陶瓷制冷片的知识祥解.docx

陶瓷制冷片的知识祥解制冷片的简介　 半导体制冷片（TE)也叫热电制冷片，是一种热泵,它的长处是没有滑动部件,应用在某些空间受到限制，可靠性规定高，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,通过变化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，如下的图就是一种单片的制冷片,它由两片陶瓷片构成，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构成 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型元件的接头吸取热量，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，如下三点是热电制冷的温差电效应　　1、 塞贝克效应(SEEBECK　ＥFFEＣT）ﻫ　　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,则在导体中产生一种温差电动势：　ＥS=＂S＂.△Tﻫ 　式中:EＳ为温差电动势 　Ｓ(?）为温差电动势率（塞贝克系数）ﻫ　　△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ﻫ　 Ｉ为工作电流ﻫ 　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，导体还要放出或吸取热量,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ﻫ I为工作电流 　△T为温度梯度ﻫ　　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,于一九五四年刊登了研究成果，表白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重要成分ﻫ 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,才达到相称水平，得到大规模的应用,也就是我们目前的半导体制冷片件ﻫ　　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年代初是国内半导体制冷片技术发展的一种台阶。

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，因而才有了目前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,在技术应用上具有如下的长处和特点:1、 不需要任何制冷剂,可持续工作,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ﻫ2、　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，永远不小于1因此使用一种片件就可以替代分立的加热系统和制冷系统ﻫ3、 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，便于构成自动控制系统ﻫ４、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间不久,在热端散热良好冷端空载的状况下,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,半导体制冷片一般合用于中低温区发电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、并联的措施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畴。

ﻫ7、 半导体制冷片的温差范畴,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畴有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍,有如下几种方面:ﻫ1、　军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统ﻫ2、 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、多种恒温、高下温实验仪片ﻫ４、　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、 平常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等此外，尚有其他方面的应用，这里就不一一提了ﻫ致冷片的性能　 在应用致冷片前,要进一步的理解它的性能,事实上致冷片的冷端从周边吸取的热Ｑπ外,尚有两个，一种是焦耳热ＱＪ；另一种是传导热ＱK电流从元件内部通过就产生焦耳热,焦耳热的一半传到冷端,另一半传到热端,传导热从热端传到冷端ﻫ 产冷量ＱＣ＝Qπ-QJ－QK＝(２P-２ｎ).Tc．I－1／2j２R-K(Th-Ｔｃ)ﻫ　　式中，R表达一对电偶的总电阻,K是总热导　　热端散掉的热Qh=Qπ+Qj-Qｋ=（2p－2n）.Th.Ｉ+1／2I２Ｒ-K（Tｈ－Ｔc)　　从上面两公式中可以看出,输入的电功率正好就是热端散掉的热与冷端吸取的热之差，这就是“热泵”的一种：Qh-Qｃ=I2R=P 　由上式得出一种电偶在热端放出的热量Ｑh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。

ﻫ　　Qｈ=Ｐ+Qc　Qｃ="Qh-P"ﻫ　 　　　 　　           　致冷片的选择过程ﻫﻫ 半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷片,根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范畴，选用电堆时一方面应拟定如下几种问题：ﻫ 　1、 拟定电堆的工作状态根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷,加热和恒温性能,尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能ﻫ　　2、 拟定致冷时热端实际温度由于电堆是温差片件,要达到最佳的致冷效果，电堆必须安装在一种良好的散热片上,根据散热条件的好坏,决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热片表面温度高,一般少则零点几度,多则高几度、十几度同样,除了热端存在散热梯度以外,被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度 3、　拟定电堆的工作环境和氛围这涉及是工作在真空状况还是在一般大气,干燥氮气，静止或流动空气及周边的环境温度,由此来考虑保温(绝热）措施,并决定漏热的影响　　４、拟定电堆工作对象及热负载的大小除了受热端温　度影响以外,电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下拟定的,事实上工作的,电堆既不也许真正绝热,也必须有热负载,否则无意义。

