半导体致冷技术应用和原理

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1、自制小型TEC1半导体冰箱（冷热箱）：自制的小型电冰箱，其制冷部分是以新型的固体冷源——半导体制冷器，取代了传统的机械压缩式制冷系统。由于制作方便，工艺要求也不高，所以十分便于自制。原理：半导体致冷器的制冷原理是建立在珀尔帕效应的基础上实现的。即当电流流经不同材料的导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热（制冷）现象。放热或吸热依电流方向不同而改变，放热或吸热量的大小则由电流大小来决定。制作：自制的小型冰箱有效容积为10升，所选用的致冷器为TEC1—12703型（图1）。该致冷器的外型为40×40×5mm，由于127对电偶对构成，仅重28克，电压12V电流3A，电热端温度27℃、冷端负载为0时，冷、热间温差﹥55℃，（即热端15℃时，冷端可达-40℃）制冷量为29.6大卡/小时。电源电压为12V、电流大于3A，如汽车电瓶或由市电经变器降压、整流、滤波后供其工作，电源纹波系数应小于10%。找一容积为10升的箱体为冷箱（长、宽、高可自行选择，只要内容积为10升即可）。内胆的二分之一用金属材料做成，以利于冷量在箱内大面积传导，便其分散均匀。可选用厚0.5～1mm铜皮、铝皮或铁皮；内胆的另二分之一用无毒塑料板做成（如聚丙稀板），外箱体可由铁皮做成，其箱体尺寸可依内胆尺寸每边大30mm，外箱体后部应留70×70mm的孔，以利安装致冷器，然后将内胆套入，在内层中填入隔热材料，可以选用聚乙稀粉末或包装用的废泡沫，然后做一个55×55×30mm的金属块（如铁、铝、铜）为储冷器。储冷器的作用是使致冷器产生的冷量更为均匀地传导于内胆。此时可将致冷器冷端安置于储冷器上，再选一块厚1～2mm大小为130×130mm的铜板，用厚0.3～0.5mm的铜皮做成15～20个U型片，按图2焊的铜板上；成为散热器。将做好的散热器紧贴致冷器的散热端固定，为使冷热传导更为良好，在安排前应在所有接触面涂抹导热硅脂，然后在靠近散热器处，加装一小型风机。用以上方法制作的小型冰箱，经试验在20℃时，可使箱内温度到零下5℃。当将电源极性反接后，即产生致热效应，此时，箱内温度可达70℃以上。有兴趣的读者还可用2块致冷器制作20升的冰箱或用多块做成更大容积和冰箱，并可设置温控电路，使其更为完善。若将散热方式改为水冷，则制冷效果更佳。

2、制作家用半导体空调器；与压缩式制冷机相比，半导体致冷器是一种较为新颖的制冷装置。其优点是重量轻、寿命长。致冷器本身无任何机械转动部分，因而工作起来无噪声。同时由于必使用气体工质，所以也不构成环境污染。其缺点是在工作温差较大时致冷效率较低，成本也较贵。然而，半导体致冷空调器在

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用于致热时，其效率则十分高。用在空调器中，综合“冷”“热”两方面的效果时，则仍不失为一种能耗较低的装置。至于成本，如果设计合理，则仍可有较大幅度的降低。由半导体致冷器制成的空调器，国外已经有相当多的品种。常见的有工业空调器、冷风机和家用空调器。此外，由半导体致冷器还可制成一些在特殊场合使用的空调器。如防空洞、火车、潜水艇等一些比较特殊的场所。另外，这种致冷器还可以用在某些有特殊要求的工作服上，进行空气调节。比如某些炽热场所、车间、消防员、飞行员、宇航员、坦克手以水下工作的潜水服等。家用空调器的一个特点，就是要求能耗低。

