半导体制冷片原理及其技术运用
半导体制冷片原理及其技术运用
半导体制冷片（TE）是一种热泵，具有无滑动部件、可靠性高、无制冷剂污染等特点。它的工作原理基于热电效应，通过直流电流实现制冷或加热。本文将详细介绍半导体制冷片的工作原理、技术应用及其散热方式。
工作原理
半导体制冷片的工作原理基于热电效应，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移。电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。
热电制冷的三种效应
塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）
1822年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
$$ES=S.△T$$
式中：ES为温差电动势；S(?)为温差电动势率(塞贝克系数)；△T为接点之间的温差。珀尔帖效应(PELTIER EFFECT)
1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应相反的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定：
$$Qл=л.I$$
$$л=aTc$$
式中：Qπ 为放热或吸热功率；π为比例系数，称为珀尔帖系数；I为工作电流；a为温差电动势率；Tc为冷接点温度。汤姆逊效应 (THOMSON EFFECT)
当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
$$Qτ=τ.I.△T$$
式中：Qτ为放热或吸热功率；τ为汤姆逊系数；I为工作电流；△T为温度梯度。
这些理论直到20世纪50年代才得到突破性进展。苏联科学院半导体研究所的约飞院士对半导体进行了大量研究，于1954年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成分。
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优点和特点：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 半导体制冷片的温差范围，从正温到负温度都可以实现。
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：
- 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
- 医疗方面：冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。
- 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。
- 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。
- 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。
散热方式
半导体制冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体制冷片件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体制冷片的几种散热方式：
- 自然散热。采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。
- 充液散热。用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。
- 强迫风冷散热。工作气氛为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。
- 真空潜热散热。最常用的就是“热管”散热片，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。