半導(dǎo)體致冷技術(shù)應(yīng)用和原理

半導(dǎo)體致冷技術(shù)應(yīng)用和原理1、自制小型TEC1半導(dǎo)體電子冰箱（冷熱箱）：自制的小型電冰箱，其制冷部分是以新型的固體冷源——半導(dǎo)體制冷器，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)。由于制作方便，工藝要求也不高，所以十分便于自制。原理：半導(dǎo)體致冷器的制冷原理是建立在珀?duì)柵列?yīng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。即當(dāng)電流流經(jīng)不同材料的導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱（制冷）現(xiàn)象。放熱或吸熱依電流方向不同而改變，放熱或吸熱量的大小則由電流大小來決定。制作：自制的小型冰箱有效容積為10升，所選用的致冷器為TEC1—12703型（圖1）。該致冷器的外型為40×40×5mm，由于127對電偶對構(gòu)成，僅重28克，電壓12V電流3A，電熱端溫度27℃、冷端負(fù)載為0時(shí)，冷、熱間溫差﹥55℃，（即熱端15℃時(shí)，冷端可達(dá)-40℃）制冷量為29.6大卡/小時(shí)。電源電壓為12V、電流大于3A，如汽車電瓶或由市電經(jīng)變器降壓、整流、濾波后供其工作，電源紋波系數(shù)應(yīng)小于10%。找一容積為10升的箱體為冷箱（長、寬、高可自行選擇，只要內(nèi)容積為10升即可）。內(nèi)膽的二分之一用金屬材料做成，以利于冷量在箱內(nèi)大面積傳導(dǎo)，便其分散均勻?？蛇x用厚0.5～1mm銅皮、鋁皮或鐵皮；內(nèi)膽的另二分之一用無毒塑料板做成（如聚丙稀板），外箱體可由鐵皮做成，其箱體尺寸可依內(nèi)膽尺寸每邊大30mm，外箱體后部應(yīng)留70×70mm的孔，以利安裝致冷器，然后將內(nèi)膽套入，在內(nèi)層中填入隔熱材料，可以選用聚乙稀粉末或包裝用的廢泡沫，然后做一個(gè)55×55×30mm的金屬塊（如鐵、鋁、銅）為儲(chǔ)冷器。儲(chǔ)冷器的作用是使致冷器產(chǎn)生的冷量更為均勻地傳導(dǎo)于內(nèi)膽。此時(shí)可將致冷器冷端安置于儲(chǔ)冷器上，再選一塊厚1～2mm大小為130×130mm的銅板，用厚0.3～0.5mm的銅皮做成15～20個(gè)U型片，按圖2焊的銅板上；成為散熱器。將做好的散熱器緊貼致冷器的散熱端固定，為使冷熱傳導(dǎo)更為良好，在安排前應(yīng)在所有接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，然后在靠近散熱器處，加裝一小型風(fēng)機(jī)。用以上方法制作的小型冰箱，經(jīng)試驗(yàn)在20℃時(shí)，可使箱內(nèi)溫度到零下5℃。當(dāng)將電源極性反接后，即產(chǎn)生致熱效應(yīng)，此時(shí)，箱內(nèi)溫度可達(dá)70℃以上。有興趣的讀者還可用2塊致冷器制作20升的冰箱或用多塊做成更大容積和冰箱，并可設(shè)置溫控電路，使其更為完善。若將散熱方式改為水冷，則制冷效果更佳。2、制作家用半導(dǎo)體空調(diào)器；與壓縮式制冷機(jī)相比，半導(dǎo)體致冷器是一種較為新穎的制冷裝置。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕、壽命長。致冷器本身無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因而工作起來無噪聲。同時(shí)由于必使用氣體工質(zhì)，所以也不構(gòu)成環(huán)境污染。