半导体制冷原理PPT
半导体制冷ppt课件
2021/8/6
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1
概述 原理 特点 系统 应用
2021/8/6
二 为什么选择半导体
普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。例 如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋 (Sb-Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1 % ,根 本没有实用价值。
20世纪50年代~ 20世纪80年代 半导体材料的广泛应用，热电 效应的效率大大提高,热电发 电和热电制冷进入工程实践。 . 20世纪80年代~ 至今
提高半导体的热电制冷的性能 开发热电制冷的应用领域
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概述 原理 特点 系统 应用
2021/8/6
国内
20世纪50~60年代 开始对半导体制冷进行了研究
(220)
2021/8/6
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概述 原理 特点 系统 应用
可见 一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关（ Th 一定时）； 当工作温度和材料性质（α、λ、ρ）一定时，最
大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量 大，细长的电偶制冷量小。
2021/8/6
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概述 原理 特点 系统 应用
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概述 原理 特点 系统 应用
（2）制冷量最大的条件
由 Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
(2-7)
可以看出，工作温度一定时，制冷量的大小与电流有关，对
式（2-7）对电流求偏导数并令其为零。得到
Tc IR0
使制冷量Q0取得极值的电流为
I Q0 opt
Tc
R
(2-
19)
Q0， ma（ x 2TR c） 2-K(Th-Tc)
半导体制冷片的原理
半导体制冷片的原理
半导体制冷片（也称为热电制冷片）是一种基于热电效应的制冷技术，利用半导体材料的特性实现制冷。
其工作原理如下：
1. 热电效应：根据热电效应，当两个不同材料的接触处形成一个热电偶时，当偶温度发生变化时，该热电偶会产生一种电势差，即产生电能。
2. 零点电势差：当两个材料的接触处的温度相等时，该热电偶产生的电势差为零。
因此，如果可以控制一个材料的温度较低，另一个材料的温度较高，即可产生一个零点电势差。
3. P-N 接面：半导体制冷片通常使用 P-N 接面。
P型材料富含
正电荷，N型材料富含负电荷。
当电流通过 P-N 接面时，会
发生选择性散射，将热量从一个材料传递到另一个材料。
4. 热通道和冷通道：半导体制冷片中，通过将 P-N 接面分成
两部分，形成了热通道和冷通道。
热通道与冷通道之间通过热色散效应传递热量。
5. 制冷效果：当电流通过半导体制冷片时，热通道的一侧变热，这导致热电偶的一侧产生电势差。
另一侧负责较低的温度，在这一侧产生一个较低的电势差。
这个电势差会驱动热量从热通道传递到冷通道。
这样，热能就被转换成了电能。
总结：半导体制冷片利用半导体材料的特性，通过热电效应将热量从热通道传递到冷通道，实现制冷效果。
《半导体制冷实验》PPT课件_OK
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附2 中间导体定律
中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体 （第三导体），只要中间导体两端温度相同， 中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响， 这就是中间导体定律。
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实验内容
1、半导体制冷特性测试
改变半导体制冷片两端电压，记录电流的大
小和冷端、热端温度，计算温差大小。
2、计算在不同电压下最大制冷系数
K max
Tc TH Tc
3、用作图法作半导体制冷片的U-I负载特性曲线，
并与半导体PN结的伏安特性曲线进行比较。
4、观察半导体制冷结露现象。
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预习与思考
半导体制冷片是由PN结串联而成的吗？ 半导体热电偶与PN结有什么区别？它们之间
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帕尔贴效应产生热量的多少
Qp aTc I
Qp表示帕尔贴效应产生的热量变化 a为温差电动势率 Tc为结点处的温度 I为流经导体的电流
半导体材料可以通过掺杂提高温差电动势率，
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从而达到i
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半导体制冷片
由多组半导体热电偶组合而成
40×40×4mm 127对热电偶组成 冷热端温差60℃
直流电通过两种不 同导电材料构成的 回路时，结点上将 产生吸热或放热现
象称为帕尔贴效应, 又称热电效应 4
帕尔贴效应的物理解释
