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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