热电制冷 TEC
A unit of AVC Technology specializing in Thermoelectric Devices
Spencer Shen
Chairman/CEO
THEORY
Thermoelectric Cooler (TEC)
Thermoelectric Cooler (TEC)
☉PELTIER EFFECT
be called after a french watchmaker (1785-1845.), who discovered it in 1834.
How does Peltier effect work?
If you put a drop of water in the hollow on the joint of 2 conductors or semiconductors,
e.g . Sb and Bi, and
switch on the current, the drop would freeze
If the reverse direction of the current is applied, the drop would melt.
Heat Sink Technology --Heat Pipe Press Fit v.s Soldering
A Peltier module consists of semiconductors mounted successively, which
form p-n-and n-p-junctions.
the p-type element, to a higher energy level in the n-type element. At the hot junction,
energy is expelled to a thermal sink as electrons move from a high energy N element to a
lower energy P element.
Thermoelectric Cooler (TEC)
Heat Absorbed
Heat Rejected
Negative (-)
Electrical Conductor (Copper) p-Type Semiconductor
n-Type Semiconductor
Electrical Insulator (Ceramic)
A module contains several P-N couples that are connected electrically in
series and thermally in parallel.
Positive (+)
Dothan Processor
TEC Characteristic
Definitions:
Imax Input current resulting in greatest △T (△Tmax) [Amps]
N Number of thermocouples (p-and n-type pairs)
Qmax Maximum amount of heat that can be absorbed at cold face (occurs at
I=Imax, △T = 0°C) [Watts]
Th Temperature of the TEC hot face during operation [°C]
Tc Temperature of the TEC cold face during operation [°C]
△Tmax Maximum temperature difference a TEC can achieve (occurs at I=Imax,
Qc = 0) [°C]
Vmax Voltage at △T (△Tmax) [Volts]
GRAPH
CP SERIES
For higher current, larger heat pumping applications
The standard for consumer product and industrial cooling
Low-Cost, High-Performance
Temp up to 80o C
HT SERIES
?Unique patented technology works at +225o C
?Superior cycling capacity
?Generate power from waste heat!
PT SERIES
?Porch style ceramic for increased heat dissipation
?Strong porch style lead attachments
Center Hole SERIES
?Features center hole for transmission of light, wires, probes or other hard
?ware through the TEC
?Round or square configurations available
Ultra SERIES
?High heat-pumping capacity within small surface area
?High efficiency
?Strong, porch style lead attachment
?Large hot side ceramic for extra heat dissipation
Multistage Cascade
?Ideal for requirements with large temperature differentials (△T) up to 131℃
?Low Heat Load Applications < 15 Watts
?Needs Vacuum environment to achieve ultra-low temperatures
OptoTEC SERIES
?Miniature Thermoelectrics, Dimensions<15mm, Heat Load<10Watts ?Popular with Telecom and Optical
?Packaging Applications
TE Design Considerations
Devic e or Enclosure
2) What is the application’s heat load?
Acti ve, Passive, Radiant
3) What are the temperature requirements?
Tamb, Tcold
4) Geometric constraints?
Leng th, Width, Height
5) Power Input Constraints/Preferences?