电荷载体（载流子）在回路中运动形成电流， 如果电荷载体在不同的导体之间流动，由于其 在不同导体内所处的能级不同，在结点处就会 产生能级的跳变，当从高能级向低能级运动， 便放出多余的能量（放热），反之则吸热。
的伏安特性曲线会相同吗？为什么？ 半导体制冷与温差发电有什么联系？ 半导体制冷有什么优点和缺点？
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仪器实物
实验仪
《半导体制冷》课件
冷端散热器
将半导体组件的冷端热 量散发到环境中，保持
低温状态。
电源和控制模块
提供工作电压和电流， 控制半导体制冷系统的
运行状态。
半导体制冷系统的工作流程
热端散热器将热量散发到环境中，维持热平衡 。
通过电源和控制模块调节电流大小和方向，可以控制 半导体制冷系统的制冷量和温度。
通电后，电流通过半导体组件，产生珀尔贴效 应，即热量从热端通过半导体组件传递到冷端 。
03
半导体制冷系统的设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体制冷系统的设计原则
高效性
确保系统在运行过程中能够高效地转换电能 ，实现快速制冷。
安全性
设计时应充分考虑系统的安全性能，防止过 热、过流等潜在风险。
稳定性
系统应具备稳定的运行状态，保证制冷效果 的一致性和可靠性。
科研领域
用于精密测量和实验设备的制 冷和温度控制，如光刻机、质
谱仪等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
半导体制冷系统的组成和工作流程
半导体制冷系统的组成
热端散热器
用于将半导体产生的热 量散发到环境中，保持
系统正常工作温度。
半导体组件
由许多单体半导体元件 串联或并联组成，实现
半导体制冷系统的挑战和机遇
技术成熟度
目前半导体制冷技术尚未完全成熟，仍存在效率、稳 定性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
成本问题
半导体制冷系统的制造成本较高，限制了其在一些低 端市场的应用。
政策支持
政府可以出台相关政策，鼓励企业加大半导体制冷技 术的研发和应用投入，推动产业发展。
半导体制冷ppt
半导体制冷原理
珀尔帖效应：当直流电通过不同的导电材料 构成的回路时,其接触面上将产生吸热或放热 现象。
半导体制冷原理
其机理主要是电荷载体在不同的材料中处于 不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载 体从高能级的材料向低能级的材料运动时， 便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从 低能级的材料向高能级的材料运动时，需从 外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以 热的形式放出或吸收。
半导体制冷优缺点
缺点
1.半导体制冷器的制冷效率低 2. 电偶对中的电源只能使用直流电源 3.电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上 工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本 比较高
半导体制冷的应用
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： 1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红 外线探测、导行系统。 2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、 血液分析仪等。
半导体制冷Leabharlann 理用P型和N型半导体粒子按照一定的规则排 列，将它们用金属连接片焊接成一个电偶 对，接上直流电源后将电流从N极流向P极 的那端作为冷端，用于制冷，而将P极流 向N极的一端作为热端，用于放热 。
半导体制冷原理
在实际中一级制冷是不能达到制冷要求 1.串联
2.并联 3.串并联混合
半导体制冷优缺点
优点
1.不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。 2.尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环 境。 3.无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可 靠性高。 4.半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场 影响，在航天航空领域中有广泛的应用。 5.作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方 便，可通过调节工作电流大小来调节器制冷能力 。
半导体制冷片工作原理
半导体制冷片工作原理————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：半导体制冷片工作原理致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用,也就是致冷器的发明。
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，也就是欲冷却之。
在以往致冷器是运用在CPU的,是利用冷端面来冷却CPU,而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
致冷器也应用于做成车用冷／热保温箱,冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
半导体致冷器的历史致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于１96０左右才出现,然而其理论基础Pｅltier effect 可追溯到1９世纪。
