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。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。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，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（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.△TQτ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。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。中国在半导体制冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了现在的半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。制冷片的技术应用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、导行系统。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、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。p一、原理概述大家知道CPU工作时温度越低越好。很多文章都谈到CPU散热是否良好是超频能否成功的一个关键因素。一般通过用大风扇、涂导热硅脂等来改善CPU的散热条件，但这些方法都不可能使CPU的温度低于室温。这里谈到的半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。一般CPU的发热功率小于30W，而制冷器的功率则大于50W，如果散热良好，它完全可能使CPU工作在接近0℃甚至0℃以下。半导体制冷器的用途很多，可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。也用于电子器件的散热。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。以市面常见的TEC1-12605为例，其额定电压为：12v，额定电流为5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4X4X0.４Cm，重约25克。它的工作特点是一面制冷而一面发热。接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过P型半导体，在此吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。下图是一个致冷器的典型结构，由许多N型和P型半极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，最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。二、安装使用制冷片的安装及使用很简单。在安装前，最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。正式安装时，在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，在CPU与散热器之间插入制冷片，请注意先试好的冷热面方向，冷面贴着CPU，热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。然后想法固定好三者。要注意风扇的卡子不能太短，否则会很难固定。固定好后，就可以给制冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)，如果你机箱电源功率小于230W，我劝你别接到机箱电源上，否则有可能因电源功率不足，造成电脑无法正常工作。推荐使用外接的沟缭炊云涞ザ拦┑纾环矫婵梢酝鹘诘缪谷〉煤鲜实奈虏睿苊饨崧痘蚬龋币脖苊饬硕灾骰缭吹挠跋臁＝ㄒ榻评淦左右的电压，在此电压下制冷片的制冷量和冷热面温差都比较合适。微机电源接线图三、注意事项１、注意热端的散热。半导体制冷的热面温度不应超过60℃，否则就有损坏的可能。若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。同时千万不要在无散热器的情况下为致冷器长时间通电，否则会造成致冷器内部过热而烧毁。２、结露问题。当半导体制冷片陶瓷表面的温度降至一定程度时，就很可能会产生结露现象，是否会“结露”与温度和湿度有关(即气象学中所谓“露点”的概念）。在电脑机箱中结露的情况是绝对不允许发生的。比较保险的方法是让半导体制冷器的冷面工作在20℃左右为宜；可以通过调整制冷片电压或散热片风扇转速来调节。３、电脑电源功率问题。制冷片的功耗可能高达60W，这样大的负载无疑有可能会让质量不好的计算机电源发生问题。尤其值得注意的是，计算机电源中提供的5V和12V电源的电流是不相同的，一般5V电源可提供20A以上的电流，而12V电源仅提供6A左右的电流。所以采用5V电压比较保险，也可以用外接稳压电源。４、注意机箱的散热。很显然，制冷片在降低CPU温度的同时，其热端的发热也相当大，可能导致机箱内温度升高，影响其他部件的工作。所以要注意机箱的散热，不妨在机箱内适当位置再加一个散热风扇。５、别对制冷片的效果抱太大幻想。必须说明，制冷片只是在一定程度上可以增强超频后CPU的稳定性，而并不能改变CPU原有的超频极限。由于制冷器比散热风扇昂贵许多，且在使用上有一定危险性和副作用，除非你愿意体验一种特别的感觉，在是否使用半导体制冷片的问题上一定要三思。产品外观型号：TEC1-12605额定电压：12v额定电流：5A最大温差：60摄氏度尺寸：4X4X0.5Cm适用于Socket7及Socket370的CPU。Slot1的CPU也可以用，但安装起来比较麻烦，不推荐使用。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