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主题：【分享】半导体致冷--珀尔帖效应(全解析)

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祥子
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发表于：2011/05/06 11:06:29 楼主 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
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半导体致冷--珀尔帖效应(全解析)

整理：nemoium

1. 珀尔帖效应

        图(1)是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，A点的热量被移到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，这就是著名的Peltier effect.



图1

      对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。

      1837年，俄国物理学家愣次（Lenz，1804～1865）发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比，比例系数称为“帕尔帖系数”。

　　Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc

　　式中：Q——放热或吸热功率

　　π——比例系数，称为珀尔帖系数

　　I——工作电流

　　a——温差电动势率

　　Tc——冷接点温度

2.半导体致冷器件结构和原理

      致冷器的名称相当多，如 Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称 T.E 或 T.E.C)、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。

      致冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其它金属导体，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，外观如下图2和3所示，看起来像三明治。
   
一个实际的TEC器件如图2



图2

其内部结构如下图3



图3

内部实物图如下：





      其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源。



  图4



图5



  图6

一个演示flash，点击start开始。



3.应用

、

图7



4. 应用TEC器件温度控制

一个温度控制原理图如图8：



图8

TEC的功能实现取决于供电电流的方向，通过改变电流方向实现制热或者制冷。

TEC的控制也比较简单，已经有专门的驱动IC，比如MAX1968

原理图如下：



  图9



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。
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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2011/5/6 11:22:02 沙发 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。
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祥子
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2011/5/6 11:42:06 板凳 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
原文由 tutm(tutm) 发表:
这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。


确实实现起来比较简单。据上面说，制热效率高于制冷的。

很新颖对我来说，呵呵。
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2011/5/6 11:57:00 马扎 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
原文由 祥子(nemoium) 发表:
原文由 tutm(tutm) 发表:
这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。


确实实现起来比较简单。据上面说，制热效率高于制冷的。

很新颖对我来说，呵呵。

呵呵，买一个来玩玩，不贵的。20-50元一块，加个CPU散热器，接一个普通的12V电源就能使了，大热天做点冰水饮料不错。淘宝上很多的。
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2011/5/6 11:58:44 地毯 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
制冷效率大约只及压缩机效率的十分之一
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2011/5/6 12:53:04 地板 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
原文由 tutm(tutm) 发表:
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原文由 tutm(tutm) 发表:
这东西很方便，就是制冷效率太低，做个小部件的冷却还行。


确实实现起来比较简单。据上面说，制热效率高于制冷的。

很新颖对我来说，呵呵。

呵呵，买一个来玩玩，不贵的。20-50元一块，加个CPU散热器，接一个普通的12V电源就能使了，大热天做点冰水饮料不错。淘宝上很多的。


.........这么便宜,呵呵，买一个干嘛用没想好。
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祥子
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2011/5/6 12:56:11 6楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
原文由 tutm(tutm) 发表:
制冷效率大约只及压缩机效率的十分之一


呵呵，没概念， 我想做冰糕，怎么样。
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2011/5/6 13:09:13 7楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
原文由 祥子(nemoium) 发表:
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制冷效率大约只及压缩机效率的十分之一


呵呵，没概念， 我想做冰糕，怎么样。

要零度以下恐怕得要2-3层叠起来的那种，就是串联制冷的，因为常规使用时每块两面的温差一般是20-30度（理论上可达60度，但实际达不到的）
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yuduoling
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2011/5/6 15:36:15 8楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
了解一下这个原理了。
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夕阳
anping
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2011/5/6 21:08:46 9楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
好文章，收藏了
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antieve
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2011/5/9 21:07:56 10楼 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复 私聊
不错。以前一起不知道这个P制冷是怎么回事。
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