下图(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。
这现象最早是在1821年,由一位德国科学家ＴhｏmaｓSeebaｃk首先发现,不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1８３4年，一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。
一、因半导体致冷片薄而轻巧,体积很小,不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱,放置车上，不占空间,并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮,在冬天就可以变成保温箱。
图(１）致冷器件的作用原理致冷器的名称相当多，如Pｅlｔier coolｅr、ther ｍoeｌectrｉc、thermoelｅctrｉc coolｅr (简称T.Ｅ或T.E.C)、thermoelｅｃｔrｉc module,另外又称为热帮浦(ｈeaｔｐump)。
半导体制冷片工作原理之欧阳引擎创编
半导体制冷片工作原理欧阳引擎（2021.01.01）致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。
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，也就是欲冷却之。
在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
半导体致冷器的历史致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。
下图(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。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。
一、因半导体致冷片薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。
图(1) 致冷器件的作用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)。
半导体制冷片工作原理
半导体制冷器的原理与使用一、原理概述 半导体制冷器的用途很多 ，可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。
也用于电子器件的散热。
目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成 N 型或 P 型半导体温差元件。
以市面常见的TEC1-12605为例，其 额定电压为：12v， 额定电流为5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4 X 4 X 0.４Cm，重约25克。
它的工作特点是一面制冷而一面发热。
接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P 型半导体，在此吸收热量，到了 N 型半导体，又将热量放出， 每经过一个NP 模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。
下图是一个致冷器的典型结构，由许多 N 型和 P 型半极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，最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。
二、安装使用 制冷片的安装及使用很简单。
在安装前，最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。
正式安装时，在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，在CPU与散热器之间插入制冷片，请注意先试好的冷热面方向，冷面贴着CPU，热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。
然后想法固定好三者。
要注意风扇的卡子不能太短，否则会很难固定。
固定好后，就可以给制冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)，如果你机箱电源功率小于250W，我劝你别接到机箱电源上，否则有可能因电源功率不足，造成电脑无法正常工作。
推荐使用外接电源，在12V电压下制冷片的制冷量和冷热面温差都比较合适。
微机电源接线图三、注意事项１、注意热端的散热。
半导体制冷的热面温度不应超过60℃，否则就有损坏的可能。
若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。
半导体制冷技术培训资料
半导体制冷简介一、半导体致冷原理半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。
具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，因此而得名热电致冷。
总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。
1.赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。
