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制冷片工作原理.docx
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制冷片工作原理
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制冷片工作状态是一面制冷一面发热,在制冷片工作时必须给热面
良好散热,严禁在无散热条件下给制冷片通电超过2秒,造成过热烧坏!
测试制冷片好坏可用一节电池试验
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操作方法是:
一只手捏住制冷片的两面,另一只手把制冷片的导线按在电池的两极上,若能感觉到一面微冷一面微热就说明制冷片是好的,能够正常工作。
制冷片按尺寸分:
10*1015*1520*2023*2330*3040*4050*5062*62双层长方形
制冷片按电流分:
2A3A4A5A6A7A8A9A10A12A14A15A18A
半导体制冷器给我们带来散热新概念
半导体制冷器在通电的情况下,两端极板会产生一定的温差,人们正是利用它的冷凝面为物体提供一个低温环境、发热面提供热源能量。
倒是效果非常明显,使用极其方便。
这里谈到的半导体制冷器是根据热电效应技术的特点,采用特殊半导体材料热电堆来制冷,能够将电能直接转换为热能,效率较高。
半导体制冷器的用途很多,可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮
水机等。
也用于电子器件的散热。
目前制冷器所采用的半导体材料最主
要为碲化铋,加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。
它的工作特点是一面制冷而一面发热。
接通直流电源后,电子由负极(-)
出发,首先经过P型半导体,在此吸收热量,到了N型半导体,又将热
量放出,每经过一个NP模组,就有热量由一边被送到另外一边,造成
温差,从而形成冷热端。
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安装使用
制冷片的安装及使用很简单。
在安装前,最好准
备一点导热硅脂,然后,找一节干电池,接在制冷器
两根引线上,就可感觉到一端明显发凉而另一端发热,
记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。
正式安
装时,在制冷器两端均匀涂上导热硅脂,在物体与散
热器之间插入制冷片,请注意先试好的冷热面方向,冷面贴着物体,热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。
然后想法固定好三者。
固定好后,就可以给制
冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)。
使用
12V左右的电压,在此电压下制冷片的制冷量和冷热
面温差都比较合适。
热电致冷芯片(ThermoelectricCoolingModule)
及温差发电芯片(ThermoelectricPowergeneratingModule)的理论基础早在19世纪初即被科学家发现。
公元1821年(约180年前)德国科学家ThomasJohannSeebeck(1770-1831)发布塞贝克效应(SeebackEffect)此效应为日后研发温差发电芯片的基础。
随后不久(1834),法国表匠JeanCharlesAthanase
Peltier也发布了珀尔帖效应(PeltierEffect)此效
应为日后研发致冷芯片的基础。
但是当时并无今日发
展神速的半导体工业,科学家无法利用以上两个效应
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来研发创造新的产品。
直到1960年(约40年前),靠着半导体工业的配合,致冷芯片与发电芯片才问世。
致冷芯片的名称热电致冷芯片的名称很多。
如热电致冷模块(ThermoelectricCoolingModule),热电致冷芯片(ThermoelectricCoolingChip),制冷芯片,
热电致冷器(ThermoelectricCooler),珀尔帖致冷器(PeltierCooler),珀尔帖单体(PeltierCell),也
有人称它为热泵(HeatPump)。
在中国大陆,最普遍的名称为半导体致冷器。
浅见,若改称固态式致冷器
(solidstatecooler)会更加贴切。
致冷芯片的优点热电致冷芯片与传统冷冻压缩机互相比较,有优点,但也有缺点。
它的体积小,无噪音,不使用冷煤,因此无环保公害。
寿命长。
可倒立或侧立使用,无方向的限制。
特别适用于航空器或太空舱。
造价较高,但日后几乎不需维护。
致冷芯片的缺点它最大的缺点是能源转换效率低。
一般约在40%至50%之间。
而传统式冷冻压缩机的效率,一般约在95%之上。
因此致冷芯片无法用在大型空调或大型冰箱的场合。
但愿科学家的研究能有所突破。
提高效率。
届时冷冻工业将有一番新的面目出现。
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致冷芯片的用途致冷芯片有如以上的优缺点。
它
的用途,依随它的特性,存在日常生活的各种角落中。
在日常生活用品,航天工业,医学生物化验,军事民
生工业等,处处可见。
最常见的用途如计算机CPU的
冷却(MicroprocessorCooler),除湿箱,雷射发光头的冷却(LaserDiodeCooler),车用行动冷藏箱(PortablePicnicCooler),冰水机(WaterCooler),冷热敷疗器(TherapyWaterPad),小型冰
箱(MiniRefrigerator),血液分析仪(BloodAnalyzer)
等等。
也可以用来发电珀尔帖效应(PeltierEffect)与
塞贝克效应(SeebackEffect)是从不同的角度来解释同一种物理现象。
珀尔帖效应解释电流可以产生温差。
塞贝克效应解释温差可以产生电流。
所以有致冷芯片,当然也有发电芯片。
发电芯片的英文名称也多样化。
常用的简称有
T.E,G.(ThermoelectricGenerator)或
是T.G.M.(ThermoelectricGeneratingModule)。
其
它常见的名称有"TEPowerGeneratingModule","TE
moduleforElectricGeneration",及"Power
ModuleforConvertingHeatSourceToElectricity"。
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1.致冷芯片被用来致冷的作用,它可以用来当加热用吗?