为了对这种致冷器的性能作一个初步了解，我们对国产致冷器件的主要性能作一点简单的介绍。表明这种半导体材料综合性能指标的一个参数，叫“优质系数”通常用符号Z表示，Z值愈大，则效率愈高。对于国产半导体致冷器Z≈0.0025/K,半导体致冷器的散热端温度用T表示，工作温度用T表示，工作温度差T—T。致冷器的效率与T和T有关。表列出当T0=300K、Z=0.0025/K条件下，当作致冷器使用时的单极致冷器的效率（见表1）空调器使用中，需要的工作温差一般是不大的。比如，在夏天室外温度为40℃，要求室内维持20℃，则T=20℃，冬天时，如室外温度为-10℃，室内维持20℃，则T=30℃，由表可见，夏天使用时，其致冷效率可达1.5，而冬天使用时其致热效率可达1.8，也就是说电----冷和电----热的转换效率都不小于1，这当然是很理想的，然而，由于制造工艺和结构质量相差很大，所以实际的致冷器其转换效率要低一些，这里大概说明的一点，效率大于1似乎是违背了能量守恒定律，事实上并非如此，这是由于半导体致冷器提供的“热”和“冷”，除了消耗电功之外，本身还能从环境吸收一部分能量，从而出现了效率大于1的现象。由此可见，如果设计合理，那么由半导体致冷器制成的空调还是很省电的。因而用它来制造家用空调可满足省电的市场需要。苏联制造的半导体家用空调器如图所示。这种空调用于较小的住房中，昼夜进行空气调节。空调的电堆由5个部分构成，每个部分包括十对无件。每一部分的产冷量约为45W。热端和冷端分别由两个独立的电机送风。致热工作时，效率大约为2.5。这一类家用空调器，具有如下典型的性能参数；产冷量1.5KW；产热量3.5KW；冷风温度5～9℃。致冷效率为1；冷却水消耗量0.5T/h；空调气

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调节器节量750立方米。致冷器采用水散热时效率较高，当然，采用风冷也是可以的。目前，市场对于家用空调器的城需求呼声较高，利用半导体致冷器制造这种家电产品不仅是可行的，预期其经济效益也是相当可观的。

表1

3、TEC1半导体冰瓶（杯）：用半导体致冷器和市售5升广口保温瓶制作的冰瓶。众所周知，保温瓶最大限度地切断了热传递三条途径（即传导、辐射、对流）；有着良好的隔热性能，由于用电省，应急使用或外出使用时，可用于干电池供电。LM741运放接成单电压比较器，RT为热敏电阻，作为感温头，W为温控

电位器。W设定后，当RT阻值温度变化时，A点电位将在1/2EC左右变化，而B

点电位恒将为1/2EC，故A点电位变化在LM741，6脚反映出来，使行继电器吸合

或释放，从而控制半导体致冷器制冷或不制冷，LED1为电源指示灯，LED2为制冷显示灯。CT1为半导体致冷器。致冷器安装在瓶盖顶部，冷端面向下，要直立安装，以保持高效率。储能器尺寸为∮110mm×6mm共两块，散热片共20片，均匀、直立焊在基板上要用塑料片做成的圆环平面或圆柱侧面遮盖住，粘牢，以形成能让空气沿中虚线所示方向的风道，提高散热效果，将温控电位器装在散热片基板上，RL引出线为强度高，柔性好的金属屏蔽线，所有元器件安装、固定或密封在瓶盖中。据此，厂家可配用不同容积的保温瓶，形成系列产品。

4、自制摩托车凉暖头盔（电子静脑帽）：和制作“半导体冰瓶”的原理基本相同，只是将TEC1冷源安装在头盔的正前方，这样有利于行车时的迎风散热。

5、自制冷热座椅：一般是汽车上使用，散热需加迎风散热装置，也可以加上冷靠背利用水作自然循环冷却。室内用冷热座要增加风冷或水冷散热装置。

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由于氟利昂对大气层的危害，加之TEC1半导体温差电致冷件适用于各种环境下，能正常工作，并具有体积小、重量轻，尤其适用于空间受限的场合，而且无转动部件和致冷剂。因而无噪声、寿命长、不需维护、可以在任意位置及真空辐射环境下工作，耐冲击、抗振动、无污染。如能调整电流大小可以精确调节致冷速度和温度，改变电流方向还可用来做加热器。

主要规格及参数：

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