△U -结点1 T结点2 T+△T导体a图一赛贝克效应示意图图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为αab = △U/△T式中△T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用αa和αb表示这两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：αab =|αa－αb|2.珀尔帖效应：当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。
因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。
放热放热图二 半导体致冷示意图N 型元件的载流子是电子，P 型元件的载流子是空穴。
当温差电偶的N 型元件接入直流电正极，P 型元件接入负极时，N 型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P 型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。
当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。
3.汤姆逊效应：当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。
这种效应只涉及一种材料。
图三 汤姆逊效应示意图4.焦耳效应：单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。
Q=R*I 25.富里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。
半导体制冷技术培训资料
半导体制冷简介一、半导体致冷原理半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。
具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，因此而得名热电致冷。
总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。
1.赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。
图一赛贝克效应示意图图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为αab = △U/△T式中△T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用αa和αb表示这两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：αab =|αa－αb|2.珀尔帖效应：当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。
因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。
图二 半导体致冷示意图N 型元件的载流子是电子，P 型元件的载流子是空穴。
当温差电偶的N 型元件接入直流电正极，P 型元件接入负极时，N 型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P 型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。
当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。
3.汤姆逊效应：当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。
这种效应只涉及一种材料。
图三 汤姆逊效应示意图4.焦耳效应：单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。
Q=R×I 2低温端高温端电流吸热低温端高温端电流放热5.富里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。
半导体制冷片工作原理
半导体制冷片工作原理致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。
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，也就是欲冷却之。
在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
半导体致冷器的历史致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。
下图(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。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。
一、因半导体致冷片薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。
图(1) 致冷器件的作用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)。
半导体制冷片--帕尔贴ppt课件
peltier制冷片制冷特点及应用
