半導(dǎo)體致冷器的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可致冷又可加熱，通過(guò)改變直流電流的極性來(lái)決定在同一致冷器上實(shí)現(xiàn)致冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過(guò)熱電的原理，以下的圖就是一個(gè)單片的致冷器，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導(dǎo)體材料（碲化鉍），這個(gè)半導(dǎo)體元件在電路上是用串聯(lián)形式連結(jié)組成.

 

半導(dǎo)體致冷器的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定，以下三點(diǎn)是熱電致冷的溫差電效應(yīng)。 

 

1、 塞貝克效應(yīng)（SEEBECK EFFECT） 

一八二二年德國(guó)人塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時(shí)，如兩個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫差，則在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)：  

 

ES=S.△T 

　　式中：ES為溫差電動(dòng)勢(shì) S為溫差電動(dòng)勢(shì)率（塞貝克系數(shù)） △T為接點(diǎn)之間的溫差　　 

 

2、 珀?duì)柼?yīng)（PELTIER EFFECT） 

 

一八三四年法國(guó)人珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應(yīng)的效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來(lái)決定。 

 

Qл=л.I л=aTc 

　　 式中：Qπ 為放熱或吸熱功率 I為工作電流 a為溫差電動(dòng)勢(shì) Tc為冷接點(diǎn)溫度  

 

3、 湯姆遜效應(yīng) （THOMSON EFFECT） 

當(dāng)電流流經(jīng)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，除了由導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外，導(dǎo)體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導(dǎo)體兩點(diǎn)之間，其放熱量或吸熱量為： 

Qτ=τ.I.△T  

　　Qτ為放熱或吸熱功率 τ為湯姆遜系數(shù) I為工作電流 △T為溫度梯度 

以上的理論直到本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導(dǎo)體材料，至今還是溫差致冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。 

約飛的理論得到實(shí)踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究到六十年代半導(dǎo)體致冷材料的優(yōu)值系數(shù)，才達(dá)到相當(dāng)水平，得到大規(guī)模的應(yīng)用，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體致冷器件。 

中國(guó)在半導(dǎo)體致冷技術(shù)開(kāi)始于50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)在國(guó)際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國(guó)際水平，60年代末至80年代初是我國(guó)半導(dǎo)體致冷器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺(tái)階。在此期間，一方面半導(dǎo)體致冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導(dǎo)體致冷器，因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體致冷器的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用.

 

 

致 冷 器 性 能 計(jì) 算： 

 

在應(yīng)用致冷器前，要進(jìn)一步的了解它的性能，實(shí)際上致冷器的冷端從周?chē)盏臒酫л外，還有兩個(gè)：一個(gè)是焦耳熱Qj；另一個(gè)是傳導(dǎo)熱Qk。電流從元件內(nèi)部通過(guò)就產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱的一半傳到冷端，另一半傳到熱端，傳導(dǎo)熱從熱端傳到冷端。 

 

產(chǎn)冷量Qc=Qπ-Qj-Qk 

=（2p-2n）.Tc.I-1/2j2R-K（Th-Tc） 

式中，R表示一對(duì)電偶的總電阻，K是總熱導(dǎo)。 

 

熱端散掉的熱Qh=Qπ+Qj-Qk 

=（2p-2n）.Th.I+1/2I2R-K（Th-Tc） 

 

從上面兩公式中可以看出，輸入的電功率恰好就是熱端散掉的熱與冷端吸收的熱之差，這就是"熱泵”的一種： 

Qh-Qc=I2R=P 

 

由上式得出一個(gè)電偶在熱端放出的熱量Qh等于輸入電功率與冷端產(chǎn)冷量之和，相反得出冷端產(chǎn)冷量Qc等于熱端放出的熱量與輸入電功率之差。 

 

Qh=P+Qc 

Qc=Qh-P 

 

 

最大致冷功率的計(jì)算方法 

 

A.1 在熱端溫度Th為27℃±1℃, 溫差為△T=0 , I=Imax 時(shí). 

最大致冷功率Qcmax(W)按公式（1）計(jì)算：Qcmax=0.07NI  

 

(1)式中：N ---器件對(duì)數(shù), I ---器件的最大溫差電流（A）. 

