半導體制冷基礎知識

半導體制冷片參數說明:

Imax:制冷組件達到最大溫差時的工作電流(安培)；

Vmax:制冷組件達到最大溫差時的工作電壓(伏特)；

Th=30℃，即部件的熱表面溫度控制在30℃；

Tmax:制冷部件制冷量QC為0 (W)，熱表面溫度TH為30℃時達到的最大溫差；

Qcmax:溫差δ t = 0℃，熱表面溫度Th=30℃時的最大近似冷卻功率(瓦特)；

ACRes:制冷元件的交流內阻；

L×B×H:長×寬×高(厚度)。

半導體制冷應用:

1.太陽能熱電空調

大型熱電空調:

大型熱電制冷空調一般是指制冷量在1kW以上的裝置，主要用于潛艇、船舶、火車上。根據相關文獻，目前最大制冷量超過30 kW。潛艇和艦船的熱電制冷空調主要是機組組合，各機組可以獨立運行。熱端與海水或淡水換熱，冷端與艙內空氣換熱。平穩運行時制冷系數可達1.1 ~ 2.1。上海交通大學研制的BK-1.5熱電空調由熱電堆、循環水泵、海水冷卻器、風扇、翅片和控制箱等組成。它已被用于潛水器。熱電制冷空調也成功應用于火車上。美國一列火車的熱電制冷空調系統，制冷功率17kW，COP約為0.7，也可用于制熱。還有人利用太陽能熱電技術開發了一套汽車空調系統。系統冷端散熱器直接冷卻送風氣流，熱端散熱器利用水循環散熱:環境溫度38℃時，制冷功率4.01 kW，COP 0.42；如果天氣晴朗，屋頂的太陽能電池可以使空調的COP提高2%。

小型熱電空調:

小型熱電空調的制冷量一般在1kW以內，主要采用陶瓷絕熱制冷模塊和散熱器的組合方式。研究了一種利用熱虹吸管強化散熱的新型熱電制冷卡車駕駛室空調裝置。該裝置采用熱電材料優值系數為2.0×10-3K-1的商用單級熱電制冷模塊，利用車輛行駛時的壓差轉向流量，采用大流量、小溫差、前上送風，COP值為0.51 ~ 0.79。此外，新系統將太陽能薄膜電池與建筑照明相結合，作為熱電空調的輔助能源設備，可同時實現冬夏兩季制熱制冷，夏季制冷系數可達0.846。其結構如圖4所示:

2.半導體熱水器

半導體空調熱水器是基于以半導體制冷塊為核心，利用半導體制冷塊的熱端加熱熱水器，利用半導體制冷塊的冷端冷卻空調的思想。半導體制冷塊夏季使用時，制冷效率可達1.5，冬季使用時，熱效率可達1.8。為了達到更好的效果，使用了10個半導體制冷塊。

半導體制冷塊通電后，加熱和冷卻同時進行。使用半導體制冷塊制冷的關鍵是做好產熱端的散熱工作，保證冷端溫度盡可能低。在額定工況下，制冷塊冷、熱側的最大溫差> 60℃。假設理想散熱條件下熱端溫度為30℃，空載條件下冷端可達-30℃。為了不將熱量排到室外，半導體制冷塊的熱端采用水冷裝置散熱。下圖是半導體熱水器的原理圖:

柜內熱水箱為循環水箱，通過軟管連接進行水循環，小水箱設有進水管引入自來水。所以小水箱上有三個水閥，分別用來控制水循環和補充冷水。制冷劑罐與冷凝器、冷凝器與冷泵、冷泵與制冷劑罐的連接構成制冷劑的循環，也采用簡單的軟管連接。

安裝前要測試每個半導體制冷塊是否能制冷，要注意熱端沒有散熱片不能通電。半導體制冷塊按照1、3、5、7、9和2、4、6、8、10的規則分為兩組，每組由12V/30A開關電源供電。在開關電源上接一個白熾燈的假負載，調節輸出電壓到10V，然后串聯30A直流電流表和制冷塊。給制冷塊分組通電，每組電流應為15A左右(10V時每個制冷塊的電流為3A左右)。

3.基于半導體制冷的防暑降溫防護頭盔

考慮到半導體制冷小型化、微型化的特點，將半導體制冷技術應用于服裝鞋帽等個人防護裝備是可行的。本實用新型為專利，其設計的頭盔結構如下:

該設計包括罩殼、冰箱、太陽能電池板和供電裝置，冰箱安裝在罩殼上，由半導體制冷片、散熱片、冷卻導塊和風扇組成。制冷片的熱端連接有散熱片，散熱片外設置有冷卻風扇；冷段與冷導塊連接，冷導塊上設有冷氣扇，冷氣扇與帽體內壁上的冷氣導管連接，輸送冷氣。

帽子頂部外壁設有太陽能電池板，太陽能電池板與熱傳感器連接，太陽能電池板、熱傳感器和冰箱均與外接電源裝置連接。基于這種設計，目標是在頭盔內部提供涼爽和低溫以及保護。

以下是頭盔的俯視圖，包括風扇和冷卻塊的布局:

4.其他應用

基于半導體制冷技術的特點，它廣泛應用于日常生活、醫療、軍事、工業和農業:

1)日常生活:自制電子元器件冷卻裝置，如計算機CPU中使用的半導體制冷片；

2)醫學領域:用于活體細胞切片的冷凍切片機，刀片的可控低溫通過半導體技術實現；

3)實驗設備——恒溫金屬浴:用于恒溫保存樣品、酶、核酸和蛋白質的設備，應用半導體制冷技術保持可控恒溫；

4)軍事領域:半導體制冷片廣泛用于冷卻紅外探頭、激光發射器等軍事裝備。