半导体制冷基础知识

半导体制冷片参数解释：

Imax：致冷组件达到最大温差时的工作电流（安培）；

Vmax：致冷组件达到最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℃时达到的最大温差；

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

大型热电空调：

大型热电制冷空调一般是指制冷量在1kW以上的装置，主要应用于潜艇、舰艇和列车上，据相关文献报道目前最大制冷量超过30 kW。潜艇、舰艇的热电制冷空调主要是单元组合式，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进行充分的换热，平稳运行时制冷COP可达1.1～2.1。上海交通大学研制的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、翅片和控制箱等组成，已成功用在潜水器上。热电制冷空调也成功应用于列车上。美国某列车热电制冷空调系统的制冷功率17kW，COP约为0.7，同时也能够用于制热。另有人开发了一套利用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冷却送风气流，而热端采用水循环散热：在38℃的环境温度下，制冷功率4.01 kW，COP为0.42；如果天气晴朗，车顶的太阳能电池可使空调COP提高2%。

小型热电空调：

小型热电空调的制冷量一般在1kW以内，主要采用陶瓷绝热制冷模块和散热器结合的模式。调研有一种通过热虹吸管进行强化散热的新型热电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的商业单级热电制冷模块，利用汽车行驶时的压差引导气流，采用大流量、小温差、前上位送风，COP值为0.51～0.79。另有新型系统将太阳能薄膜电池与建筑采光相结合，作为热电空调的辅助能量设备，能够同时实现冬夏两季的采暖和制冷，其制冷系数夏季能够达到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基于以半导体制冷块作为核心，利用半导体制冷块的热端制热作热水器，冷端制冷作空调降温的构想来实施的。半导体制冷块夏天使用时，其制冷效率可达 1.5，而冬天使用时其致热效率可达 1.8。为了达到比较好的效果，共使用 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，把半导体制冷块用于制冷，关键是做好产热端的散热，才能保证冷端温度尽可能低。制冷块在额定工作条件下，冷热的两面最大温差＞60℃。热端在理想散热条件下温度假设为 30℃，则冷端在空载的情况下可达-30℃。为了不向室外排热，采用水冷装置用于半导体制冷块热端的散热。如下图示为半导体热水器原理图：

机柜内的热水箱是循环水箱，水箱之间以软管相连用于水循环，小水箱设进水管引进自来水，因此小水箱上共有三个水阀，分别用于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构成了冷媒的循环，同样采用简单的软管连接。

每块半导体制冷块安装前均要检测是否能够制冷，需注意热端没有接散热片的情况下不能通电。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开关电源供电。先给开关电源接1只白炽灯作假负载，将输出电压调到10V，然后才能串接30A直流电流表和制冷块。分组给制冷块通电，每组电流应该在15A左右（每块制冷块在10V电压下电流约为 3A）。

3、基于半导体制冷的消暑防护头盔

考虑到半导体制冷所拥有的微型化、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可行的。此为一种实用新型专利，其设计头盔结构如下图示：

设计包括帽壳体、制冷器、太阳能电池板、电源装置，其中制冷器设置在壳体上，制冷器由半导体制冷片、散热片、导冷块、风扇组成。制冷片的热端连接散热片，散热片外设散热风扇；冷段连接导冷块，导冷块外设冷气风扇，与帽体内壁冷气导管连接相通，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、制冷器都与外接电源装置相连。基于此设计，目标在于提供头盔内部凉爽低温及防护。

如下图示为头盔俯视图，包括风扇及导冷块的布置示意：

4、其他应用

基于半导体制冷技术的特点，其在日常生活、医疗保健、军事、工农业都有着广泛应用：

1）日常生活领域：自制电子元件冷却装置，如使用在电脑CPU上的半导体制冷片：

2）医疗领域：应用于活体细胞切片的冷冻切片机，刀片的可控低温由半导体技术来实现；

3）实验设备—恒温金属浴：用来恒温储存样品、酶类、核酸和蛋白质的设备，应用半导体制冷技术来维持可控恒温；

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

制冷饮水机是如何制冷的？与半导体有什么关联

随着人们的生活品质不断提高，家用饮水机也由传统的只有加热模式，发展到现在的具有制冷模式。炎炎夏日，能喝上一杯冰爽的纯净水，也是一件非常惬意的事情。

制冷饮水机

那么问题来了，饮水机个头没有冰箱那么大，又是如何制冷的呢？它与半导体又有什么关联？有没有使用类似冰箱的压缩机进行制冷呢？带着这几个疑问，下面就来具体详细的分析。

早在1821年，德国的一个科学家ThomasSeeback就首先发现半导体制冷，只不过他没有认识到背后的科学理论，他做了错误的推论。

时间来到1841年，法国的一位表匠发现了这背后的原因所在。只不过那时候还不叫半导体制冷器，因为直到1960才有半导体制冷器这一说法。而让半导体制冷器大量应用于实际，还要得益于苏联科学院半导体研究所约飞院士。

半导体制冷

他对塞贝克效应（SEEBECKEFFECT）、珀尔帖效应（PELTIEREFFECT）、汤姆逊效应（THOMSONEFFECT）进行了大量的研究，从而得出了一个比较科学的理论。后续科学家在他研究理论成果上进行研究发展，才让半导体制冷器得到广泛应用。

目前市面上几乎所有的带有制冷功能的饮水机，用的都是半导体制冷器。根据笔者多次拆机发现，所用型号一般为TECI-12706、TECI-12710，TECI-12710（120W）的制冷功率是TECI-12706（50-60W）的两倍。