当然可以。
你只要把电源的极性反转就可以达到加热的目的。
实际上致冷芯片是一个非常优良的加热器。
它的能源转换效率甚至超过100%。
因为热面所排放的热量,是电源所提供的能量外,再加上从冷面所抽取的热能。
因此它的效率绝对比电阻式加热器要好的很。
但是它的造价高,如果只单纯用来当加热器,那就不划算了。
2.致冷芯片可以泡在水里吗?
它可以放在水中清洗。
但是使用之前一定要把它吹干。
3.一定要使用散热器吗?
致冷芯片的热面一定要装有散热器。
不拘散热器的
型式。
如果热面不装散热器,通电之后,热面温度上
升很快。
当它的温度超过焊锡的溶点时,致冷芯片就
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损坏了。
制作致冷芯片所使用焊锡溶点很低。
至于冷面温度很低的话,是不会造成损害的。
4.省掉致冷芯片,仅使用散热器与风散,不也是可以达到冷却的功能?
不用致冷芯片,不管你如何加大散热器与风扇,温度只能降到与室温一样。
如配合适当的致冷芯片,温度便可降到室温之下。
5.如果两片致冷芯片叠在一起使用,是否会有更强的冷冻力?
理论上是如此。
实际上却是行不通。
因为第一片热面所排出的热量,无法被第二片冷面完全吸收。
热量又倒流回到冷面,致冷效果反而降低。
所以在多层级致冷芯片的结构,是成金字塔排列。
即第一片很小,第二片较大,第三片更大。
6.致冷芯片最冷可以到几度?
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许多因素都会影响冷度,例如室温高低,冷面负载,电流大小,散热器优劣等等。
理论上来说,如果把热
面温度设法维持在27℃,冷面与热面的温差,最高可达到最大温差值(DTmax)。
一般市面上产品的最大温差值为62℃。
本公司提供的产品,最大温差值为65℃。
最大温差值的预设条件是冷面负载为零的条件。
在实
际的应用中,冷面负载是不可能为零。
在一般的应用中,冷热面的温差值约为最大温差值的一半。
7.如果需要非常冷的温度,可有其它好办法?
可以采用多层级致冷芯片。
也可使用传统式冷冻压缩机,先把致冷芯片热面温度降低,那么冷面温度自然跟着降低。
8.致冷芯片最热可到几度?
这完全取决于芯片内焊锡的溶点。
一般制造致冷芯片所采用的是低溶点焊锡。
如果致冷芯片的温度超过
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焊锡溶点,芯片内部结构就会损坏。
一般致冷芯片分
为三级,普通级(-150℃~+125℃),高温级(-150℃
~+150℃),特高温级(-150℃~+200℃)。
9.致冷芯片最大的尺寸有多大?
因为冷缩热涨的物理现象,如果尺寸太大,热面膨胀,冷面收缩,晶粒容易破烈。
目前最大的尺寸约在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,那是不切实际,也不经济。
如果在应用中,多加几组芯片,也可同样达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,无法采用机械自动化生产作业。
势必在显微镜下用人工装配,因此成本高,价格昂贵。
本公司提供的产品,最小的尺寸为5mm平方,2.4mm厚。
11.如何分辩致冷芯片的冷面与热面?
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有的芯片,两面看起来一模一样。
真教人难以分辩
这是冷面还是热面。
现在教你分辩冷面与热面的方法。
当直流电源依红黑引线的极性施加到致冷芯片,电源
引线着附的这一面会发热,称为热面。
另外一面会致
冷,称为冷面。
如此冷面热面分辩的方法,是帮助你
在组装过程中,不会搞错方向。
在设计上最好是冷面
当致冷用,热面当散热来使用。
想想看,如果热面当
致冷用,着附在热面的电线会造成冷气的流失。
如果
电线是发烫的话,冷气的流失更快。
特别是微小型芯
片,更是承受不了如此的损失。
12.规范表上所列最大电流值(Imax),其意为何?
