半导体制冷技术应用

1、半导体制冷技术应用 指导老师：张义邴指导老师：张义邴 黄颂翔黄颂翔 制制 郑宸郑宸 丰澈丰澈 潘文号潘文号 郭艳林郭艳林 刘刘晓建晓建 上海大学自强学院上海大学自强学院 200444 嘿嘿，我们有嘿嘿，我们有话说话说ContentsContents制冷原理制冷原理半导体制冷的理论半导体制冷的理论半导体制冷的优点及发展前景半导体制冷的优点及发展前景半导体制冷冰箱制作半导体制冷冰箱制作半导体制冷技术半导体制冷技术 背景背景半导体制冷技术 背景随着人类科学技术的进步，新材料层出不穷，其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料，半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是一门介于制冷技术和半导体技术

2、边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生帕尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用，大到可以做核潜艇的空调，小到可以用来冷却红外线探测器的探头，因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器。制冷原理帕尔贴原理（Peltier effect）通上电源之后，冷端的热量被移到热端，通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。导致冷端温度降低，热端温度升高。半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置。半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置。如图是由如图是

3、由X X及及Y Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。两种不同的金属导线所组成的封闭线路。半导体致冷器的结构 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，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。 实物图：侧视图侧视图半导体制冷的理论 半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电

4、流强度IA成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关， 即： ， 称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为V, 为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以 = -abababIQababab与之相应的还有赛贝克原理，与之相应的还有赛贝克原理， Thomas Seeback Thomas Seeback，18211821，德，德 帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数 VK-1和接头处的绝对温度TK得出 与塞贝克效应相应，帕尔帖系数也具有加和性，即： 因此绝对帕尔帖系数有 = 金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得

5、到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。abTababIQQQbcabbcabac)(ababPN 型半导体制冷原理 N 型半导体的载流子是电子，载流子运动方向和热云顺方向是电源负极到正极； P 型半导体的载流子是空穴，载流子运动方向和热运输方向是电源正极到负极，两者正好能够串联组合成一对制冷器件。电流不需要增加，而冷量得到了叠加。如图：半导体制冷的优点半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器； 芯片重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够

6、正常地工作;通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。半导体制冷技术的发展前景传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其它化合物制剂传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其它化合物制剂来实现制冷，对周围环境会造成一定的污染，更主要的来实现制冷，对周围环境会造成一定的污染，更主要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经相继被淘汰出局。相继被淘汰出局。v现代化高科技的半导体制冷技术，现代化高科技的半导体制冷技术，不需任何制冷剂，仅仅利用半导体的不需任何制冷

7、剂，仅仅利用半导体的帕尔帖效应就能实现制冷。在致力于帕尔帖效应就能实现制冷。在致力于保护全球环境的今天，研制开发一种保护全球环境的今天，研制开发一种性能优越，对环境无害的制冷技术已性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球制冷技术科学研究领域的经成为全球制冷技术科学研究领域的一个重要课题。所以半导体制冷技术一个重要课题。所以半导体制冷技术具有广阔的发展前景具有广阔的发展前景半导体制冷冰箱设计思路 根据半导体制冷片的原理，采用底座式的放置方法，即将半导体制冷片至于冰箱内层底部，与底部进行制冷，为了冰箱内热量分布均匀且便于携带，决定采用铝板作为冰箱内胆，质量轻且导热效果好。内胆外层以泡沫塑料包裹，

8、以起到保温隔热的目的，内胆上部开口，安装常见的铝合金推拉门，既美观，也可以起到隔热的功效。 本次试验采用的半导体制冷片两面温差为65摄氏度，为了能够起到降温的目的，制冷片下部与金属导热块相连，四周包以泡沫，已达到隔热和固定的双重功效。导热块底部与散热器相连，通过散热器、风扇和导热块快速散去制冷片热面的热量，使热面温度保持在50摄氏度左右，由于制冷片上下面固定的65摄氏度温差，从而可以是制冷面的温度达到0度甚至以下，以此达到冰箱制冷的效果。 总体来说，以铝板作为内胆导热材料，泡沫塑料作为隔热保温材料，通过散热来保持制冷片的制冷效果这些就是此冰箱的基本原理。材料材料 参数、备注参数、备注半导体制冷

9、片TEC1-127010 67 12V 89W 50503.8mm 散热片 30015030mm 电扇 4个开关电源 48V 【24V的不行】铝块4 块 505026.2mm 导热硅胶 增加导热性粘合制冷片和铝片、散热片制作图片制作图片半导体制冷片半导体制冷片导热铝块导热铝块开关电源开关电源散热器散热器制作过程 这是半成品图，为了把泡沫完全包好，我们纯手工制作，大家轮流来，切蛋糕一样，最后把实验室搞得一塌糊涂，到处都是泡沫碎片关于泡沫塑料当时我们的想法很多，什么抽空玻璃隔热，泡沫玻璃。泡沫玻璃的隔热效果很好的，想法很不错。最后反过来想，不如用塑料吧，经济又实惠想法还是切合实际一点好！散热器底部

10、接四个风扇，制冷片、导热块、散热散热器底部接四个风扇，制冷片、导热块、散热器之间用导热硅胶相连，内胆和散热器之间用弹器之间用导热硅胶相连，内胆和散热器之间用弹簧螺丝固定，并借弹簧的压力，用内胆底部和散簧螺丝固定，并借弹簧的压力，用内胆底部和散热器将制冷片、导热块夹紧，周围包以泡沫塑料，热器将制冷片、导热块夹紧，周围包以泡沫塑料，并用导热硅胶填补缝隙，内胆四周包以泡沫塑料，并用导热硅胶填补缝隙，内胆四周包以泡沫塑料，其外包以外壳，以求美观。其外包以外壳，以求美观。在电路连接方面，我们把四块半导体制冷片串联在电路连接方面，我们把四块半导体制冷片串联起来，需要起来，需要48V 的开关电源，四个电扇串

11、联起来，的开关电源，四个电扇串联起来，再并上一个电阻，然后将它们再并联起来，接上再并上一个电阻，然后将它们再并联起来，接上48V 的电源，就可以工作了。的电源，就可以工作了。半导体制冷冰箱最终成果图：试验结果将一杯清水放入小冰箱内（室温24左右），盖上玻璃盖，接通电源，风扇开始工作。调节一个小型变阻器，使电流达到最佳工作电流8 安培。数十分钟后，取出杯子，用温度计测量水温，已经降到了4。说明工作状态良好，达到了预期效果。几点小结：要把过程看成是充满趣味的事，保持极高的热情，比如说切泡沫在切蛋糕过程中有分歧及时商量，达成统一，团结很重要，不要搞驴象之争，而是要做政治协商小组感言这次创新实践，让我们体会到工科实验的艰辛，同时，也让我们了解了实验的方法、流程、步骤，作为一群大一的学生，我们很幸运能走进实验室，运用我们的智慧来创造一些成果。个人感言刘晓建：一分耕耘，才有一份收获。潘文号：虽然在太阳的照射下流过汗水，虽然在淅沥的