常用的半导体制冷片

半导体制冷器有一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶，当有电流通过时，两端之间会有热量的转移，环境中的热量从一端传到另外一端。这就让半导体制冷片形成了冷热端，一端热，一端冷，通常来说它的冷热温差可以达到40～65度之间。但是呢，半导体之间也有电阻，通过电流过程中，也会发出热量。

工作原理过程

这些由电阻产生的热量会干扰原有的能量转移，它会通过周围空气以及制冷片本身进行逆向传导热量。虽然会进行逆向传导热量，但最后还是会达到一个平衡状态。也就是正向热量传递和逆向热量传递相互抵消掉，冷端热端的温度都将保持不变。虽然这样来说，冷端还是冷的，但是它无法满足我们要求的制冷。

比较大的铝散热器

这个时候在制冷片的热端加装一个铝散热片和散热风扇或者使用效果更加的水冷头，就会打破这个原有的平衡。也就是冷端一直吸收热量，并把热量传递到热端，热端的热量通过铝散热片以及风扇作用，把冷端传递的热量导出去。这个过程持续进行一段时间，就可以达到制冷的效果。

制冷饮水机内部结构

制冷饮水机内部有两个储水箱，一个负责加热，一个负责制冷。而制冷那个外面包裹了泡沫，制冷片热端抹上散热硅脂后与铝散热片贴合，冷端直接贴合到制冷的那个储水箱表面。

制冷水箱，外部是泡沫

当储水箱进入纯净水，温度传感器检测到温度不符合设定温度，会发出制冷的信号，制冷片和散热风扇同时启动。当温度降低到一定的程度，达到了预先设定温度，温度传感器检测到了实际温度，就会发出停止工作信号。

想要分析这个原因，就要来说说它的优点和缺点，总体对于电脑来说，它的弊大于利。

半导体制冷优点

1、不需要任何制冷剂，它不同于冰箱的压缩机还需要像R134a或R600a一类的制冷剂。

2、工作过程没有噪音，无污染（这里指的是制冷片没有噪音，加上风扇话，还是有一定的噪音）

通电过程

3、可以反向利用，也就是温差发电。通常用于也可用于发电，用于中低温区发电。

4、制冷时间比较快，热惯性非常小。根据使用经验，1分钟左右就能够达到最大温差。

5、温差范围比较大，正温90℃到负温130℃都可以实现。

通过以上的分析，可以看出来半导体制冷片确实具有很多的有点，但是它是不适合被作为电脑散热器，主要由以下几个方面原因。

不被用原因

1、体积大

半导体制冷虽然比较快，但是它需要很大的铝散热片加之一个大的DC12V风扇才可以满足散热制冷要求。而对于像TECI-12710这个型号的制冷片，它的功率达到了120W，单纯靠风扇进行散热，是压不住它的散热需求。这就会导致制冷非常差，也容易导致制冷片因为过热而烧毁。

散热片体积特别大

而再去加装其它的散热措施，占据了机箱很大的空间，机箱空间本身就比较紧凑，并且它的成本也高了，倒不如直接采用水冷来进行散热。

2、电源问题

现在一个台式机电源功率为600W左右，也有更高的。这些电源有时候带电脑满负荷工作就有些吃力，而如果再加个半导体制冷片，它的功率又增加了很多。一方面需要购买更大型号的电源，另一方面体积也就又大了，增加了投入也占据了空间。

3、成本大

像市面上一块比较好的TECI-12710制冷片，再加上好的散热器，再加风扇，再加电源，它的成本已经超过了200元，甚至会更高。选用的优势并不是很明显，并且还不如水冷的效果好。

车载小冰箱

现在车上都很流行用一种车载小冰箱，出门在外就可以喝到冰爽的饮料。这个小冰箱内部用的就是半导体制冷片和一个比较大的散热器以及风扇。只不过由于它的密封性和保温性做的比较好，因此制冷效果还是可以。

家用冰淇淋机

网上有一种非常流行的家用冰淇淋机，它的内部用的也是半导体制冷片。这一点笔者曾经进行了实际拆解，一块制冷片，一块非常大的散热片，外加一个大风扇，它的电源功率高达120W。

它把制冷片紧贴在了冰淇淋机的容器外壳上，可以很快的把冷气导入到容器内，热端的热量由风扇及时的带走。

手机散热器

网上一些手机散热器，需要提供电源供电的散热器。内部用的一般就是制冷片加散热片再加风扇构成，只不过它使用的制冷片功率较小，普通的充电器输出就可以带动它。

手机散热器

其它主要用于石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪、导航系统、电子低温测试装置等。

半导体应用在我们的方方面面，不仅仅是包括制冷片，日常使用手机的芯片、各种电子元器件都是需要用到。而正是因为人们对半导体制冷的研究，才让人们的生活品质变得更加好，有了更多小巧的制冷机器。

而笔者认为半导体制冷还是需要有很长一段路要走，那就是它必须要突破目前存在的问题，例如需要散热器体积问题、价格问题、制冷效率问题、降低材料的热导率、维度和超晶格材料与有机热电材料等方面都要有所突破。

但是不得不说半导体制冷是一个潮流，因为目前我们生活都在追求绿色环保无污染，而相对于传统的压缩机制冷，半导体制冷就有无污染。虽然目前来说它不是很出色，但随着未来科学技术的发展，以及各种工艺、结构设计、热电材料、冷热端传导都会得到突破，半导体制冷也将迎来新的生机。