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【分享】半导体致冷--珀尔帖效应(全解析)

祥子

2011/05/06

紫外可见分光光度计（UV）

半导体致冷--珀尔帖效应(全解析)

整理：nemoium

1. 珀尔帖效应

图(1)是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，A点的热量被移到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，这就是著名的Peltier effect.

图1

对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

1837年，俄国物理学家愣次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。

　　Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc

　　式中：Q——放热或吸热功率

　　π——比例系数，称为珀尔帖系数

　　I——工作电流

　　a——温差电动势率

　　Tc——冷接点温度

2.半导体致冷器件结构和原理

致冷器的名称相当多，如 Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称 T.E 或 T.E.C)、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。

致冷器是由许多N型和P型半导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、铝或其它金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图2和3所示，看起来像三明治。

一个实际的TEC器件如图2

图2

其内部结构如下图3

图3

内部实物图如下：

其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源。

图4

图5

图6

一个演示flash，点击start开始。

[flash=480,400]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/201105061134225660_01_0_3.swf[/flash]

3.应用

、

图7

4. 应用TEC器件温度控制

一个温度控制原理图如图8：

图8

TEC的功能实现取决于供电电流的方向，通过改变电流方向实现制热或者制冷。

TEC的控制也比较简单，已经有专门的驱动IC，比如MAX1968

原理图如下：

图9

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。

精
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分
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tutm

第1楼2011/05/06

这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。

0

祥子

第2楼2011/05/06

确实实现起来比较简单。据上面说，制热效率高于制冷的。

很新颖对我来说，呵呵。
tutm(tutm) 发表:这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。

0

tutm

第3楼2011/05/06

呵呵，买一个来玩玩，不贵的。20-50元一块，加个CPU散热器，接一个普通的12V电源就能使了，大热天做点冰水饮料不错。淘宝上很多的。
祥子(nemoium) 发表:确实实现起来比较简单。据上面说，制热效率高于制冷的。

很新颖对我来说，呵呵。

0

tutm

第4楼2011/05/06

制冷效率大约只及压缩机效率的十分之一

0

祥子

第5楼2011/05/06

.........这么便宜,呵呵，买一个干嘛用没想好。
tutm(tutm) 发表:呵呵，买一个来玩玩，不贵的。20-50元一块，加个CPU散热器，接一个普通的12V电源就能使了，大热天做点冰水饮料不错。淘宝上很多的。

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祥子

第6楼2011/05/06

呵呵，没概念，我想做冰糕，怎么样。
tutm(tutm) 发表:制冷效率大约只及压缩机效率的十分之一

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精
该帖子已被管理者-设置为精华，下面是奖励记录：加20积分,加5声望

tutm

第7楼2011/05/06

要零度以下恐怕得要2-3层叠起来的那种，就是串联制冷的，因为常规使用时每块两面的温差一般是20-30度（理论上可达60度，但实际达不到的）
祥子(nemoium) 发表:呵呵，没概念，我想做冰糕，怎么样。

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yuduoling

第8楼2011/05/06

了解一下这个原理了。

0

夕阳

第9楼2011/05/06

应助达人

好文章，收藏了

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antieve

第10楼2011/05/09

不错。以前一起不知道这个P制冷是怎么回事。

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