半導體製冷基礎知識

暖通南社 發佈 2022-07-07T00:41:42.227283+00:00

半導體製冷片參數解釋:Imax:致冷組件達到最大溫差時的工作電流(安培);Vmax:致冷組件達到最大溫差時的工作電壓(伏特);Th=30℃,指組件的熱面溫度控制在30℃;ΔTmax:致冷組件產冷量Qc=0(W)時,熱面溫度Th=30℃時達到的最大溫差;Qcmax:致冷組件溫差ΔT

半導體製冷片參數解釋:

Imax:致冷組件達到最大溫差時的工作電流(安培);

Vmax:致冷組件達到最大溫差時的工作電壓(伏特);

Th=30℃,指組件的熱面溫度控制在30℃;

ΔTmax:致冷組件產冷量Qc=0(W)時,熱面溫度Th=30℃時達到的最大溫差;

Qcmax:致冷組件溫差ΔT=0℃時,熱面溫度Th=30℃時的最大致冷功率(瓦);

ACRes:致冷組件的交流內阻;

L×B×H:長×寬×高(厚度)。

半導體製冷應用:

1、太陽能熱電空調

大型熱電空調:

大型熱電製冷空調一般是指製冷量在1kW以上的裝置,主要應用於潛艇、艦艇和列車上,據相關文獻報導目前最大製冷量超過30 kW。潛艇、艦艇的熱電製冷空調主要是單元組合式,各單元可獨立運行,熱端與海水或淡水進行熱交換,冷端與艙室內的空氣進行充分的換熱,平穩運行時製冷COP可達1.1~2.1。上海交通大學研製的BK-1.5型熱電空調器,由熱電堆、循環水泵、海水冷卻器、通風機、翅片和控制箱等組成,已成功用在潛水器上。熱電製冷空調也成功應用於列車上。美國某列車熱電製冷空調系統的製冷功率17kW,COP約為0.7,同時也能夠用於制熱。另有人開發了一套利用太陽能熱電技術的汽車內空氣調節系統,該系統冷端散熱器直接冷卻送風氣流,而熱端採用水循環散熱:在38℃的環境溫度下,製冷功率4.01 kW,COP為0.42;如果天氣晴朗,車頂的太陽能電池可使空調COP提高2%。

小型熱電空調:

小型熱電空調的製冷量一般在1kW以內,主要採用陶瓷絕熱製冷模塊和散熱器結合的模式。調研有一種通過熱虹吸管進行強化散熱的新型熱電製冷貨車駕駛室空調裝置,該裝置採用熱電材料優值係數為2.0×10-3K-1的商業單級熱電製冷模塊,利用汽車行駛時的壓差引導氣流,採用大流量、小溫差、前上位送風,COP值為0.51~0.79。另有新型系統將太陽能薄膜電池與建築採光相結合,作為熱電空調的輔助能量設備,能夠同時實現冬夏兩季的採暖和製冷,其製冷係數夏季能夠達到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於以半導體製冷塊作為核心,利用半導體製冷塊的熱端制熱作熱水器,冷端製冷作空調降溫的構想來實施的。半導體製冷塊夏天使用時,其製冷效率可達 1.5,而冬天使用時其致熱效率可達 1.8。為了達到比較好的效果,共使用 10 片半導體製冷塊。

半導體製冷塊通電後一面制熱,一面製冷,把半導體製冷塊用於製冷,關鍵是做好產熱端的散熱,才能保證冷端溫度儘可能低。製冷塊在額定工作條件下,冷熱的兩面最大溫差>60℃。熱端在理想散熱條件下溫度假設為 30℃,則冷端在空載的情況下可達-30℃。為了不向室外排熱,採用水冷裝置用於半導體製冷塊熱端的散熱。如下圖示為半導體熱水器原理圖:


機櫃內的熱水箱是循環水箱,水箱之間以軟管相連用於水循環,小水箱設進水管引進自來水,因此小水箱上共有三個水閥,分別用於控制水的循環及冷水的補充。冷媒箱到冷凝器、冷凝器到冷泵、冷泵到冷媒箱的連接構成了冷媒的循環,同樣採用簡單的軟管連接。

每塊半導體製冷塊安裝前均要檢測是否能夠製冷,需注意熱端沒有接散熱片的情況下不能通電。半導體製冷塊按 1、3、5、7、9 和 2、4、6、8、10 的規律分成兩組,每組各由1台12V/30A開關電源供電。先給開關電源接1隻白熾燈作假負載,將輸出電壓調到10V,然後才能串接30A直流電流表和製冷塊。分組給製冷塊通電,每組電流應該在15A左右(每塊製冷塊在10V電壓下電流約為 3A)。

3、基於半導體製冷的消暑防護頭盔

考慮到半導體製冷所擁有的微型化、小型化的特點,在個體防護設備如衣著鞋帽中應用半導體製冷技術是可行的。此為一種實用新型專利,其設計頭盔結構如下圖示:

設計包括帽殼體、製冷器、太陽能電池板、電源裝置,其中製冷器設置在殼體上,製冷器由半導體製冷片、散熱片、導冷塊、風扇組成。製冷片的熱端連接散熱片,散熱片外設散熱風扇;冷段連接導冷塊,導冷塊外設冷氣風扇,與帽體內壁冷氣導管連接相通,以輸送冷氣。

帽殼體頂部外壁設有太陽能電池板,接有熱傳感器,而太陽能電池板、熱傳感器、製冷器都與外接電源裝置相連。基於此設計,目標在於提供頭盔內部涼爽低溫及防護。

如下圖示為頭盔俯視圖,包括風扇及導冷塊的布置示意:


4、其他應用

基於半導體製冷技術的特點,其在日常生活、醫療保健、軍事、工農業都有著廣泛應用:

1)日常生活領域:自製電子元件冷卻裝置,如使用在電腦CPU上的半導體製冷片:

2)醫療領域:應用於活體細胞切片的冷凍切片機,刀片的可控低溫由半導體技術來實現;

3)實驗設備—恆溫金屬浴:用來恆溫儲存樣品、酶類、核酸和蛋白質的設備,應用半導體製冷技術來維持可控恆溫;

4)軍事領域:半導體製冷片被廣泛的應用於冷卻紅外探頭、雷射發射器等軍事設備用品。

來源:網際網路。

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