Vol tage, Current
Noise
Automotive Application
Cooling & warming cushion/mattress
IT Product Applications
CPU cooling，VGA cooling
热电制冷
1.0 热电制冷的介绍 1.1 热电制冷器，也被称为珀尔帖制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。 1.1.1为了给新用户提供一个热电制冷器制冷量的大致概念，我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。将这个单级热电制冷器放置在散热器上，使其保持在室温。然后将其连接在一个适当的电池上或者直流电源上，制冷器的冷端温度会降低到大约-40 ℃。此时，制冷器上将达到相对热平衡状态，而且制冷器两端将达到最大的温差(D T max)。如果向冷端不断输入热量，冷端温度会逐渐增加，直到与热端温度相同。这一时刻，制冷器会达到最大制冷量(Q max）。 1.2热电制冷器与传统的机械式制冷器都遵循相同的热力学法则，并且，尽管两者的组成形式有很大不同，但是其工作原理却是相同的。 在机械式制冷单元中，首先使用压缩机增加液体的压力，使制冷剂在体系中循环流动。然后，制冷剂在冷冻区固化，在随后的升华过程中吸收热量使冷冻区温度降低。而在冷冻区被吸收的热量被运输到压缩机，并通过制冷剂压缩这个过程将热量传递给环境。相对的，在热电制冷系统中，掺杂的半导体材料就充当了液态制冷剂的作用，而冷凝器被散热器所取代，压缩机被直流电源所取代。通过在热电制冷器上加载直流电源，使半导体中的电子发生运动。在半导体材料的冷端，热量被电子运动所吸收，这些电子运动到材料的另外一端，即热端。由于材料的热端连接在散热器上，热量也就从材料体内传到散热器上，然后再被输送到环境中。 1.3尽管商业化的热电制冷器在1960年前后才有所发展，但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。第一个与热电理论相关的重要发现是在1821年由德国科学家托马斯·塞贝克发现的。他发现，在一个由两种不同金属导体构成的闭合回路中，当两个接头的温度不同时，回路中会有持续的电流流动。然而，实际上塞贝克没有给出他这个发现的科学解释，并且，他错误的假设热流的流动与电流的流动能够产生相同的效果。在1834年，一个法国制表师兼物理学家简·珀尔帖在研究塞贝克效应的过程中发现，这一现象具有一个相反的现象，也就是当闭合回路中有电流流动的时候，两个接头之一会吸热，而另一个会放热。20年后，威廉姆·汤姆逊（即开尔文勋爵）为塞贝克效应和珀尔帖效应提出了一个系统的解释，并建立了两者的关系。但是此时，对这些现象的研究仍然仅仅局限在实验室中，并没有发现任何实际应用的可能性。 在20世纪30年代，俄罗斯科学家们开始通过研究一些早期的热电效应，试图在一些偏远地区建立热电的发电站。这些俄罗斯科学家对热电材料的兴趣最终扩展到了全世界，并且激发了热电制冷器在实际应用中
热电(温差)制冷
热电制冷 热电制冷也叫温差电制冷、半导体制冷或电子制冷，是以温差电现象为基础的制冷方法。它是利用“塞贝克效应”的逆效应——珀尔帖效应的原理制冷的。 塞贝克效应就是一百多年前人们发现的温差电现象。即在两种不同金属组成的闭合线路中，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动，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电流，就会使一个接点变冷，另一个接点变热。这种现象称为珀尔帖效应。此效应是由法国科学家Jean C．A．Peltier在1834年发 现的，亦称温差电现象。 由于半导体材料内部结构的特点，决定了它产 生的温差电效应比其它金属更显著。所以热电制 冷都采用半导体材料，故亦称为半导体制冷。 由一块P型半导体和一块N型半导体联结成的 电偶，如图1—7所示。当通过直流电流I时，P 型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)，在外电场作用下产生运动。由于载流子(空穴和电子)在半导体内和金属片内具有的势 能不一样，势必在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。因为空穴在P型半导体内具有的势能，高于空穴在金属片内的势能，在外电场作用下，当空穴通过结点a时，就要从金属片I中吸取一部分热量，以提高自身的势能，才能进入P型半导体内。这样，结点a处就冷却下来。当空穴过结点b时,空穴将多余的一部分势能传递给结点b而进入金属片II,因此，结点b处就热起来。同理，电子在N型半导体内的势能大于在金属片中的势能,在外电场作用下，当电子通过结点d时，就要从金属片III中吸取一部分热量,转换成自身的势能,才能进入N型半导体内。这样结点d处就冷却下来。当电子运动到达结点c时,电子将自身多余的一部分势能传给结点c而进入金属片II,因此节点c处就热起来。这就是热电偶制冷与发热的基本原理。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。 一对电偶(由一块P型半导体和一块N型半导体组成)的制冷量是很小的，如此Φ6mm× 7mm的电偶对，其制冷量仅为0.92一1.16W。为了获得较大的冷量,可将很多对电偶串联组成热电堆，称单级热电堆。单级热电堆通常只能得到大约50℃的温差.为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法，组成多级热电堆，上一级热电堆的热端贴在下一级热电堆的冷端，下一级热电堆实际上起着上一级热电堆的散热器作用。图1-a\b为二级热电堆串联和并联型式。图1—8c为串并联三级热电堆结构示意。 半导体制冷是靠空穴和电子在运动中直接传递能量来实现的。它与蒸汽压缩式和吸收式制冷比较有如下特点：
制冷原理知识点总结
制冷原理及设备期末复习 有不全的大家相互补充 题型：填空20分；选择10分；判断10分；简答45分（5道）；计算1道，带计算器。 绪论 实现人工制冷的方法（4大类，简单了解原理） 1.利用物质的相变来吸热制冷； 融化（固体—液体）,气化（液体—气体）,升华（固体—气体） 气化制冷（蒸气制冷）： 包括蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷。 2.利用气体膨胀产生低温 气体等熵膨胀时温度总是降低的，产生冷效应。 3.气体涡流制冷 高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷热两股气流； 4.热电制冷（半导体制冷） 利用半导体的温差电效应实现的制冷。 根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上划分三大类： 普通冷冻：＞120K【我们只考普冷】 深度冷冻：120K~20K 低温和超低温：＜20K。 t= (t, ℃; T, Kelvin 开）T=273+t 常用制冷的方法有：液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：液体气化制冷制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气，气体膨胀制冷将低压蒸气抽出并提高压力变成高压气，涡流管制冷将高压气冷凝成高压液体， 热电制冷高压液体再降低压力回到初始的低压状态。按照实现循环所采用的方式之不同，液体蒸发制冷有 蒸气压缩式制冷蒸气吸收式制冷蒸气喷射式制冷吸附式制冷等 蒸气压缩式制冷 系统组成：