A.2 若熱面溫度為3~40℃時(shí)，最大致冷功率Qcmax（W）應(yīng)按公式（2）加以修正。 

Qcmax∣Th= Qcmax×[1+0.0042(Th--27)]  

 

(2)式中：Qcmax ---熱面溫度Th=27℃±1℃的最大致冷功率（W）， 

Qcmax∣Th --熱面溫度Th --3~40℃時(shí)的實(shí)測(cè)溫度下的最大致冷功率（W）.

 

致冷器---應(yīng)用選擇 

 

半導(dǎo)體致冷應(yīng)用產(chǎn)品的心臟部分是半導(dǎo)體致冷器，根據(jù)半導(dǎo)體溫差電堆的特點(diǎn)，弱點(diǎn)及應(yīng)用范圍，選用電堆時(shí)首先應(yīng)確定以下幾個(gè)問(wèn)題： 

1、 確定電堆的工作狀態(tài)。根據(jù)工作電流的方向和大小，就可以決定電堆的致冷，加熱和恒溫性能，盡管最常用的是致冷方式，但也不應(yīng)忽視它的致熱和恒溫性能。 

2、 確定致冷時(shí)熱端實(shí)際溫度。因?yàn)殡姸咽菧夭钇骷_(dá)到最佳的致冷效果，電堆須安裝在一個(gè)良好的散熱器上，根據(jù)散熱條件的好壞，決定致冷時(shí)電堆熱端的實(shí)際溫度，要注意，由于溫度梯度的影響，電堆熱端實(shí)際溫度總是要比散熱器表面溫度高，通常少則零點(diǎn)幾度，多則高幾度、十幾度。同樣，除了熱端存在散熱梯度以外，被冷卻的空間與電堆冷端之間也存在溫度梯度。 

3、確定電堆的工作環(huán)境和氣氛。這包括是工作在真空狀況還是在普通大氣，干燥氮?dú)猓o止或流動(dòng)空氣及周?chē)沫h(huán)境溫度，由此來(lái)考慮保溫（絕熱）措施，并決定漏熱的影響。 

4、確定電堆工作對(duì)象及熱負(fù)載的大小。除了受熱端溫 度影響以外，電堆所能達(dá)到的最低溫度或最大溫差是在空載和絕熱兩個(gè)條件下確定的，實(shí)際上工作的，電堆既不可能真正絕熱，也必須有熱負(fù)載，否則無(wú)意義。 

5、確定致冷器的級(jí)數(shù)。電堆級(jí)數(shù)的選定必須滿(mǎn)足實(shí)際溫差的要求，即電堆標(biāo)稱(chēng)的溫差必須高于實(shí)際要求的溫差，否則達(dá)不到要求，但是級(jí)數(shù)也不能太多，因電堆的價(jià)格隨著級(jí)數(shù)的增加而大大提高。 

6、電堆的規(guī)格。選定電堆的級(jí)數(shù)以后，就可以選定電堆的規(guī)格，特別是電堆的工作電流。因?yàn)橥瑫r(shí)能滿(mǎn)足溫差及產(chǎn)冷的電堆有好幾種，但是由于工作條件不同，通常選用工作電流最小的電堆，因?yàn)檫@時(shí)配套電源費(fèi)用較小，然而電堆的總功率是決定因素，同樣的輸入電功率減少工作電流就得增加電壓（每對(duì)元件0.1v），因而元件對(duì)數(shù)就得增加。 

7、確定電堆的數(shù)量。這是根據(jù)能滿(mǎn)足溫差要求的電堆產(chǎn)冷總功率來(lái)決定的，它必須保證在工作溫度時(shí)電堆產(chǎn)冷量的總和大于工作對(duì)象熱負(fù)載的總功率，否則無(wú)法達(dá)到要求。電堆的熱慣性非常小，空載下不大于一分鐘，但是由于負(fù)載的慣性（主要是由于負(fù)載的熱容量造成的），因此實(shí)際要達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)的工作速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一分鐘，多時(shí)達(dá)幾小時(shí)。如工作速度要求愈大，電堆的數(shù)量也就愈多，熱負(fù)載的總功率是由總熱容量加上漏熱量（溫度愈低、漏熱量愈大）。 

上述七個(gè)方面是選用電堆時(shí)考慮的一般原則，根據(jù)上述原用戶(hù)首先應(yīng)根據(jù)需要提出要求來(lái)選擇致冷器件。一般的要求： 