其缺點(diǎn)是在工作溫差較大時(shí)致冷效率較低，成本也較貴。然而，半導(dǎo)體致冷空調(diào)器在用于致熱時(shí)，其效率則十分高。用在空調(diào)器中，綜合“冷”“熱”兩方面的效果時(shí)，則仍不失為一種能耗較低的裝置。至于成本，如果設(shè)計(jì)合理，則仍可有較大幅度的降低。由半導(dǎo)體致冷器制成的空調(diào)器，國外已經(jīng)有相當(dāng)多的品種。常見的有工業(yè)空調(diào)器、冷風(fēng)機(jī)和家用空調(diào)器。此外，由半導(dǎo)體致冷器還可制成一些在特殊場合使用的空調(diào)器。如防空洞、火車、潛水艇等一些比較特殊的場所。另外，這種致冷器還可以用在某些有特殊要求的工作服上，進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。比如某些熾熱場所、車間、消防員、飛行員、宇航員、坦克手以水下工作的潛水服等。家用空調(diào)器的一個(gè)特點(diǎn)，就是要求能耗低。

為了對這種致冷器的性能作一個(gè)初步了解，我們對國產(chǎn)致冷器件的主要性能作一點(diǎn)簡單的介紹。表明這種半導(dǎo)體材料綜合性能指標(biāo)的一個(gè)參數(shù)，叫“優(yōu)質(zhì)系數(shù)”通常用符號Z表示，Z值愈大，則效率愈高。對于國產(chǎn)半導(dǎo)體致冷器Z≈0.0025/K,半導(dǎo)體致冷器的散熱端溫度用T表示，工作溫度用T表示，工作溫度差T—T。致冷器的效率與T和T有關(guān)。表列出當(dāng)T0=300K、Z=0.0025/K條件下，當(dāng)作致冷器使用時(shí)的單極致冷器的效率（見表1）空調(diào)器使用中，需要的工作溫差一般是不大的。比如，在夏天室外溫度為40℃，要求室內(nèi)維持20℃，則T=20℃，冬天時(shí)，如室外溫度為-10℃，室內(nèi)維持20℃，則T=30℃，由表可見，夏天使用時(shí)，其致冷效率可達(dá)1.5，而冬天使用時(shí)其致熱效率可達(dá)1.8，也就是說電----冷和電----熱的轉(zhuǎn)換效率都不小于1，這當(dāng)然是很理想的，然而，由于制造工藝和結(jié)構(gòu)質(zhì)量相差很大，所以實(shí)際的致冷器其轉(zhuǎn)換效率要低一些，這里大概說明的一點(diǎn)，效率大于1似乎是違背了能量守恒定律，事實(shí)上并非如此，這是由于半導(dǎo)體致冷器提供的“熱”和“冷”，除了消耗電功之外，本身還能從環(huán)境吸收一部分能量，從而出現(xiàn)了效率大于1的現(xiàn)象。由此可見，如果設(shè)計(jì)合理，那么由半導(dǎo)體致冷器制成的空調(diào)還是很省電的。因而用它來制造家用空調(diào)可滿足省電的市場需要。蘇聯(lián)制造的半導(dǎo)體家用空調(diào)器如圖所示。這種空調(diào)用于較小的住房中，晝夜進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)?？照{(diào)的電堆由5個(gè)部分構(gòu)成，每個(gè)部分包括十對無件。每一部分的產(chǎn)冷量約為45W。熱端和冷端分別由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)送風(fēng)。致熱工作時(shí)，效率大約為2.5。這一類家用空調(diào)器，具有如下典型的性能參數(shù)；產(chǎn)冷量1.5KW；產(chǎn)熱量3.5KW；冷風(fēng)溫度5～9℃。致冷效率為1；冷卻水消耗量0.5T/h；空調(diào)氣調(diào)節(jié)器節(jié)量750立方米。