• • • • • • • • 半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点： 1、 不需要任何致冷剂，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，是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、 寿命长、安装容易。 2、 半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般 不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加 热系统和致冷系统。 3、 半导体致冷器是电流换能型器件，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、 半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好 冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。 5、 半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于 中低温区发电。 6、 半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同 类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因 此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。 7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
peltier制冷片选用原则
• 半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差致 冷器的特点，弱点及应用范围，选用致冷器时首先应确定以下几个问 题： • 1、 确定致冷器的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可 以决定致冷器的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式， 但也不应忽视它的致热和恒温性能。 • 2、 确定致冷时热端实际温度。因为致冷器是温差器件，要达到 最佳的致冷效果，致冷器须安装在一个良好的散热器上，根据散热条 件的好坏，决定致冷时致冷器热端的实际温度，要注意，由于温度梯 度的影响，致冷器热端实际温度总是要比散热器表面温度高，通常少 则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度以 外，被冷却的空间与致冷器冷端之间也存在温度梯度。 • 3、确定致冷器的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还 是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此 来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。 • 4、确定致冷器工作对象及热负载的大小。除了受热端温 度影响 以外，致冷器所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条 件下确定的，实际上工作的，致冷器既不可能真正绝热，也必须有热 负载，否则无意义。
帕尔贴效应半导体制冷
帕尔贴效应半导体制冷
半导体制冷是一种基于帕尔贴效应的制冷技术，通过半导体材料在电场作用下产生温度变化来实现制冷。
帕尔贴效应是指当电流通过两种不同导电能力的材料接触处时，会产生热量的现象，这种热释放或吸收导致该接触处的温度发生变化。
利用这一原理，可以实现制冷效果。
原理
半导体制冷的基本原理是利用半导体材料在电场作用下的帕尔贴效应来实现制冷。
在半导体材料中，当电流通过时，由于载流子在材料中的移动，会产生热量。
然而，由于半导体材料的热导率较低，导致这部分热量不能有效地传导出去，最终导致材料表面温度降低。
结构
半导体制冷器通常由四大部分组成：P型半导体材料、N型半导体材料、电子流、热端散热装置。
P型和N型半导体材料组合在一起形成PN结，施加电压时，电子和空穴在这个结中进行复合释放热量。
热端散热装置用于散发产生的热量，维持制冷器的温度。
应用
半导体制冷技术在许多领域都有应用，例如激光器、光电传感器、光通信器件等。
由于半导体制冷技术具有体积小、制冷速度快、调控方便等优点，被广泛应用于需要精密温控的场合。
同时，由于半导体材料的环境友好性和高效率，半导体制冷技术也被认为是未来制冷领域的发展方向。
总结
帕尔贴效应半导体制冷技术是一种基于电热转换原理的制冷技术，利用半导体材料的特性实现制冷效果。
随着制冷技术的不断发展，半导体制冷技术在高效率、低噪音、小体积等方面具有优势，有望成为未来制冷领域的主流技术之一。
半导体制冷技术
总结
半导体制冷技术已在小功率、小范围制冷制热范围内走近电动汽车领域，而 在代替现在的压缩制冷式空调上至少现阶段在技术方案上和成本上有一段距 离，但可作为现空调设施的某些辅助产品；其代替现在的压缩制冷式空调有 赖于电源技术的进步和自身制冷效率的提高。
➢ 如在车身涂敷技术中能应用上太阳能电池做成太阳能电池车身，利用太阳能电池的能 量供给半导体制冷系统，给夏日停靠的车辆降温，也许会解决所有驾车人的苦恼。
总结：半导体制冷在汽车空调中的应用现阶段由于其电源制造成本和用电成本限制了其应 用，但可以作为现空调系统的辅助。其代替现空调系统的冷暖设备依赖于电源技术和 半导体制冷材料的进步。
半导体制冷技术 在电动汽车上的应用
体制冷又称热电制冷，是利用珀尔贴现象，即温差电致冷效应的一种技术。其本 质是给两种电子能级不同互相接触的物质通直流电，由于载流子从低能级向高能级跃 迁要吸收能量，从而向外界吸热，表现出制冷特性；是一种将电能转化为热能的技术。 在此技术中要产生焦耳热，致使此技术的冷转换效率不高。如下图示为半导体制冷基 本原理：
半导体制冷技术的效率
半导体制冷技术在电动汽车中 的应用
节能，环保的要求以及全球石油资源的紧张使电动汽车上市呼之欲出 ；半导 体制冷技术在电动汽车中 的应用涉及以下三个方面： 车用空调系统 中的制冷制热装置。 电池和大功率驱动器件 等电子零部件的散热。 车载冷热饮水机及车载冰箱等的制冷装置。
半导体制冷在车用空调系统的应用技术分析
