半导体制冷片的工作原理

简单而言制冷片能够制冷是半导体p-n结在电场的作用下所产生的。在给半导内体p-n结施加一定的电压的情况容下，电子从p区要穿过n区就需要耗能从而产生热量；如果热量被空气或者其它物体散发，因平衡的需要会进行补充，这就产生吸热现象即制冷了。因此半导体制冷片在使用时必须要保证热端的散热效果，否则不但不能制冷而且会造成制冷片的损坏。

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。

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。

7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

半导体制冷原理

半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。

半导体制冷器特点

半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠， *** 作简便，易于进行冷量调节。但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，故它主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却。

有的也用于家用冰箱，但不经济。半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

半导体空调原理：

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab

帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即：

Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I

因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb

金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

磁制冷冰箱原理：

磁冰箱是根据磁热效应的原理制成的。稀土元素钆（Gd）是一种具有巨磁热效应的金属，在等温磁化时向外界放出热量，在绝热去磁时温度降低，因而可从外界吸取热量，达到制冷目的。为了完成制冷循环过程，可先在高温环境中对工质施加外磁场，并等温地实现伴随着熵减少而进行的放热过程；然后在低温下撤去外磁场，让工质进行等温吸热，最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可完成制冷 *** 作。用不同种类的过程连接上述两个过程可以得到不同的磁制冷循环，如磁卡诺循环、磁斯特林循环、磁埃里克森循环以及磁布雷顿循环等。

  磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程连接两个等温过程（见图1）。在这个循环中，外部对制冷工质所做的功相当于四边形ABCD的面积。下面以最简单的磁卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明（见图2）。

等温磁化过程（图1中的AB过程）：热开关Ⅰ闭合、Ⅱ断开，磁场施加于磁工质，使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。   绝热去磁过程（图1中的BC过程）：热开关Ⅰ断开、Ⅱ仍断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在去磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。   等温去磁过程（图1中的CD过程）：Ⅱ闭合、Ⅰ仍断开，磁场继续减弱，磁工质从低温热源吸热。   绝热磁化过程（图1中的DA过程）：Ⅱ断开、Ⅰ仍断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。

  由于室温附近磁性离子系统的热运动大大加强，磁性工质的磁有序度难以形成，在受外磁场作用前后的磁熵变大大减小，同时强磁场的产生也受到许多条件的限制，磁热效应也大减弱。为了进一步提高室温磁制冷机的效率，通常主要应用磁埃里克森循环制冷机，图3是金属钆在200～300K条件下的T-S图。若按磁卡诺循环制冷（图中1'23'4'1'），则温降很小。埃里克森循环（图中12341）由四个过程组成，1→2为等温磁化、2→3为等磁场过程（温度降低）、3→4为等温去磁（吸热制冷）、4→1为等磁场过程（温度上升）。

磁冰箱的核心是一个旋转装置，该装置包括含有金属钆片的转轮和一块高磁场强度稀土永磁铁。工作时，钆轮通过永磁铁缺口进入磁场后出现巨大的磁热效应，由此导致钆轮升温，系统内第一条循环管道的水将钆轮温度升高获得的热量带走，以使钆轮冷却；当钆轮离开磁场后，钆轮温度就会下降到低于它进入磁场前的温度，此时系统内第二条循环管道的水通过钆轮并被钆轮冷却，被冷却的水成为制冷源，可用于制冷；若用凝固点远低于纯水的液体（如水和乙醇的1：1混合液）作为制冷源，就可制成有冷冻功能的实用型冰箱。

这一科研成果彻底改变了传统的冰箱制冷系统，工作时只需驱动钆轮转动的发动机、抽水机的电力，从而节约了能源。该系统工作时无声、几乎无振动。如果用近年来新发现的GdSiGe系磁致冷材料（在室温附近，Gd5Si2Ge2的磁热效应是金属钆的两倍）或新近研究出的铁锰磷砷合金材料替代金属钆片，其制冷效率将更高。

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