致冷器采用水散熱時(shí)效率較高，當(dāng)然，采用風(fēng)冷也是可以的。目前，市場對于家用空調(diào)器的城需求呼聲較高，利用半導(dǎo)體致冷器制造這種家電產(chǎn)品不僅是可行的，預(yù)期其經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀的。表1溫差（℃）51020253040效致冷7.63.31.51.00.780.44效致熱81.62.62.31.81.63、TEC1半導(dǎo)體冰瓶（杯）：用半導(dǎo)體致冷器和市售5升廣口保溫瓶制作的冰瓶。眾所周知，保溫瓶最大限度地切斷了熱傳遞三條途徑（即傳導(dǎo)、輻射、對流）；有著良好的隔熱性能，由于用電省，應(yīng)急使用或外出使用時(shí)，可用于干電池供電。LM741運(yùn)放接成單電壓比較器，RT為熱敏電阻，作為感溫頭，W為溫控電位器。W設(shè)定后，當(dāng)RT阻值溫度變化時(shí)，A點(diǎn)電位將在1/2EC左右變化，而B點(diǎn)電位恒將為1/2EC，故A點(diǎn)電位變化在LM741，6腳反映出來，使行繼電器吸合或釋放，從而控制半導(dǎo)體致冷器制冷或不制冷，LED1為電源指示燈，LED2為制冷顯示燈。CT1為半導(dǎo)體致冷器。致冷器安裝在瓶蓋頂部，冷端面向下，要直立安裝，以保持高效率。儲(chǔ)能器尺寸為∮110mm×6mm共兩塊，散熱片共20片，均勻、直立焊在基板上要用塑料片做成的圓環(huán)平面或圓柱側(cè)面遮蓋住，粘牢，以形成能讓空氣沿中虛線所示方向的風(fēng)道，提高散熱效果，將溫控電位器裝在散熱片基板上，RL引出線為強(qiáng)度高，柔性好的金屬屏蔽線，所有元器件安裝、固定或密封在瓶蓋中。據(jù)此，廠家可配用不同容積的保溫瓶，形成系列產(chǎn)品。4、自制摩托車涼暖頭盔（電子靜腦帽）：和制作“半導(dǎo)體冰瓶”的原理基本相同，只是將TEC1冷源安裝在頭盔的正前方，這樣有利于行車時(shí)的迎風(fēng)散熱。5、自制冷熱座椅：一般是汽車上使用，散熱需加迎風(fēng)散熱裝置，也可以加上冷靠背利用水作自然循環(huán)冷卻。室內(nèi)用冷熱座要增加風(fēng)冷或水冷散熱裝置。

由于氟利昂對大氣層的危害，加之TEC1半導(dǎo)體溫差電致冷件適用于各種環(huán)境下，能正常工作，并具有體積小、重量輕，尤其適用于空間受限的場合，而且無轉(zhuǎn)動(dòng)部件和致冷劑。因而無噪聲、壽命長、不需維護(hù)、可以在任意位置及真空輻射環(huán)境下工作，耐沖擊、抗振動(dòng)、無污染。如能調(diào)整電流大小可以精確調(diào)節(jié)致冷速度和溫度，改變電流方向還可用來做加熱器。主要規(guī)格及參數(shù)：型號電流(A)電壓(V)外型尺寸(mm)最大溫度(℃)最大致冷量(W)重量(g)TEC1—1270881250×50×4.5﹥6096(83大卡/h)41.5TEC1—1270551240×40×4.2﹥6039(34大卡/h)23.5TEC1—1270331240×40×5﹥6025(22大卡/h)25.0TEC1—071055630×30×4.2﹥6022(19大卡/h)12.5TEC1—071033630×30×5﹥6014(12大卡/h)14.5TEC1—031055320×20×4.2﹥609(8大卡/h)5.5TEC1—031033320×20×5﹥606(5大卡/h)6.2TEC1—0120551.51.5×1.5×4.2﹥605(4大卡/h)3.0TEC1—0170331.51.5×1.5×5﹥603(2.5大卡/h)3.5使用注意事項(xiàng):1、接線示意圖：紅色引