1-压缩机2-冷凝器3-膨胀阀4-蒸发器组成的密闭系统。 工作原理：制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量而蒸发，产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩机压缩后制冷剂压力升高，压缩机排出的高压蒸气在冷凝器中被常温冷却介质冷却，凝结成高压液体。高压液体经膨胀阀节流，变成低压、低温湿蒸气，进入蒸发器，低压液体在蒸发器中再次汽化蒸发。如此周而复始。 蒸气吸收式制冷 系统组成： 发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器、溶液泵、冷剂泵等 工质对：制冷剂与吸收剂常用：氨—水溶液溴化锂—水溶液 工作原理：Ⅰ.溴化锂溶液在发生器中被热源加热沸腾，产生出制冷剂蒸汽在冷凝器被冷凝成冷剂水。冷剂水经U型管节流进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。 Ⅱ.发生器中出来的浓溶液，经热交换器降温、降压后进入吸收器，与吸收器中的稀溶液混合为中间浓度的溶液。中间热度的溶液被吸收器泵输送并喷淋，吸收从蒸发器中产生的冷剂蒸汽，形成稀溶液。稀溶液由发生器泵输送到发生器，重新被热源加热，形成浓溶液。 氨水吸收式制冷循环工作原理： 在发生器中的氨水浓溶液被热源加热至沸腾，产生的蒸气（氨气中含有一小部分水蒸汽）经精馏塔精馏后（得到几乎是纯氨的蒸气），进入冷凝器放出热量后被冷凝成液体，经节流机构节流，进入蒸发器，低压液体制冷剂，吸收被冷却物体的热量而蒸发，达到制冷的目的，产生的低压蒸气进入吸收器。而发生器中发生后的稀溶液，降压后也进入吸收器，吸收由蒸发器来的制冷剂蒸气，浓溶液经溶液泵加压后送入发生器。如此不断循环。
热电制冷
热电制冷
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
热电制冷 热电效应（Peltier–Seebeck效应）是温度差与电压之间的直接转换，反之亦然。当每边有不同的温度时，热电装置产生的电压。反之，当施加给它电压时，它会产生一个温差。在原子尺度，温度梯度导致材料中的载流子从热端向冷端扩散，类似于古典的气体受热膨胀，因此产生电流。 这种效应可以用来发电、测量温度或改变物体的温度。由于加热和冷却的方向是取决于施加电压的极性，因此，热电装置是一种有效的温度控制器。
Seebeck效应：温差—→电压 (b) Peltier效应：电压—→温差 热电效应（Peltier–Seebeck效应） Seebeck效应： 1821年， Seebeck发现，在两种不同金属组成的闭合线路中，如果两接触点的温度不同，其周围使指南针磁铁偏转。Seebeck最初认为这是由于温差所引起的磁性所致。进一步实验后，他很快就发现这是由于温差所引起的电流导致的磁铁偏转，而且符合电流感应定律。更具体地说，温差产生一个电势（电压），它在封闭的回路中产生电流，
这种效应被称为Seebeck效应。 Thomas Johann Seebeck, German（1770-1831） Seebeck效应产生的电压与两种材料之间交界处的温度差成正比。该比例常数被称为Seebeck系数，也通常称为热电势或热电。该Seebeck 电压不依赖于沿两种材料在两个交界处之间的温度分布。这种效应是一个热电偶温度计的测温物理基础。
热电制冷优缺点
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。结构简单，部件少，维修方便 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。 半导体电子制冷的优点为： 1.结构简单，部件少，维修方便 2.无机械传动部件，无磨损，无噪音，寿命长 3.无需制冷剂制冷（压缩式和吸收式都需要），绝对环保 4.效率高，耗电量低（在100W以下，耗电量只有压缩式和吸收式的一半）半导体电子制冷的缺点为： 1.制冷温度与环境温度有关（一般低于环境温度20度），不能制冰 2.冰箱容积不能超过100升（高于100升，其制冷效果下降，耗电量增加） 客房电子冰箱的结构 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。
热电冷却 - 基本知识(半导体制冷片)
Thermoelectric Cooling - The Basics 1 Introduction Although thermoelectric (TE) phenomena were discovered more than 150 years ago, thermoelectric devices (TE coolers) have only been applied commercially during recent decades. For some time, commercial TECs have been developing in parallel with two mainstream directions of technical progress –electronics and photonics, particularly optoelectronics and laser techniques. Lately, a dramatic increase in the application of TE solutions in optoelectronic devices has been observed, such as diode lasers, superluminescent diodes (SLD), various photodetectors, diode pumped solid state lasers (DPSS), charge-coupled devices (CCDs), focal plane arrays (FPA) and others. The progress in applications is provided by advantages of TE coolers – they are solid state, have no moving parts and are miniature, highly reliable and flexible in design to meet particular requirements. 