制冷片工作原理.doc

.制冷片工作狀態(tài)是一面制冷一面發(fā)熱，在制冷片工作時必須給熱面良好散熱，嚴禁在無散熱條件下給制冷片通電超過2秒，造成過熱燒壞！測試制冷片好壞可用一節(jié)電池試驗操作方法是：一只手捏住制冷片的兩面，另一只手把制冷片的導線按在電池的兩極上，若能感覺到一面微冷一面微熱就說明制冷片是好的，能夠正常工作。制冷片按尺寸分：10*1015*1520*2023*2330*3040*4050*5062*62雙層長方形制冷片按電流分：2A3A4A5A6A7A8A9A10A12A14A15A18A半導體制冷器給我們帶來散熱新概念半導體制冷器在通電的情況下，兩端極板會產生一定的溫差，人們正是利用它的冷凝面為物體提供一個低溫環(huán)境、發(fā)熱面提供熱源能量。倒是效果非常明顯，使用極其方便。這里談到的半導體制冷器是根據(jù)熱電效應技術的特點，采用特殊半導體材料熱電堆來制冷，能夠將電能直接轉換為熱能，效率較高。半導體制冷器的用途很多，可用于制作便攜冷藏/保溫箱、冷熱飲水機等。也用于電子器件的散熱。目前制冷器所采用的半導體材料最主要為碲化鉍，加入不純物經過特殊處理而成N型或P型半導體溫差元件。它的工作特點是一面制冷而一面發(fā)熱。接通直流電源后，電子由負極(-)出發(fā)，首先經過P型半導體，在此吸收熱量，到了N型半導體，又將熱量放出，每經過一個NP模組，就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。安裝使用 制冷片的安裝及使用很簡單。在安裝前，最好準備一點導熱硅脂，然后，找一節(jié)干電池，接在制冷器兩根引線上，就可感覺到一端明顯發(fā)涼而另一端發(fā)熱，記住引線的極性并確定好制冷器的冷、熱端。正式安裝時，在制冷器兩端均勻涂上導熱硅脂，在物體與散熱器之間插入制冷片，請注意先試好的冷熱面方向，冷面貼著物體，熱面與強力的(功率越高越好)散熱片接觸。然后想法固定好三者。固定好后，就可以給制冷片和風扇接上電源了(一定要注意極性)。使用12V左右的電壓，在此電壓下制冷片的制冷量和冷熱面溫差都比較合適。熱電致冷芯片(Thermoelectric Cooling Module)及溫差發(fā)電芯片(Thermoelectric Power generating Module)的理論基礎早在19世紀初即被科學家發(fā)現(xiàn)。公元1821年(約180年前)德國科學家Thomas Johann Seebeck (1770-1831)發(fā)布塞貝克效應(Seeback Effect)此效應為日后研發(fā)溫差發(fā)電芯片的基礎。隨后不久(1834)，法國表匠Jean Charles Athanase Peltier也發(fā)布了珀爾帖效應(Peltier Effect)此效應為日后研發(fā)致冷芯片的基礎。但是當時并無今日發(fā)展神速的半導體工業(yè)，科學家無法利用以上兩個效應來研發(fā)創(chuàng)造新的產品。直到1960年(約40年前)，靠著半導體工業(yè)的配合，致冷芯片與發(fā)電芯片才問世。致冷芯片的名稱熱電致冷芯片的名稱很多。如熱電致冷模塊(Thermoelectric Cooling Module)，熱電致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip)，制冷芯片，熱電致冷器(Thermoelectric Cooler)，珀爾帖致冷器(Peltier Cooler)，珀爾帖單體(Peltier Cell)， 也有人稱它為熱泵(Heat Pump)。在中國大陸，最普遍的名稱為半導體致冷器。淺見，若改 稱固態(tài)式致冷器(solid state cooler)會更加貼切。致冷芯片的優(yōu)點熱電致冷芯片與傳統(tǒng)冷凍壓縮機互相比較，有優(yōu)點，但也有缺點。它的體積小，無噪音，不使用冷煤，因此無環(huán)保公害。壽命長。可倒立或側立使用，無方向的限制。特別適用于航空器或太空艙。造價較高，但日后幾乎不需維護。致冷芯片的缺點它最大的缺點是能源轉換效率低。一般約在40%至50%之間。而傳統(tǒng)式冷凍壓縮機的效率，一般約在95%之上。因此致冷芯片無法用在大型空調或大型冰箱的場合。但愿科學家的研究能有所突破。提高效率。屆時冷凍工業(yè)將有一番新的面目出現(xiàn)。致冷芯片的用途致冷芯片有如以上的優(yōu)缺點。它的用途，依隨它的特性，存在日常生活的各種角落中。