一般人都会认为电流超过最大电流值,芯片就会烧坏。
其实不然,它所代表的意义是出乎一般人意料之外。
请参考“天南地北”篇中的题项「致冷力"Q"与电
流"I"的关系」。
13.如何量测最大电流值(Imax)?
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首先要有一个万能散热器,它可随时保持热面温度
在27°C。
也要一个完美无缺的集冷器,它不让冷面的冷气有任何的流失。
此时慢慢升高致冷芯片的电压,电流也跟着增加,致冷芯片的温差也随着上升。
当温
差从上升转为下降的那一点,此时的电流就是最大电
流(Imax)。
此时的电压就是最大电压(Vmax)。
此时的温差就是最大温差(Tmax)。
以上所述的量测条件,是理想理论条件。
要进行如此量测,非常困难。
芯片制造厂所提供的数值,是根据一般常态所测的数字,再用计算机推算出来的数值。
14.规范表上所列最大致冷力(Qmax),其意为何?
如何量测?
首先要有一个万能散热器,它可随时保持热面温度
在27°C。
也要一个万能的集冷器,它可以把冷面的冷气迅速移走,以保持冷热面温差(T)为零。
慢慢升高致冷芯片的电流到最大电流(Imax),此时致冷芯片就在最大致冷力(Qmax)的状态。
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以上所述的量测条件,是理想理论条件。
要进行如此量测,非常困难。
芯片制造厂所提供的数值,是根据一般常态所测的数字,再用计算机推算出来的数值。
15.在电气上,致冷芯片可以串联,并联或是串并联合并使用?
可以。
设计者要确认每片芯片都有适当的电压与电流分布。
16.串联比较好?
还是并联比较好?
致冷芯片的致冷能力,不会因串联或并联而有所改变。
并联使用时,如果其中一片芯片坏了,剩余的芯片可继续运作。
串联使用时,如果其中一片芯片坏了,所有的芯片便停止运作。
并联使用时,电压低,电流大。
控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS,耗损大,价格高。
串联使用时,电压高,电流小。
控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS,耗损小,价格便宜。
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17.致冷芯片是否为纯电阻组件?
可以说是纯电阻组件。
它的杂散电容很小。
它的电感值几可忽略。
如果使用一般直流电源来推动致冷芯片,是不会有问题。
如果使用脉宽调制直流电源(Pulse
WidthModulatedDCPowerSupply)来推动致冷芯片,也不会有问题。
但是致冷芯片的电源引线要加上适当隔离,以免干扰其它电路。
18.是否可采用直流电源ON/OFF的方式来调制芯片致冷能力,以达控制温度的目的?
这是一种最简单与最经济的方式,但是它有很大的缺点。
通常采用这种方式,都会与感温器搭配。
当温度低于感温器下限,就开始加热。
当温度超过感温器上限,就开始致冷。
换句话说,温度是在上限与下限之间不停的跳动。
这就是所谓的冷热交替(ThermalCycling)。
虽然上限与下限的温差不大,但是长期处
在冷热交替的状态,对产品的寿命是非常不利。
来自
许多单位的实验报告,都证明冷热交替的伤害。
在此
列出典型的数字,让读者有更深切的了解。
设计良好
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的控温方式,寿命可达10年至20年。
采用ON/OFF控温方式,寿命只有1年至2年。
19.功率晶体管与致冷芯片串联。
操控晶体管的基极电流大小,是否也可调控芯片的致冷能力?
是的,但是它有一个缺点。
晶体管的电能耗损很大,因此又需另一套散热器材。
价格体积重量也随着增加。
它的优点是没有冷热交替(ThermalCycling)的缺点,也没有电磁干扰(EMI:
Electro-MagneticInterference)的烦恼。
如果脉宽调制(PWM:
PulseWidthModulation)的调控方式不能满足你的需要,那么本调控方式将会是最佳的另类选择。
20.省一个变压器的成本,直接把120V的交流电源,经过简单的整流后,是否也可用来推动致冷芯片?
千万别如此。
很多问题会随着而来。
这是常被人们问起的问题。
想想看,120V的交流电源,它的峰值电压为√2*120=169V。
因此需要很多的芯片串联起来。
一般人很容易错估要串联在一起的芯片数目。
另外一
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个重要的考量是安全。
基本上芯片的设计是不适应高电压的工作环境。
在芯片的冷热两面都可能有金属制的集冷器与散热器。
如果湿度稍微高,或有金属导电碎粒掉入芯片内部的话,在低电压工作环境下,这不会是问题。
但是在高电压工作环境下,危机就来了。
你的产品可能变成会电死人的凶手。
21.可否使用市面上的一般开关来操控致冷芯片的开与关?
