它的成分是无氧铜，起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。上下导流片之间是半导体制冷元件，它的主要成分是碲化铋，是制冷组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。
2.最高施加电压和最大温差电流
常温下每对半导体制冷元件所允许最高施加的电压是0.12V，则每种制冷组件所允许最高施加电压是元件对数x0.12V。每片制冷组件的最大温差电流可以粗略地计算:元件对数X0.12X0.77/R。
3.半导体制冷的特性曲线

半导体制冷的特性曲线表示半导体制冷组件的工作电流和产冷功率的关系，呈拋物线形状。下面以TEC1-12705型半导体为例，其制冷的特性曲线如图5所示。

图中纵坐标是产冷功率，横坐标是工作电流，Th是热面温度。从图中看出:电流达到最大温差电流.时和略低的电流时(比如电流从5A降到4A)的产冷功率相差不大，但是输人的电功率相差却很大。
提示：半导体制冷器的供电为直流电源，且电源的纹波系数必须小于10%，否则对制冷效果有较大的影响。
三、半导体制冷的主要特点
1.工作时无振动、无噪音
由于半导体制冷片是一种固体片件，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，工作时没有震动、噪音寿命长，安装容易。
2.可实现多种方式的高精度控制
半导体制冷片是电流换能型片件，通过输人电流的控制，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及计算机控制 ，便于组成自动控制系统。
3.制冷/制热快
半导体制冷片热惯性非常小，制冷/制热速度快，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。
4.组合灵活
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，并用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做得很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
5.温差范围宽
半导体制冷片既能制冷又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统或制冷系统。半导体制冷片的温差范围宽，从-130°C~+90°C都可以实现。
6.可利用其温差进行发电
若将半导体制冷片反向使用，就可利用其温差进行发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
通过以上分析，半导体制冷片可用于制冷加热发电系统中。在日常生活方面，主要用于空调、冷热两用箱、饮水机、车载冰箱、电脑等产品中。
四、半导体制冷器件的散热方式
半导体制冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体制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，其常见的散热方式如下:
1.自然散热
该方式采用导热较好的材料，如用紫铜材料做成各种散热器，在静止的空气中自由地散发热量。该方式使用方便，缺点是整体体积较大。
2.充液散热
用较好的散热材料做成储液箱，用流通的液体(常采用水)的方法来降温。该方式的优点是体积小，散热效果最好，但缺点是结构复杂。
3.强迫风冷散热
该方式的散热器所用的材料和自然散热器相同，但增加安装-个风扇，使流过散热器的空气为流动空气。该方式使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是工作中风扇有噪音。
五、半导体制冷器件的安装方法
制冷器的安装方法一般有接、粘合、螺栓压缩固定等三种方法。在生产上具体用哪一种方法安装，要根据产品的要求来定。无论采用哪种方法，在安装前，都要用无水酒精棉将制冷器件的两端面擦洗千净，并对储冷板和散热板的安装表面进行加工，使其平面的凸凹相差度不大于0.03mm。
1.焊接
该方法要求制冷器件外表面必须金属化，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、制冷器进行加温(温度和焊料的熔点差不多)，然后在各安装表面都熔，上70°C~110°C之间的低温焊料，最后将制冷器件的热面和散热板的安装面，制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
先找一种具有较好导热性能的粘合剂，均匀地涂在制冷器件、储冷板、散热板的安装面上(粘合剂的厚度约0.03mm)，接下来将制冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行地挤压，并且轻轻地来回旋转，确保各接触面良好接触，最后通风放置24小时待其自然固化即可。
该安装方法一般用在想永久地把制冷器固定在散热板或储冷板的场合。
3.螺柱压缩固定
该方法是先在制冷器件、储冷板、散热板各安装面上均匀地涂上很薄的一层导热硅脂(粘合剂的厚度约0.03mm)，然后将制冷器件的热面和散热板的安装面、制冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻地来回旋转制冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面接触良好，最后用螺丝将散热板、制冷器、储冷板三者之间紧固。紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压环制冷器件，轻了容易造成工作面不接触。
该安装方法简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前应用得最多的一种安装方法。
为了让上述三种安装方法能够达到出色的/卓越的/优异的/杰出的的制冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应加隔热垫圈。