在日常生活用品，航天工業(yè)，醫(yī)學生物化驗，軍事民生工業(yè)等，處處可見。最常見的用途如計算機CPU的冷卻(Microprocessor Cooler)，除濕箱，雷射發(fā)光頭的冷卻(Laser Diode Cooler)，車用行動冷藏箱(Portable Picnic Cooler)， 冰水機(Water Cooler)，冷熱敷療器(Therapy Water Pad)，小型冰箱(Mini Refrigerator)，血液分析儀(Blood Analyzer)等等。也可以用來發(fā)電珀爾帖效應(Peltier Effect)與塞貝克效應(Seeback Effect)是從不同的角度來解釋同一種物理現(xiàn)象。珀爾帖效應解釋電流可以產生溫差。塞貝克效應解釋溫差可以產生電流。所以有致冷芯片，當然也有發(fā)電芯片。發(fā)電芯片的英文名稱也多樣化。常用的簡稱有T.E,G.(Thermoelectric Generator)或是T.G.M.(Thermoelectric Generating Module)。其它常見的名稱有TE Power Generating Module , TE module for Electric Generation ,及Power Module for Converting Heat Source To Electricity。1.致冷芯片被用來致冷的作用，它可以用來當加熱用嗎?當然可以。你只要把電源的極性反轉就可以達到加熱的目的。實際上致冷芯片是一個非常優(yōu)良的加熱器。它的能源轉換效率甚至超過100%。因為熱面所排放的熱量，是電源所提供的能量外，再加上從冷面所抽取的熱能。因此它的效率絕對比電阻式加熱器要好的很。但是它的造價高，如果只單純用來當加熱器，那就不劃算了。2.致冷芯片可以泡在水里嗎?它可以放在水中清洗。但是使用之前一定要把它吹干。3.一定要使用散熱器嗎?致冷芯片的熱面一定要裝有散熱器。不拘散熱器的型式。如果熱面不裝散熱器，通電之后，熱面溫度上升很快。當它的溫度超過焊錫的溶點時，致冷芯片就損壞了。制作致冷芯片所使用焊錫溶點很低。至于冷面溫度很低的話，是不會造成損害的。4.省掉致冷芯片，僅使用散熱器與風散，不也是可以達到冷卻的功能?不用致冷芯片，不管你如何加大散熱器與風扇，溫度只能降到與室溫一樣。如配合適當?shù)闹吕湫酒瑴囟缺憧山档绞覝刂隆?.如果兩片致冷芯片疊在一起使用，是否會有更強的冷凍力?理論上是如此。實際上卻是行不通。因為第一片熱面所排出的熱量，無法被第二片冷面完全吸收。熱量又倒流回到冷面，致冷效果反而降低。所以在多層級致冷芯片的結構，是成金字塔排列。即第一片很小，第二片較大，第三片更大。6.致冷芯片最冷可以到幾度?許多因素都會影響冷度，例如室溫高低，冷面負載，電流大小，散熱器優(yōu)劣等等。理論上來說，如果把熱面溫度設法維持在27，冷面與熱面的溫差，最高可達到最大溫差值(DTmax)。一般市面上產品的最大溫差值為62。本公司提供的產品，最大溫差值為65。最大溫差值的預設條件是冷面負載為零的條件。在實際的應用中，冷面負載是不可能為零。在一般的應用中，冷熱面的溫差值約為最大溫差值的一半。7.如果需要非常冷的溫度，可有其它好辦法?可以采用多層級致冷芯片。也可使用傳統(tǒng)式冷凍壓縮機，先把致冷芯片熱面溫度降低，那么冷面溫度自然跟著降低。8.致冷芯片最熱可到幾度?這完全取決于芯片內焊錫的溶點。一般制造致冷芯片所采用的是低溶點焊錫。如果致冷芯片的溫度超過焊錫溶點，芯片內部結構就會損壞。一般致冷芯片分為三級，普通級(150125)，高溫級(150150)，特高溫級(150200)。9.致冷芯片最大的尺寸有多大?因為冷縮熱漲的物理現(xiàn)象，如果尺寸太大，熱面膨脹，冷面收縮，晶粒容易破烈。目前最大的尺寸約在50mm平方，4mm厚。如果需要很大的致冷量，刻意去制造尺寸很大的芯片，那是不切實際，也不經濟。如果在應用中，多加幾組芯片，也可同樣達到增加致冷量的目的。10.致冷芯片最小的尺寸有多小?芯片尺寸太小，無法采用機械自動化生產作業(yè)。勢必在顯微鏡下用人工裝配，因此成本高，價格昂貴。本公司提供的產品，最小的尺寸為5mm平方，2.4mm厚。11.如何分辯致冷芯片的冷面與熱面?有的芯片，兩面看起來一模一樣。真教人難以分辯這是冷面還是熱面?，F(xiàn)在教你分辯冷面與熱面的方法。當直流電源依紅黑引線的極性施加到致冷芯片，電源引線著附的這一面會發(fā)熱，稱為熱面。另外一面會致冷，稱為冷面。