2 What is Thermoelectric Cooling? Thermoelectric cooling uses the Peltier effect to create a heat flux between the junctions of two different types of materials. A Peltier cooler, heater, or thermoelectric heat pump is a solid-state active heat pump which transfers heat from one side of the device to the other side against the temperature gradient (from cold to hot), with consumption of electrical energy. Such an instrument is also called a Peltier device, Peltier heat pump, solid state refrigerator, or thermoelectric cooler (TEC). The Peltier device is a heat pump: when direct current runs through it, heat is moved from one side to the other. Therefore it can be used either for heating or for cooling (refrigeration), although in practice the main application is cooling. It can also be used as a temperature controller that either heats or cools. This technology is far less commonly applied to refrigeration than vapor-compression refrigeration is. The main advantages of a Peltier cooler (compared to a vapor-compression refrigerator) are its lack of moving parts or circulating liquid, and its small size and flexible shape (form factor). Its main disadvantage is that it cannot simultaneously have low cost and high power efficiency. Many researchers and companies are trying to develop Peltier coolers that are both cheap and efficient. A Peltier cooler is the opposite of a thermoelectric generator. In a Peltier cooler, electric power is used to generate a temperature difference between the two sides of
热电制冷优缺点
作为特种，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，没有滑动部件是一种片件，工作时没有震动、、寿命长，安装容易。结构简单，部件少，维修方便 2、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、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。 4、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、的反向使用就是，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。 6、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。 半导体电子制冷的优点为： 1.结构简单，部件少，维修方便 2.无机械传动部件，无磨损，无噪音，寿命长 3.无需制冷剂制冷（压缩式和吸收式都需要），绝对环保 4.效率高，耗电量低（在100W以下，耗电量只有压缩式和吸收式的一半）半导体电子制冷的缺点为： 1.制冷温度与环境温度有关（一般低于环境温度20度），不能制冰2.冰箱容积不能超过100升（高于100升，其制冷效果下降，耗电量增加） 客房电子冰箱的结构 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
热电制冷 TEC
A unit of AVC Technology specializing in Thermoelectric Devices Spencer Shen Chairman/CEO
THEORY Thermoelectric Cooler (TEC) Thermoelectric Cooler (TEC) ☉PELTIER EFFECT be called after a french watchmaker (1785-1845.), who discovered it in 1834. How does Peltier effect work? If you put a drop of water in the hollow on the joint of 2 conductors or semiconductors, e.g . Sb and Bi, and switch on the current, the drop would freeze If the reverse direction of the current is applied, the drop would melt.
Heat Sink Technology --Heat Pipe Press Fit v.s Soldering A Peltier module consists of semiconductors mounted successively, which form p-n-and n-p-junctions. the p-type element, to a higher energy level in the n-type element. At the hot junction, energy is expelled to a thermal sink as electrons move from a high energy N element to a lower energy P element.