①、給定使用的環(huán)境溫度Th ℃ 

②、被冷卻的空間或物體達(dá)到的低溫度Tc ℃ 

③、已知熱負(fù)載Q（熱功率Qp 、漏熱Qt）W 

已知Th、Tc和Q，再根據(jù)溫差致冷器的特性曲線(xiàn)就可估算所需的電堆及電堆數(shù)量。  

 

1、確定致冷器的型號(hào)規(guī)格 

 

2、選定型號(hào)后，查閱該型號(hào)的溫差電致冷特性曲線(xiàn)圖。 

 

3、由使用環(huán)境溫度和散熱方式確定致冷器的熱端溫度Th，得出相近的Tc。 

 

4、在相應(yīng)的特性曲線(xiàn)圖中查出冷端Qc的產(chǎn)冷量。 

 

5、由所需的產(chǎn)冷量Q除以每個(gè)電堆的產(chǎn)冷量Qc就得到所需的電堆數(shù)量N=Q/Qc

 

 

半導(dǎo)體致冷器作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)： 

 

1、 不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體器件，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)、安裝容易。 

 

2、 半導(dǎo)體致冷器具有兩種功能，既能致冷，又能加熱，致冷效率一般不高，但致熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)器件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和致冷系統(tǒng)。 

 

3、 半導(dǎo)體致冷器是電流換能型器件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。 

 

4、 半導(dǎo)體致冷器熱慣性非常小，致冷致熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，致冷器就能達(dá)到最大溫差。 

 

5、 半導(dǎo)體致冷器的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體致冷器一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。 

 

6、 半導(dǎo)體致冷器的單個(gè)致冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類(lèi)型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成致冷系統(tǒng)的話(huà)，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到幾毫瓦到上萬(wàn)瓦的范圍。 

 

7、 半導(dǎo)體致冷器的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。 

 

半導(dǎo)體致冷器件的散熱是一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)，也是半導(dǎo)體致冷器件能否長(zhǎng)期運(yùn)行的基礎(chǔ)。良好的散熱才能獲得最低冷端溫度的先決條件。以下就是半導(dǎo)體致冷器的幾種散熱方式： 

 

1、 自然散熱。  

采用導(dǎo)熱較好的材料，紫銅鋁材料做成各種散熱器，在靜止的空氣中自由的散發(fā)熱量，使用方便，缺點(diǎn)是體積太大。 

 

2、 充液散熱。  

用較好的散熱材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫。缺點(diǎn)是用水不方便，浪廢太大，優(yōu)點(diǎn)是體積小，散熱效果最好。 

 

3、 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。  

工作氣氛為流動(dòng)空氣，散熱器所用的材料和自然散熱器相同，使用方便，體積比自然冷卻的小，缺點(diǎn)是增加一個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)噪音。 

 

4、 真空潛熱散熱。  

最常用的就是"熱管”散熱器，它是利用蒸發(fā)潛熱快速傳遞熱容量。

 

半導(dǎo)體致冷器是輸入直流電源工作的，必須配備專(zhuān)用電源。 

 

1、直流電源。直流電源的優(yōu)點(diǎn)是可以直接使用，不需要轉(zhuǎn)換，缺點(diǎn)是電壓電流必須適用于半導(dǎo)體致冷器，有些可以通過(guò)半導(dǎo)體致冷器的串、并聯(lián)的方式解決。 

2、交流電流。這是一個(gè)最普通的電源，使用時(shí)必須整流為直流才能供致冷器使用。由于致冷器件是低電壓大電流器件，應(yīng)用時(shí)先降壓、整流、濾波，有些為了方便使用還要加上溫度測(cè)量，溫度控制，電流控制等。 

3、由于半導(dǎo)體致冷器是直流電源供應(yīng)，電源的波紋系數(shù)必須小于10%，否則對(duì)致冷效果有較大的影響。 

4、半導(dǎo)體致冷器的工作電壓及電流必須符合所工作器件的需要，例如：型號(hào)為T(mén)EC1-12706T125的器件，則127為致冷器件，PN的電偶對(duì)數(shù)，致冷器的工作極限電壓V=電偶對(duì)數(shù)×0.11，06為允許通過(guò)最大的電流值。 

5、致冷器冷熱交換時(shí)的通電必須待兩端面恢復(fù)到室溫時(shí)（一般需要5分鐘以上方可進(jìn)行），否則易造成致冷器的線(xiàn)路損壞和陶瓷片的破裂。 

6、半導(dǎo)體致冷器電源的電子線(xiàn)路都是常見(jiàn)通用的，在一般的電子技術(shù)參考書(shū)中都可以查到.