➢ 车用空调系统的基本功能是改善驾驶员的工作条件和提高乘员的舒适性。舒适性由人 对下列参数指标的感受和反应决定：温度、湿度、空气流速、含氧量、有害气体含量、 噪声、压力、气味、灰尘、细菌等。
《半导体制冷实验》课件
目录
• 半导体制冷原理介绍 • 半导体制冷器件 • 半导体制冷实验步骤 • 实验结果分析 • 结论与展望
01
半导体制冷原理介绍
Chapter
半导体制冷原理概述
半导体制冷，又称为热电制冷，是一种利用半导体材料 的热电效应实现制冷的技术。
半导体制冷技术不需要制冷剂，而是通过电能与热能的 相互转换实现制冷。
实验环境
实验室内的温度、湿度和清洁度应符合实验要求 ，确保实验结果的准确性和可靠性。
实验操作步骤
步骤一
检查实验器材和材料 是否齐全、完好，确 保实验顺利进行。
步骤二
根据实验要求，选择 合适的半导体材料和 规格，按照正确的连 接方式将各部件连接 起来。
步骤三
打开电源，观察半导 体制冷器的制冷效果 ，记录相关数据。
根据实验数据，分析半导体制冷效果与 电流、电压等因素的关系，以及实验误 差来源。
VS
对比分析
将实验结果与理论预测进行对比，找出差 异原因，提高实验的准确性和可靠性。
结果讨论
结果解释
对实验结果进行解释，分析半导体制冷原理 在实际应用中的表现和限制因素。
改进建议
根据实验结果和数据分析，提出改进半导体 制冷实验的措施和建议，提高实验效果和可 靠性。
半导体制冷器件的工作原理
01
当直流电通过由P型半导体和N型半导体组成的半导体制冷器时，在电场的作用 下，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子分别向冷端和热端移动，从而在 冷端产生制冷效果。
02
随着电流的持续流动，热量从热端不断转移到冷端，从而实现制冷的目的。
半导体制冷器件的种类
平板型半导体制冷器
05
半导体制冷机原理
半导体制冷机原理
1. 背景介绍
半导体制冷机是一种新型的制冷技术，利用半导体材料的热电效应实现制冷。
相较于传统压缩式制冷技术，半导体制冷机具有体积小、效率高、无振动、无噪音等优点，在一些特定领域具有广泛的应用前景。
2. 半导体材料的热电效应
半导体材料的热电效应是半导体制冷机实现制冷的关键。
热电效应是指当半导
体材料两端温差存在时，会产生电压差，即热电势差。
通过适当构造半导体材料的结构，可以使得热电势差引发电荷迁移，从而产生制冷效果。
3. 半导体制冷机的工作原理
半导体制冷机的工作原理可以简述为以下几个步骤：
•制冷端：通过电流驱动半导体材料，在制冷端吸收热量，使得该端温度降低。
•热电效应：在制冷端和另一端之间存在温差时，热电效应产生，产生电压差。
•电荷迁移：电压差引发电荷迁移，继而产生制冷效果。
•散热端：半导体制冷机的另一端为散热端，将吸收的热量传递出去。
4. 半导体制冷机的优势与应用
相较于传统制冷技术，半导体制冷机有诸多优势，如高效、安静、环保、调控
方便等。
因此，在一些特定领域有广泛的应用，例如激光器制冷、生物医学、微电子器件等。
5. 总结
半导体制冷机的工作原理基于半导体材料的热电效应，通过电流驱动实现制冷
效果。
其优势使得其在特定领域有着广泛的应用前景，同时也为制冷技术的发展带来新的可能性。
半导体制冷的原理
半导体制冷的原理
半导体制冷是一种通过半导体材料来实现制冷效果的技术。
它利用半导体材料
的P-N结构和Peltier效应来实现制冷。
P-N结构是半导体材料中N型和P型半导
体材料的结合部分，通过施加电压，可以在P-N结构中引起电流的流动，从而产
生热量。
而Peltier效应则是指在两种不同材料之间通电产生热量和制冷的效应。
半导体制冷的原理是基于Peltier效应，即在两种不同半导体材料之间通电会
引起热量的传递。
当通过半导体材料时，电子会受到电场的力，从而向特定方向移动。
在一个半导体材料中，电荷载体（电子或空穴）会吸收能量，导致其能级升高，从而产生热量。
而在另一个半导体材料中，电荷载体会释放能量，使得其能级降低，从而吸收热量。
通过反复在两种半导体材料之间传递电流，就可以实现半导体制冷的效果。
半导体制冷技术具有快速响应、运行稳定、体积小等优点，被广泛应用于微型
制冷系统、光电子器件、激光器冷却等领域。
随着半导体材料的研究和制备技术的不断提升，半导体制冷技术的性能和应用范围也将不断扩大。
总的来说，半导体制冷技术通过半导体材料的P-N结构和Peltier效应实现制
冷效果，具有运行稳定、体积小等优点，被广泛应用于各种领域。
随着技术的不断发展，半导体制冷技术将继续发挥重要作用。
第六节 半导体制冷
半导体制冷
一、基本概念 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。 具有热电能量转换特性的材料，在通过直流 电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。由 于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性， 它的应用才真正使热电制冷实用化，为此人制冷特点： • 这种制冷新技术与传统的制冷方法不同， 既没有制冷剂，又无复杂的机械设备和管 路系统．只要给热电制冷器—通电，几分 钟后就会结上一层雪白的冰霜，既方便又 迅速。因此，它开辟了制冷技术的一个新 分支，解决了许多特殊场合的制冷难题， 其应用有着十分广阔的前景。
二、半导体制冷的基本原理 1.半导体定义 半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半 导体。 2.塞贝克效应 • 1821年．塞贝克发现：在两种不同金属构成 的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围 就会出现磁场。进一步实验之后，他发现了在回 路中有一电动势存在，这种现象称为塞贝克效应 或温差电效应。这种电动势就称为塞贝克电动势 或温差电动势。 • 利用塞贝克效应可进行热能到电能的转换， 即温差发电。
