陶瓷制冷片的知识祥解

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1、瓷制冷片的知识祥解制冷片的介绍半导体制冷片(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9謊極 孚讫务4L 放炬 Thro-豆诉电晋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

2、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(SEEBECK EFFECT)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.AT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(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

3、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。Qn二n.I Ji=aTc式中：Qn为放热或吸热功率n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(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，导体还要放出或吸收热量， 在温差为AT的导体两点之间，其放热量或吸热量为：Qt二t.I.ATQt为放热或吸热功率t 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

4、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

5、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

6、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90C到负温度130C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；

7、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。致冷片的性能在应用致冷片前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷片的冷端从周围吸收的热Qn夕卜，还有两个， 一个是焦耳热QJ；另一个是传导热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。产冷量 QC=Qn -QJ-QK=（2P-2n）

8、.Tc.IT/2j2R-K（Th-Tc） 式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。热端散掉的热 Qh=Qn+Qj-Qk=（2p-2n）.Th.I+l/2I2R-K（Th-Tc） 从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是“热泵” 的一种：Qh-Qc=I2R=P由上式得出一个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。Qh=P+Qc Qc=Qh-P致冷片的选择过程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，弱点及应用范围，选 用电堆时首先应确定以下几个问题：

9、1、确定电堆的工作状态。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。2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差片件，要达到最佳的致冷效果，电堆必须安装在一个 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，通常少则零点几度，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、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动 空气及周围的环境温度，

10、由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。4、确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确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则 无意义。5、确定致冷片的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标称的温差必须高于实际 要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因为电堆的价格随着级数的增加而大大提高。6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。因为同时 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，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配

11、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加电压（每对元 件0. 1 v） ，因而元件对数就得增加。7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求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大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不 大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工 作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，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

12、上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷片 件。一般的要求： 、给定使用的环境温度Th C 、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc C 、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、确定致冷片的型号规格例如：TE C 1127 06最犬时的由流IIH3K 元件衬数致冷器的级数 元件的面积丸于阿致谕器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确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

13、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行的基础。良好的散热才能 获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体制冷片的几种散热方式：1、自然散热。采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺 点是体积太大。2、充液散热。用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体 积小，散热效果最好。3、强迫风冷散热。工作气氛为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点 是增加一个风机出现噪音。4、真空潜热散热。 最常用的就

14、是“热管”散热片，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。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。直流电源的优点是可以直接使用，不需要转换，缺点是电压电流必须适用于半导体制 冷片，有些可以通过半导体制冷片的串、并联的方式解决。2、交流电流。这是一个最普通的电源，使用时必须整流为直流才能供制冷片使用。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，有些为了方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

15、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X0.11, 06为允许通过最大的电 流值。5、制冷片冷热交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 造成制冷片的线路损坏和陶瓷片的破裂。6、半导体制冷片电源的电子线路都是常见通用的，在一般的电子技术参考书中都可以查到，如下图 就是简单的两个变压整流、滤波、电源图。+IT工低堆斷憲半导体致冷器的安装方法致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。在生产上具体用那一种方法安装，要根 据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用

16、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，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操 作过程。1、焊接。 焊接的安装方法要求致冷器件外表面必须是金属化，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、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70C110C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，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。 粘合的安装方法是用一种

17、具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在致冷器件、储冷板、散热板的安装 面上。粘合剂的厚度在0.03mm，将致冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来 回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24 小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把致冷器 固定在散热板或储冷板的地方。3、螺柱压缩固定。螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂， 厚度大约在0.03mm。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，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散 热板、

18、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了 容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装 方法。以上三种安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝 应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用 情况决定。下图是一种压缩固定安装方法供用户参考。温差电致冷组件使用说明1、 本组件用作致冷时，红线接电源正极、黑（白、黄）线接电源负极，焊有导线的瓷板是热面：用 作加热时，红线接电源负极，黑（白、黄）接电源正极，焊有导线的瓷板是

19、冷面。安装时请勿装错。2、散热片和集冷块与致冷组件相接触的表面必须精细加工，装配时在接触面上必须均匀的涂抹适量 的导热硅脂，以尽量减少热阻。热面未装散热片时，切勿接上电源。3、若致冷组件的热面散热不良，热面温度过高，不但会影响致冷效果，也可能烧毁组件。热面瓷板 的最高温度不要超过110C。热面温度越低，致冷效果越好。4、装配时，将致冷组件夹到散热片和集冷块之间以后，对准上下螺孔，在散热片上位于致冷组件的 中心位置加上适当的压力，以避免拧紧螺钉时压偏，造成压力不匀，压碎瓷板。据统计，由于安装不当造 成致冷组件失效的约占失效总数的70%以上。螺钉要加弹簧垫圈和塑料隔热套管。5、实际应用中127系列一般电压可控制在1213V。由于工作中组件的平均温度升高，所以电流会 下降。6、直流电源的纹波系数要小于10%。 温差电致冷组件是由陶瓷板和半导体材料组合而成的，强度都不高，是易碎材料。使用中务请轻拿轻放， 切勿磕碰，避免瓷板破裂造成损;