半导体致冷模块原理与应用

半导体致冷模块原理与应用

    半导体致冷器, 也叫热电致冷器或温差致冷器, 它采用了帕尔贴效应。所谓珀尔帖效应就是指 陶瓷在发生冲击时，因表面侧与中心部的温度差而产生热移动的热电效果。
    国内80 年代末期，在医疗领域就有应用。约2000年进入家庭，应用较早的是饮水机制冷系统。2002年市场开始见到此产品零售（仅指我所在地区）。
一、原理

1、珀尔帖效应
　　1934年珀尔帖(Peltier)发现，当电流通过两种金属接头处时，除产生与电流方向无关的焦耳热外，还在接头处吸热或放热，这种现象称为珀尔帖效应.吸收或放出的热量称为珀尔帖热。珀尔帖效应是可逆的，当电流反向时，吸热或放热的接头也随之改变。实验发现，吸收或放出的热量与电流强度I成正比，且与接头处的温度有关。如图3-3所示。

2、实物图
    由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N P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，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片绝缘且导热良好。电源线两端通入直流电以后，制冷模块两端一端制冷，另一端发热。改变电源极性，冷热端面互相交换，电流在这里只是一个热传递工具。(下图为实物图)。




半导体制冷材料，不仅需要N型和P型半导体特性，还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率，导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3。

二、应用
1、主要性能与参数

   型号      电流(A) 电压(V)  外型尺寸(mm)  最大温差(℃)      最大致冷(W)    重量(g)   单价
TEC1-12708     8      12      50×50×4.5          ＞65        68（59大卡/h）  41.5      80元
TEC1-12705     5      12      40×40×4.2        ＞65          39（34大卡/h）  23.5      45元
TEC1-12703     3      12      40×40×5           ＞65          25（22大卡/h）  25.0      45元
TEC1-07105     5      6       30×30×4.2          ＞65         22（19大卡/h）  12.5      35元
TEC1-07103     3      6       30×30×5            ＞65         14（12大卡/h）   14.0      35元
TEC1-03105     5      3       20×20×4.2        ＞65            9 （8大卡/h）    5.5       30元
TEC1-03103     3      3       20×20×5            ＞65          6 （5大卡/h）     6.2       30元
TEC1-01705     5     1.5      1.5×1.5×4.2     ＞65             5  (4大卡/h)      3.0       28元
TEC1-01703     3     1.5      1.5×1.5×5        ＞65            3 (2.5大卡/h)     3.5       28元

型号说明：
    例如：TEC1-12705。 TEC1--厂标；127--制冷组件的电偶对数；05--额定电流值。
2、安装及使用注意事项
    （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。 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，使致冷器报废。冷热交换时必须待两端面恢复到室温时，否则易造成陶瓷片炸裂。
    （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。
    （4）必须使用直流电源，电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。 通常用红色表示正极；通常用黑色表示负极，兰或白色表示。需制热时，只要改变电源极性即可。
    （5）电流不得超过组件的额定电流。
    （6）制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。
    （7）制冷片内部不得进水。 制冷片周围湿度不得超过80％。
    （8）制冷组件的极限电压V=电偶对数×0.11。例如：TEC1-12705的极限电压，V=l27 ×0.11=13.97(V)。
    （9）为了提高制冷组件的寿命，使用前应该对制冷组件四周外露PN元件进行固化处理。用706单组固化橡胶，均匀地涂在制冷组件四周PN元件上，不要涂在两个端面上。固化后呈乳白色有弹性的固体，目的是使制冷组件电偶与外界空气完全隔离，起防潮的作用，可提高制冷组件寿命约50％。
    （10）散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，可视情况自行决定；为达到最佳制冷效果，储冷板和散热板之间应当用隔热材料充填，其厚度在25 ~ 30mm为宜。
    （11）需要调节温度时，应装温控电路。

本文参考资料：
    1、机械工业出版社《实用制冷手册》；
    2、生产厂使用说明书。