半导体制冷基础知识

致冷片参数请解释：

Imax：致冷组件至少的最温差时的工作电流（安培）；

Vmax：致冷组件提升大温差时的工作电压（伏特）；

Th=30℃，指组件的热面温度控制在30℃；

ΔTmax：致冷组件产冷量Qc=0(W)时，热面温度Th=30℃时至少的大温差；

Qcmax：致冷组件温差ΔT=0℃时，热面温度Th=30℃时的最大致冷功率（瓦）；

ACRes：致冷组件的交流内阻；

L×B×H：长×宽×高（厚度）。

半导体制冷应用：

1、太阳能热电空调

大型手机热电空调：

大型热电制冷空调一般是指制冷量在1kW以内的装置，主要运用于潜艇、舰艇和列车上，据相关文献报道目前最大制冷量将近30115kw。潜艇、舰艇的热电制冷空调主要注意是单元组合式，各单元可独立运行，热端与海水或淡水进行热交换，冷端与舱室内的空气参与充分的换热，平稳运行时空调制冷COP可以到达1.1～2.1。上海交通大学研制出来的BK-1.5型热电空调器，由热电堆、循环水泵、海水冷却器、通风机、翅片和控制箱等排成，已成功用在潜水器上。热电制冷空调也最终应用方法于列车上。美国某列车热电制冷空调系统的冰箱制冷功率17kW，COP约为0.7，同时也都能够主要用于制热。另有人开发完毕了一套用来太阳能热电技术的汽车内空气调节系统，该系统冷端散热器直接快速冷却送风气流，而热端需要水循环散热：在38℃的环境温度下，制热功率4.01kW，COP为0.42；假如天气晴朗，车顶的太阳能电池可使空调COP能提高2%。

大型热电空调：

四头热电空调的制冷量一般在1kW100元以内，主要注意区分陶瓷绝热冰箱制冷模块和散热器特点的模式。调研有一种通过热虹吸管参与强化宠物散热的研发新型热电冰箱制冷货车驾驶室空调装置，该装置采用热电材料优值系数为2.0×10-3K-1的商业单级热电制热模块，依靠汽车车行驶时的压差引导气流，区分大流量、小温差、前上位送风，COP值为0.51～0.79。另有研发新型系统将太阳能薄膜电池与建筑室内采光相结合，另外热电空调的辅助能量设备，还能够同时基于夏天和冬天两季的采暖和制冷，其压缩机系数夏季能提升0.846。其结构如图4所示：

2、半导体热水器

半导体空调热水器是设计和实现以半导体制冷块才是核心，用来半导体制冷块的热端制热作热水器，冷端制冷作空调降温后的构想来具体实施的。半导体制冷块夏天使用时，其压缩机效率可达1.5，而冬天不使用时其致热效率约1.8。目的是至少比较好的效果，共不使用10片半导体制冷块。

半导体制冷块通电后一面制热，一面制冷，把半导体制冷块作用于制冷，关键是去做产热端的散热，才能能保证冷端温度尽可能会低。空调制冷块在额定工作条件下，冷热的两面大温差＞60℃。热端在美好的理想散热条件下温度打比方为30℃，则冷端在额定负载的情况下可达-30℃。为了不向室外排热，采用水冷装置主要用于半导体制冷块热端的散热。追加图示为半导体热水器原理图：

机柜内的热水箱是循环水箱，水箱彼此间以软管不相连作用于水循环，小水箱设坏了管公司引进自来水，而小水箱上共有三个水阀，分别主要用于再控制水的循环及冷水的补充。冷媒箱到冷凝器、冷凝器到冷泵、冷泵到冷媒箱的连接可以形成了冷媒的循环，虽然采用简单点连接管。

每块电子制冷块完全安装前均要可以检测如何确定能制冷，需注意一点热端是没有接散热片的情况下又不能通电。半导体制冷块按1、3、5、7、9和2、4、6、8、10的规律分成两组，每组各由1台12V／30A开关电源市电。先给开关电源接1只白炽灯虚假成分负载，将输出电压调回来10V，然后再才能串接30A直流电流表和冰箱制冷块。分组给制热块通电，每组电流应该在15A70左右（四个面制冷块在10V电压下电流约为3A）。