• 半导体制冷与机械压缩式制冷的比较
半导体制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的 电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用，冷端 及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端 及其热交换器则相当于冷凝器。通电时，自由电子和 空穴在外电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运 动，相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热 电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生电子-空穴 对，这相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热 电堆的热端，发生电子-空穴对的复合，同时通过热交 换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
图6 半导体制冷原理图
在温差电路中引入第三种材料（连接片和导线） 不会改变电路的特性，这样，半导体元件可以各 种不同的连接方式来满足使用要求。
半导体制冷技术原理与应用
半导体制冷技术原理与应用李洪斌 杨 先半导体制冷(Semiconductor refrig eration)又称电子制冷、温差制冷或者热电制冷,是上世纪60年代后迅速发展起来的一项制冷技术。
与普通制冷技术不同,半导体制冷不采用压缩机和制冷剂,不依赖制冷剂的相变传递热量,在直流电流通过具有热电转化效应的导体组成的回路时,利用热量转移特性制冷,是一种科技含量高的全新制冷技术。
半导体制冷系统无压缩机和制冷工质、结构简单、成本低、寿命长、绿色环保,工作过程无振动、无噪音,也不必担心工质泄露破坏大气层,目前已在低温超导技术、低温生物学、低温外科学,低温电子学,通讯技术,红外技术,激光技术,以及空间技术等领域广泛应用。
一、半导体制冷原理及特点热电效应是半导体制冷的最基本依据,其中最著名的是塞贝尔效应和珀尔帖效应。
1821年塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中,当两个连接点温度不同时(T 1<T 2),导体回路就会产生电动势(电流),即塞贝尔效应(图1)。
1834年,法国科学家珀尔帖在此基础上做了一个相反的实验:用两种不同导体组成闭合回路,并通直流电,连接处出现了一端冷、一端热的现象,即珀尔帖效应。
显然其本质就是塞贝尔效应的逆效应(图2)。
图1塞贝尔效应图2 珀尔贴效应普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。
例如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋(Sb -Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1%,根本没有实用价值,因此珀尔帖效应长时间不受重视。
但是随着材料科学的进一步发展,人们发现半导体材料的珀尔帖效应远强于普通金属。
由3块金属板(1、2、3)和一对电偶臂(由一块P 型半导体和一块N 型半导体构成)组成的热电偶,在通以图3所示的电流时,金属板1会从周围吸收热量,而金属板2、3则释放热量。
金属板1作为工作端可达到制冷目的,将电源极性反过来(即通以反方向电流),金属板2、3吸收热量,金属板1释放热量,还把板1作为工作端,就是制热器了。
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冷 它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖
原
效应的原理达到制冷目的。
理 ➢ 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭
与 技
合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就
会在两接触点间产生一个电势差——接触电动 势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差
术 电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路
中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一
制 冷 原 理 与 技 术
NEXT 4
➢ 图2-162示出无回热空气制冷机系统图
制
➢ 图2-163所示是冷箱中制冷温度是环境
冷
介质的温度
原
1-2是等熵压缩过程
理
与
2-3是等压冷却过程
技
3-4是等熵膨胀过程
术
4-1是在冷箱中的等压吸热过程
5
现在进行理论循环的性能计算，单位制 冷量及冷却器的 单位热负荷 分别是：
技
术
( P N)Tc (2-158)
18
当电流通过电偶对时，热电元件内还要 放出焦耳热。焦耳热 与电流的平方成正比， 即：
制
Qj I 2R
(2-159)
冷
原
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的
理 与 技
长s1度, s为2 L，R,则电阻L率(为11 及22)，截(2面-1积60为)
术
s1 s2
w w c w e c p (T 2 T 1 ) c p (T 3 T 4 ) (2-148) 制
冷 原
q0
cp(T1T4)
(2-149)
w cp(T2T1)cp(T3T4)
理
与 若不计比热随温度的变化，并注意到
技 术
T2
T3
(
pc
k1
)k
T1 T4
p0
7
则上式可简化为：
q0