如此冷面熱面分辯的方法，是幫助你在組裝過程中，不會搞錯方向。在設計上最好是冷面當致冷用，熱面當散熱來使用。想想看，如果熱面 當致冷用，著附在熱面的電線會造成冷氣的流失。如果電線是發(fā)燙的話，冷氣的流失更快。特別是微小型芯片，更是承受不了如此的損失。12.規(guī)范表上所列最大電流值(Imax)，其意為何?一般人都會認為電流超過最大電流值，芯片就會燒壞。其實不然，它所代表的意義是出乎一般人意料之外。請參考“天南地北”篇中的題項致冷力與電流的關系。13.如何量測最大電流值(Imax)?首先要有一個萬能散熱器，它可隨時保持熱面溫度在27C。也要一個完美無缺的集冷器，它不讓冷面的冷氣有任何的流失。此時慢慢升高致冷芯片的電壓，電流也跟著增加，致冷芯片的溫差也隨著上升。當溫差從上升轉為下降的那一點，此時的電流就是最大電流(Imax)。此時的電壓就是最大電壓(Vmax)。此時的溫差就是最大溫差(Tmax)。以上所述的量測條件，是理想理論條件。要進行如此量測，非常困難。芯片制造廠所提供的數(shù)值，是根據(jù)一般常態(tài)所測的數(shù)字，再用計算機推算出來的數(shù)值。14.規(guī)范表上所列最大致冷力(Qmax)，其意為何?如何量測?首先要有一個萬能散熱器，它可隨時保持熱面溫度在27C。也要一個萬能的集冷器，它可以把冷面的冷氣迅速移走，以保持冷熱面溫差(T)為零。慢慢升高致冷芯片的電流到最大電流(Imax)，此時致冷芯片就在最大致冷力(Qmax)的狀態(tài)。以上所述的量測條件，是理想理論條件。要進行如此量測，非常困難。芯片制造廠所提供的數(shù)值，是根據(jù)一般常態(tài)所測的數(shù)字，再用計算機推算出來的數(shù)值。15.在電氣上，致冷芯片可以串聯(lián)，并聯(lián)或是串并聯(lián)合并使用?可以。設計者要確認每片芯片都有適當?shù)碾妷号c電流分布。16.串聯(lián)比較好?還是并聯(lián)比較好?致冷芯片的致冷能力，不會因串聯(lián)或并聯(lián)而有所改變。并聯(lián)使用時，如果其中一片芯片壞了，剩余的芯片可繼續(xù)運作。串聯(lián)使用時，如果其中一片芯片壞了，所有的芯片便停止運作。并聯(lián)使用時，電壓低，電流大?？刂菩酒娏鞯牧憬M件如繼電器晶體管或CMOS，耗損大，價格高。串聯(lián)使用時，電壓高，電流小?？刂菩酒娏鞯牧憬M件如繼電器晶體管或CMOS，耗損小，價格便宜。17.致冷芯片是否為純電阻組件?可以說是純電阻組件。它的雜散電容很小。它的電感值幾可忽略。如果使用一般直流電源來推動致冷芯片，是不會有問題。如果使用脈寬調制直流電源(Pulse Width Modulated DC Power Supply)來推動致冷芯片，也不會有問題。但是致冷芯片的電源引線要加上適當隔離，以免干擾其它電路。18.是否可采用直流電源ON/OFF的方式來調制芯片致冷能力，以達控制溫度的目的?這是一種最簡單與最經濟的方式，但是它有很大的缺點。通常采用這種方式，都會與感溫器搭配。當溫度低于感溫器下限，就開始加熱。當溫度超過感溫器上限，就開始致冷。換句話說，溫度是在上限與下限之間不停的跳動。這就是所謂的冷熱交替(Thermal Cycling)。雖然上限與下限的溫差不大，但是長期處在冷熱交替的狀態(tài)，對產品的壽命是非常不利。來自許多單位的實驗報告，都證明冷熱交替的傷害。在此列出典型的數(shù)字，讓讀者有更深切的了解。設計良好的控溫方式，壽命可達10年至20年。采用ON/OFF控溫方式，壽命只有1年至2年。19.功率晶體管與致冷芯片串聯(lián)。操控晶體管的基極電流大小，是否也可調控芯片的致冷能力?是的，但是它有一個缺點。晶體管的電能耗損很大，因此又需另一套散熱器材。價格體積重量也隨著增加。它的優(yōu)點是沒有冷熱交替(Thermal Cycling)的缺點，也沒有電磁干擾(EMI:Electro-Magnetic Interference)的煩惱。如果脈寬調制(PWM:Pulse Width Modulation)的調控方式不能滿足你的需要，那么本調控方式將會是最佳的另類選擇。20.省一個變壓器的成本，直接把120V的交流電源，經過簡單的整流后，是否也可用來推動致冷芯片?千萬別如此。很多問題會隨著而來。這是常被人們問起的問題。想想看，120V的交流電源，它的峰值電壓為2*120=169V。因此需要很多的芯片串聯(lián)起來。一般人很容易錯估要串聯(lián)在一起的芯片數(shù)目。