致 冷 器 ---安裝方法 

 

致冷器的安裝方法一般有三種：焊接、粘合、螺栓壓縮固定。在生產(chǎn)上具體用哪一種方法安裝，要根據(jù)產(chǎn)品的要求來(lái)定，總的來(lái)說(shuō)對(duì)于這三種的安裝時(shí)，首先都要用無(wú)水酒精棉將致冷器件的兩端面擦洗干凈，儲(chǔ)冷板和散熱板的安裝表面應(yīng)加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干凈，以下就是三種安裝的操作過(guò)程。 

 

1、焊接。  

焊接的安裝方法要求致冷器件外表面必須是金屬化，儲(chǔ)冷板和散熱板也必須能夠上焊料（如：銅材的儲(chǔ)冷板或散熱板）安裝時(shí)先將儲(chǔ)冷板、散熱板、致冷器進(jìn)行加溫，（溫度和焊料的熔點(diǎn)差不多）在各安裝表面都熔上約70℃——110℃之間的低溫焊料0.1mm。然后將致冷器件的熱面和散熱板的安裝面，致冷器件的冷面和儲(chǔ)冷板的安裝面平行接觸并且旋轉(zhuǎn)擠壓，確保工作面的接觸良好后冷卻。該安裝方法較復(fù)雜，不易維修，一般應(yīng)用在較特殊的場(chǎng)合。 

 

2、粘合。 

粘合的安裝方法是用一種具有導(dǎo)熱性能較好的粘合劑，均勻的涂在致冷器件、儲(chǔ)冷板、散熱板的安裝面上。粘合劑的厚度在0.03mm，將致冷器的冷熱面和儲(chǔ)冷板、散熱板的安裝面平行的擠壓，并且輕輕的來(lái)回旋轉(zhuǎn)確保各接觸面的良好接觸，通風(fēng)放置24小時(shí)自然固化。該安裝方法一般應(yīng)用在想永久的把致冷器固定在散熱板或儲(chǔ)冷板的地方。 

 

3、螺柱壓縮固定。 

螺柱壓縮固定的安裝方法是將致冷器件、儲(chǔ)冷板、散熱板各安裝面均勻的涂上很薄的一層導(dǎo)熱硅脂，厚度大約在0.03mm。然后將致冷器件的熱面和散熱板的安裝面、致冷器件的冷面和儲(chǔ)冷板的安裝面平行接觸，并且輕輕的來(lái)回旋轉(zhuǎn)致冷器，擠壓過(guò)量的導(dǎo)熱硅脂，一定要確保各工作面的接觸良好，再用螺絲將散熱板、致冷器、儲(chǔ)冷板三者之間緊固，緊固時(shí)用力應(yīng)均勻，切勿過(guò)量或太輕，重了易壓壞致冷器件，輕了容易造成工作面不接觸。該安裝簡(jiǎn)單、快速，維修方便，可靠性較高，是目前產(chǎn)品應(yīng)用中最多的一種安裝方法。 

 

以上三種安裝方法為了能夠達(dá)到最佳的致冷效果，儲(chǔ)冷板和散熱板之間應(yīng)用隔熱材料填充，固定螺絲應(yīng)用隔熱墊圈，為減少冷熱交替，儲(chǔ)冷板和散熱板的尺寸大小取決于冷卻方法及冷卻功率大小，根據(jù)應(yīng)用情況決定。 

 

通過(guò)以上分析，半導(dǎo)體溫差電器件應(yīng)用范圍有：致冷、加熱、發(fā)電，致冷和加熱應(yīng)用比較普遍，有以下幾個(gè)方面： 

 

1、 軍事方面：導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇,航天等方面的紅外線(xiàn)探測(cè)、導(dǎo)行系統(tǒng)。  

2、 醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除器、血液分析儀等。 

3、 實(shí)驗(yàn)室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測(cè)試裝置、各種恒溫、高低溫實(shí)驗(yàn)儀器。 

 

4、 專(zhuān)用裝置方面：石油、生化產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、細(xì)菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。 

 

5、 日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子冰箱等。此外，還有其它方面的應(yīng)用。