一般市面上的开关所标示的电流容量是交流电的数值。
但是致冷芯片的工作电流是直流。
直流电比较容易产生火花。
开关的金属接点比较容易损坏。
因此选用市面上的一般开关,一定要确认它的直流电流容量符合需求才可以。
22.如何设计电路,以切换致冷芯片的致冷/加热
功能?
可使用双刀双掷(DPDT)开关,线路接成传统式极性反转电路,如下图。
直接用手动操控。
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如果双刀'双掷开关的接点,代之以继电器的接点,则可配合自动操控的要求。
也可使用半导体的组件来取代接点。
建议采用MOSFET组件。
因为MOSFET的饱和电压降很低。
只有0.2V至0.6V之间。
其它半导体组件的饱和电压降都在1.0V之上。
23.规范表上列出热面温度27℃,热面温度很重要
吗?
是的。
致冷芯片对温度是非常敏感。
它在高温下,致冷效果较好。
它在低温下,致冷效果较差。
比如说,热面温度27℃,最大温差为65℃。
热面温度如升为35℃,最大温差可能升为75℃。
一般厂商提供的规范或图表,都会标明热面温度。
一般常见的热面温度有27℃,35℃及50℃。
24.规范表中列示测试空间状态字样。
测试空间状态会影响测试结果吗?
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测试空间的状态是会影响测试的结果。
常见的状态有真空,充氮,空气三种。
真空的结果最佳,充氮次
之,空气最后。
列如在空气中测试得最大温差为63℃,
在充氮的状态,最大温差可能升为65℃。
在真空状态
下,最大温差又可能升为68℃。
致冷芯片如在空气状态下工作,空气中的水气很容易
在芯片内部的冷面部位结露。
芯片因而会腐蚀。
因此在可靠度要求很高的设计,芯片是在真空状态下工作。
但是要保持真空状态所付代价很高,因此另有一种充氮状态的设计。
半导体致冷法的原理以及结构
半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。
N型材料有多余的电子,有负温差电势。
P型材料电子不足,有正温差电势;当电子从P型穿过结点至N型
时,结点的温度降低,其能量必然增加,而且增加的
能量相当于结点所消耗的能量。
相反,当电子从N型
流至P型材料时,结点的温度就会升高。
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直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用,所以用下图的连接方法来代替,实验证明,在温差电路中引入第三种材料(铜连接片和导线)不会改变电路的特性。
这样,半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。
把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶,接上直流电源后,在接头处就会产生温差和热量的转移。
在上面的接头处,电流方向是从N至P,温度下降并且吸热,这就是冷端;而在下面的一个接头处,电流方向是从P至N,温度上升并且放热,因此是热端。
因此是半导体致冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而N/P之间以一般的导体相连
接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,
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最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如下图所示。
制冷片的技术应用
半导体制冷片作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点:
1、不需要任何制冷剂,可连续工作,没有污
染源没有旋转部件,不会产生回转效应,没有滑动部件是一种固体片件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。
2、半导体制冷片具有两种功能,既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永
远大于1。
因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
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3、半导体制冷片是电流换能型片件,通过输
入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很
小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7、半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
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通过以上分析,半导体温差电片件应用范围有:
制冷、加热、发电,制冷和加热应用比较普遍,有以下几个方面:
1、军事方面:
导弹、雷达、潜艇等方面的红
外线探测、导行系统。
2、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。
3、实验室装置方面:
冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。
4、专用装置方面:
石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。
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5、日常生活方面:
空调、冷热两用箱、饮水
机、电子信箱等。
此外,还有其它方面的应用,这里就不一一提了。
高端工业级大温差半导体制冷片TEC1-12706
制冷片用的是低温锡焊接的,热面超过120度,可能会化锡后损坏
尺寸:
40*40*3.7毫米
电压:
6~13V
额定电流:
最大6A
红线接正极黑线接负极,无字这面是热面,热面最高工作温度不要超过120度。
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作为制热:
最大温度请控制在120度以内制冷的话热面越低冷面也就越低。
此款TEC1-12706制冷片比普通制冷量大好多,在同等环境和条件下测试温差多10几度呢,如果您是注重制冷效果的那就买这款,价格虽重要,但是制冷效果也是关键。
安装散热器一定要涂导热硅脂且均匀很重要。
正常接线红线正极黑线负极的话,有字面为冷面,无字面为热面,反接效果相反。
制冷效果更取决于你使用的散热片大小
散热越好,制冷效果越好成正比
制冷片工作状态是一面制冷一面发热,工作时必须给发热面良好散热,严禁在无散热情况下通电超过2秒钟,造成过热烧毁买家自负!
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用作制冷的话热面越低制冷效果越好超过50度制冷效果很差请注意散热
用作制热也是可以的请控制好温度恒温在
80度以内超过120度有可能烧坏
学生朋友可以参考XX学习下温差发电也是不错的!
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