ﻫ　　5、拟定致冷片的级数电堆级数的选定必须满足实际温差的规定,即电堆标称的温差必须高于实际规定的温差，否则达不到规定，但是级数也不能太多,由于电堆的价格随着级数的增长而大大提高　　6、 电堆的规格选定电堆的级数后来，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流由于同步能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同,一般选用工作电流最小的电堆，由于这时配套电源费用较小,然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增长电压（每对元件0．１v)，因而元件对数就得增长ﻫ　　7、 拟定电堆的数量这是根据能满足温差规定的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和不小于工作对象热负载的总功率，否则无法达到规定电堆的热惯性非常小，空载下不不小于一分钟,但是由于负载的惯性(重要是由于负载的热容量导致的),因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远不小于一分钟,多时达几小时如工作速度规定愈大,电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大) 上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则,根据上述原顾客一方面应根据需要提出规定来选择致冷片件。

一般的规定:　　①、给定使用的环境温度Ｔh ℃　 ②、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc ℃ 　③、已知热负载Q(热功率Qp 、漏热Ｑt） W　 已知Th、Ｔc和Q，再根据温差致冷片的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量　 1、拟定致冷片的型号规格ﻫ　 2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图 3、由使用环境温度和散热方式拟定致冷片的热端温度Th，得出相近的Ｔc 　４、在相应的特性曲线图中查出冷端Qｃ的产冷量 　5、由所需的产冷量Ｑ除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Ｑ/Qc半导体制冷片的散热方式　　半导体制冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体制冷片件能否长期运营的基本良好的散热才干获得最低冷端温度的先决条件如下就是半导体制冷片的几种散热方式:ﻫ 1、　自然散热ﻫ 采用导热较好的材料,紫铜铝材料做成多种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用以便，缺陷是体积太大ﻫ　　2、 充液散热ﻫ　 用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的措施降温缺陷是用水不以便，浪废太大，长处是体积小，散热效果最佳ﻫ　　3、 逼迫风冷散热　 工作氛围为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相似，使用以便，体积比自然冷却的小,缺陷是增长一种风机浮现噪音。

4、　真空潜热散热　　最常用的就是“热管”散热片,它是运用蒸发潜热迅速传递热容量ﻫ半导体制冷片的电源　　半导体制冷片是输入直流电源工作的，必须配备专用电源 1、　直流电源直流电源的长处是可以直接使用，不需要转换,缺陷是电压电流必须合用于半导体制冷片,有些可以通过半导体制冷片的串、并联的方式解决ﻫ　 2、 交流电流这是一种最一般的电源,使用时必须整流为直流才干供制冷片使用由于制冷片件是低电压大电流片件，应用时先降压、整流、滤波,有些为了以便使用还要加上温度测量,温度控制,电流控制等 　3、 由于半导体制冷片是直流电源供应，电源的波纹系数必须不不小于1０%,否则对制冷效果有较大的影响　 4、 半导体制冷片的工作电压及电流必须符合所工作片件的需要，例如:型号为TEC11２７06的片件,则127为制冷片件，ＰN的电偶对数，制冷片的工作极限电压V＝电偶对数×0.11，０6为容许通过最大的电流值ﻫ ５、 制冷片冷热互换时的通电必须待两端面恢复到室温时（一般需要5分钟以上方可进行），否则易导致制冷片的线路损坏和陶瓷片的破裂ﻫ　 6、 半导体制冷片电源的电子线路都是常用通用的，在一般的电子技术参照书中都可以查到，如下图就是简朴的两个变压整流、滤波、电源图。

半导体致冷器的安装措施ﻫ 　致冷器的安装措施一般有三种:焊接、粘合、螺栓压缩固定在生产上具体用那一种措施安装，要根据产品的规定来定,总的来说对于这三种的安装时，一方面都要用无水酒精棉,将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不不小于0.0３mm,并清洗干净,如下就是三种安装的操作过程 1、焊接　　焊接的安装措施规定致冷器件外表面必须是金属化，储冷板和散热板也必须可以上焊料（如：铜材的储冷板或散热板)安装时先将储冷板、散热板、致冷器进行加温,(温度和焊料的熔点差不多）在各安装表面都熔上约70℃——１10℃之间的低温焊料０.1mｍ然后将致冷器件的热面和散热板的安装面,致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，保证工作面的接触良好后冷却，该安装措施。