另外一個重要的考量是安全?；旧闲酒脑O計是不適應高電壓的工作環(huán)境。在芯片的冷熱兩面都可能有金屬制的集冷器與散熱器。如果濕度稍微高，或有金屬導電碎粒掉入芯片內部的話，在低電壓工作環(huán)境下，這不會是問題。但是在高電壓工作環(huán)境下，危機就來了。你的產品可能變成會電死人的兇手。21.可否使用市面上的一般開關來操控致冷芯片的開與關?一般市面上的開關所標示的電流容量是交流電的數(shù)值。但是致冷芯片的工作電流是直流。直流電比較容易產生火花。開關的金屬接點比較容易損壞。因此選用市面上的一般開關，一定要確認它的直流電流容量符合需求才可以。22.如何設計電路，以切換致冷芯片的致冷/加熱功能?可使用雙刀雙擲(DPDT)開關，線路接成傳統(tǒng)式極性反轉電路，如下圖。直接用手動操控。如果雙刀雙擲開關的接點，代之以繼電器的接點，則可配合自動操控的要求。也可使用半導體的組件來取代接點。建議采用MOSFET組件。因為MOSFET的飽和電壓降很低。只有0.2V至0.6V之間。其它半導體組件的飽和電壓降都在1.0V之上。23.規(guī)范表上列出熱面溫度27，熱面溫度很重要嗎?是的。致冷芯片對溫度是非常敏感。它在高溫下，致冷效果較好。它在低溫下，致冷效果較差。比如說，熱面溫度27，最大溫差為65。熱面溫度如升為35，最大溫差可能升為75。一般廠商提供的規(guī)范或圖表，都會標明熱面溫度。一般常見的熱面溫度有27，35及50。24.規(guī)范表中列示測試空間狀態(tài)字樣。測試空間狀態(tài)會影響測試結果嗎?測試空間的狀態(tài)是會影響測試的結果。常見的狀態(tài)有真空，充氮，空氣三種。真空的結果最佳，充氮次之，空氣最后。列如在空氣中測試得最大溫差為63，在充氮的狀態(tài)，最大溫差可能升為65。在真空狀態(tài)下，最大溫差又可能升為68。致冷芯片如在空氣狀態(tài)下工作，空氣中的水氣很容易在芯片內部的冷面部位結露。芯片因而會腐蝕。因此在可靠度要求很高的設計，芯片是在真空狀態(tài)下工作。但是要保持真空狀態(tài)所付代價很高，因此另有一種充氮狀態(tài)的設計。半導體致冷法的原理以及結構半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P型材料電子不足，有正溫差電勢；當電子從P型穿過結點至N型時，結點的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當于結點所消耗的能量。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。直接接觸的熱電偶電路在實際應用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實驗證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導線）不會改變電路的特性。這樣，半導體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件聯(lián)結成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。因此是半導體致冷片由許多N型和P型半導體之顆?；ハ嗯帕卸桑鳱P之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好，外觀如下圖所示。制冷片的技術應用半導體制冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優(yōu)點和特點：1、 不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。2、 半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。3、 半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。4、 半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。5、 半導體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。6、 半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此