3、实现半导体制冷的消暑防护头盔

决定到半导体制冷所占据的微型化、小型化的特点，在个体防护设备如衣着鞋帽中应用半导体制冷技术是看似可行的。此为一种实用新型专利，其设计头盔结构追加图示：

设计什么除了帽壳体、制冷器、太阳能电池板、电源装置，其中压缩机器设置里在壳体上，制热器由半导体冰箱制冷片、散热片、导冷块、风扇排成。冰箱制冷片的热端连接到散热片，散热片外设散热风扇；冷段连接上导冷块，导冷块外设冷气风扇，与帽体内壁冷气导管连接相容，以输送冷气。

帽壳体顶部外壁设有太阳能电池板，接有热传感器，而太阳能电池板、热传感器、制热器都与外接电源装置相连。基于此设计，目标只是相对而言能提供头盔内部凉爽低温及防护。

追加图示为头盔平面图，和风扇及导冷块的布置做了个手势：

4、以外应用

设计和实现半导体制冷技术的特点，其在日常生活、医疗保健、军事、工农业都有吧着广泛应用：

1）日常生活领域：自制电子元件冷却装置，如可以使用在电脑CPU上的半导体压缩机片：

2）医疗领域：应用方法于活体细胞切片的冷冻切片机，刀片的可控制范围低温由半导体技术来实现方法；

3）实验设备—恒温金属浴：单独恒温储存样品、酶类、核酸和蛋白质的设备，应用半导体制冷技术来保留可调控恒温；

4）军事领域：半导体制冷片被应用范围的应用于冷却红外探头、激光发射器等军事设备用品。

红外技术-半导体制冷器

凭借半导体P-N结的温差电效应是可以制造空调制冷器。作用于红外探测器的半导体压缩机器这个可以获得低达干冰温度195K（零下20度78℃）的空调制冷温度。

半导体压缩机器的工作原理

半导体制冷器设计和实现固体内三种有内在联系的电子与声子相互作用的效应制冷——赛贝克（Seebeck）温差电效应、珀尔帖（Peltier）电致温差效应和汤姆逊（Thomson）电子输运热能效应。因此将其被称珀尔帖压缩机器（PeltierCooler）不太准确。

在赛贝克效应中，2个结在T1、T2两个有所不同的温度，温度高的结电子能量大，温度较低的结电子能量小，当高温端的电子向低温端扩撒并堆积起来在低温端，等到堆积的电子数量出现的内建电场——温差电压Vab这个可以平衡极度高温端电子向低温端扩散了。

赛贝克效应

珀尔帖效应与赛贝克效应本来只不过。虽然在由两种差别的导体材料电阻组成的异质结中，在其中通电流I，则2个结处分别有一种放热等吸热现象，会大大降低。在这一结构中，两种导体中的载流子势能差别，通电后电势能高的载流子向势能低的一端飘移，在异质结处要将没有了能量释放出现放热，势能低的载流子向势能高的一端飘移，在异质结处要它吸收外界的热量出现吸热。

珀尔帖效应

汤姆逊效应是电子运动传输热能的物理效应。在一均匀地的长导体中，其两端的温度正处于两个有所不同的温度T1、T2，当电流淌过时，同一导体两端的温度不同，倒致你所选部分的载流子势能有所不同。通电后，势能高的载流子向势能低的一端漂移，将其多余的能量与晶格交换出现放热；则相反，势能低的载流子向势能高的一端漂移时则吸收掉外界的热量。

汤姆逊效应

由于金属材料的温差电系数在10μV/K的量级，半导体材料的可都没有达到100μV/K的量级，因为实用的温差电空调制冷器都是用碲化铋（BiTe）等半导体材料制造出的，甚至人们更多的使用半导体冰箱制冷器一词。