cp(T1T4)
(2-149)
个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象15
制 冷 原 理 与 技 术
NEXT 16
➢ 半导体材料内部结构的特点，决定了它产 生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以
制
热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷
冷 ➢ 图2-165所示，当电偶通以直流电流时，P 原 型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流
制
w cp(T2T1)cp(T3T4)
冷
原
T2
T3
(
pc
k1
)k
理
T1 T4 p0
与
技 术
(pc)1kk1
T1 1 T2 T1
T4 T3 T4
(2-150)
p0
8
因为热源温度是恒值，此时比较标准循环 应当是可逆卡诺循环，其 制冷系数 为：
制 冷
c
T1 T3 T1
原 因此上述理论循环的 热力完善 度为：
yopipr最大。
12
为此对式(2-152)，求导，并令 可得：
d dy
(
pr
)
0
制 冷 原
1 yopi
1(1 x
xx1sc)(xxsc1)
1xxx1sc
(2-154)
理
与
因为与压力比y的关系为：
技 术
y T4a T1
T3 T1
T4a T3
(
x
pc
k1
)k
(2-155)
p0
13
则按式(2-154)可求出最佳压力比：
计算证明，有一半的焦耳热传给热电
元件的冷端，引起制冷效应降低。 19
除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从
电堆热端还要传给冷端一定的 热量 Q k：
制 冷
Qk k(ThTc) (2-161)
原 式中k ——长L 的热电元件 总导热系数
理
与 技
若两电偶臂的导热系数及截面积分别为1, 2
及 s1, s2 则：
原
➢ 压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等 熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热
理
四个过程
与
技
➢ 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相
术
近，其区别在于工质在循环过程中不发生 集态改变
2
图2-162 无回热空气制冷机系统图
Ⅰ-压缩机 Ⅱ-冷却器 Ⅲ-膨胀机 Ⅳ-冷箱
图2-163 无回热空气制冷机 理论循环的p-V图与T-s图
理 子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属
与
片与半导体接头处发生能量的传递及转换。
技 术
➢ 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端 与发热端也随之互换。
17
当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效
应产生的 吸热量 与电流I 成正比
制 冷
Q I
(2-157)
原 理
式中 ——珀尔贴系数
与 它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算
制
q 0h 1h 4cp(T 1T 4) (2-144)
冷
原
q ch 2h 3cp(T 2 T 3) (2-145)
理
与
单位压缩功 和 膨胀功 分别是：
技
w ch 2h 1cp(T 2T 1)(2-146)
术
w eh 3h 4cp(T 3T 4)(2-147)
6
从而可计算出循环消耗的 单位功 及 制热系数：
理 与 技
( T 1 )T (3T 1)T cT 0 (2-151) c T 2T 1 T 1 T 2T 0
术
显然，永远 TcT2 c
9
图2-164 无回热空气制冷机实际循环
➢ 图2-164中 1-2s-3-4s-1 为实际循环，而
制 循环 1-2a-3-4a-1 可认为是只考虑换热端部 冷 温差，这样计算的 实际循环的制冷系数 为：
第三节 其他形式的制冷循环
2.3.1 空气制冷
制
冷
2.3.2 热电制冷
原
2.3.2.1 热电制冷的原理
理
2.3.2.2 热电制冷的特性分析
与 技
2.3.2.3 多级热电堆
术
2.3.3 蒸气喷射式制冷循环
1
2.3.1是以空气
制
作为工质的，并且称为空气制冷机
冷
制 冷 原
(
pc p0
)opi
(
x
k
)k1
yopi
(2-156)
理
与 ➢ 在分析理论循环时，认为提高循环经 技 济性应采用尽可能小的压比。但对于实
术 际循环存在最佳压力比，此时制冷系数
最高。
14
2.3.2 热电制冷
2.3.2.1 热电制冷的原理
➢ 热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或
制 电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，
原 理 与 技 术
pr
1x xy
se
1
ysc
se
ysc11xyxysessce
(2-152)
11
上式中：
制
ycp(T3 T4a) T4a(TT43a 1) T4a (2-153)
冷 原
cp(T2a T1) T1(TT21a 1)
T1
理 称为循环的 特性系数 。而 x T3 /T1
与
技 术
由给上定式的可 情以 况看 下出 ，， 必在 然有Tc一,T个0, 最Tc佳,值T0
术
kL1(1s1 2s2) (2-162)
20
因此，电偶对 的制冷量 应为珀尔贴热量 与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即：
制
Q 0(PN )Ic T 1 2I2R k(T h T c) (2-163)