半导体冰箱制冷器优点

可靠性高，寿命长，一般是可以达到无故障工作好10万小时以上

工作无振动和电磁干扰

结构简单

完全控制制热温度方便些，更适合于高精度的控温和恒温

缺点：

电冷转换效率低，适合我于小冷量的制冷

压缩机温度最底没法提升到170K的温度

半导体冰箱制冷器的基本都结构

有多种半导体材料可应用于制造半导体冰箱制冷器，最先主要是用于半导体空调制冷器的是碲化铋（BiTe），然后经济的发展了性能更好的碲锑铋（BiSbTe）合金半导体，现早源源不断作用于制造半导体压缩机器。

半导体制冷器是用若干对P-N结电阻、并联或串-电源两端近似的。参照其冷端面或热端面的数量可以分为一级和多级，有一个冷端面的是一级半导体冰箱制冷器；将多个一级半导体压缩机器并联出声，就可以形成36级半导体制热器。

一个半导体冰箱制冷器单元都差不多的结构示意图

最基本的半导体冰箱制冷器是一级半导体制热器。一般是在绝缘性好、导热率高的氧化铍（BeO）基板上，用铜导流片将切成小柱体的P型、N型的半导体材料一一串联、并联或串-电路中站了起来。三块氧化反应铍基板一面充当冰箱制冷面，一面另外散热面，散热面也要一个散热器向环境中散热。有名的一级半导体冰箱制冷器冷-热两个端面的温差这个可以达60K。当环境温度变化时，会紊乱空调制冷面温度的变化。为保持冷端面温度的稳定性，工程应用时不需要并且温度控制。在热-冷端面的温差为50K时，半导体制冷器的效率约为5～8%。

一级半导体压缩机器的结构示意图

51级半导体制冷器将多个一级制冷器并联过来，使下一级半导体空调制冷器的空调制冷面另外上一级半导体制冷器的散热面，可会增大半导体压缩机器的总的冰箱制冷温差。而制冷效率很低，级数到最后，每一级的制冷量会下降也到最后。借用六级半导体制冷器，可是的最可以不我得到130K的总温差，但制冷量仅有10mW量级。

二级半导体制冷器的结构示意图

5种求实际的多级半导体冰箱制冷器

2种四级半导体制冷器的应用实例

半导体冰箱制冷器的主要技术参数

（1）级数（单位：级）

并联连接的半导体冰箱制冷器的级数，目前至少可达6级。

（2）的最温差（单位：K或℃）

半导体制冷器冷、热两端的大温差，目前一级半导体压缩机器这个可以完成比较大温差为67K（℃），市售的商品一般都能达到60K（℃）。

（3）大的制热功率（单位：W）

半导体压缩机器可提供给的大的空调制冷功率，一级半导体制热器的是是值为1W量级，六级半导体制冷器的啊是值为10mW。

（4）大温差电流Imax（单位：A）

半导体空调制冷器在的最温差时的工作电流，啊是值为1A量级。

（5）的最温差电压Vmax（单位：V）

半导体空调制冷器在最大温差时的工作电压，是是值为1V量级。

（6）冷加载基板尺寸（单位：mm）

一般半导体冰箱制冷器的空调制冷面的尺寸即为冷装到面的尺寸，有名值为1cm×1nbcy量级。

（7）外形尺寸（单位：mm）

半导体冰箱制冷器的外形尺寸，典型值为10mm量级。

（8）质量（单位：g）

半导体制冷器的质量，不计外散热器时，其典型值为10g量级。

半导体空调制冷器技术的发展趋势

半导体制冷器主要是用于工作温度在170K（-103℃）以下红外探测器的制冷，半导体压缩机器还应用于近室温裸芯片的红外探测器制冷，或才是室温封装红外探测器的温度稳定器建议使用。在热像仪中，半导体空调制冷器才是一个用于非均匀性矫正黑体的使用。当然了，也作用于更高性能CCD的制冷。

半导体制热器技术的发展趋势

想提高制冷效率

增加制热效率一直是半导体冰箱制冷器技术的努力方向，其核心是寻找风温差电系数更大的半导体材料。

"片上制冷"

就将半导体冰箱制冷器制作在被制热的半导体芯片上，又或者是想提高芯片工作的稳定性，又或者是提高芯片的可靠性，或是提高芯片的功率，和。