4.1.半導體致冷器件的選型

制冷器件是一種熱量搬運的電子器件，可以在器件兩端維持一個溫差，當熱面溫度Th達到50℃時這個溫差可超過75℃（單級器件），當熱面的熱量被不斷地移除時，熱量就從冷面持續(xù)地被抽運出來。抽運的速率跟器件的功率有關，一般地功率越大這個速率越大，為了良好地平衡制冷效果與成本，首先需要恰當?shù)剡x擇制冷器件規(guī)格。

● 認識制冷器件主要的規(guī)格參數(shù)：

1.外形尺寸：通常規(guī)格的器件為方形，也有長方形和圓形，多級器件的寶塔形等。單層器件厚度約3—5mm，雙層或多層近乎3mm的倍數(shù)。

2.最大產冷量：保持器件熱面溫度27℃（或50℃）時可從冷面抽運熱量的最大值。實際使用時的制冷量通常遠小于該數(shù)值。最大產冷量一般用來比較不同規(guī)格器件的制冷能力。

3.最大溫差電壓：器件維持兩端溫差大小的能力與加在器件上的直流電壓成正比，達到最大溫差時的電壓稱為最大溫差電壓，施加的電壓超過該電壓后溫差將會減小。測定最大產冷量時使用最大溫差電壓，器件使用時的電壓應該小于該電壓，最常選用的范圍是最大電壓的70%--80%，當需要的溫差較小時可以使用更小的電壓。此時所能獲得的最大溫差、最大產冷量也相應較小。該參數(shù)表明了器件工作時適用的電壓范圍。

4.最大溫差電流：是確定器件功率的重要指標，有時用電阻值替代表示，是冷熱面溫度27℃時（溫差為0）在最大溫差電壓下的電流值，器件工作時的電流一般小于該值，實際工作電流還會隨著溫差增加、熱面溫度升高而減小。該數(shù)值可以比較直觀地代表制冷器件的功率大小，此外表示了器件工作時的電流范圍。

● 選型方法

1.為了選擇制冷器件規(guī)格要先確定需要的制冷量，即需要移除的熱量，如果不能確切的測量或計算也可以通過溫升等外部狀況推算和估計，將估算值標記為Qc，如果冷面溫度與環(huán)境溫度的差小于30℃，屬于常規(guī)制冷應用，直接用1.5*Qc與制冷器件規(guī)格表中27℃的最大制冷量比較，找到數(shù)值相近的規(guī)格（±5W），再參照希望采用的電流、電壓即可選擇一款合適的制冷器件。

2.對于制冷溫差30℃--60℃的非常規(guī)制冷應用，需要選用2.5*Qc甚至更高制冷量的規(guī)格，因為器件的特性是隨著溫差增加抽運熱的能力呈線性下降。

3.選擇制冷器件時還應充分地考慮到散熱條件的制約，散熱條件直接影響器件熱面的溫度，器件工作時需要不斷地從熱面移除抽運出來的熱量，和器件工作時消耗功率而產生的熱量，總的散熱量其數(shù)值等于Qc+V*I,V*I是輸入到器件的功率，如果散熱不充分熱量就會倒流回冷端，使冷端溫度升高，所以在散熱條件受制約時選擇功率較小的器件制冷效果反而有可能改善。

4.作為選擇時的一種方案是以較多數(shù)量的小功率器件代替較少數(shù)量的大功率器件，獲得相同的制冷量，目的在于增加熱源面積降低散熱功率密度。少數(shù)大功率器件常常需要水冷散熱，比如12715器件在12V下工作，當電流為9A時根據(jù)Th=50℃的特性圖Qc≈10W，散熱量Qh=12*9+10=118W,所以散熱負荷很大，風冷散熱時對散熱器要求很高。解決的方案可以使用2片12708替代或采用水冷散熱。

5.以上作為一種近似的簡易的選型方案使對制冷器件應用缺乏實際經驗的設計者能夠快速地切近主題，在此基礎上獲得設計的大概輪廓，然后通過實際模擬和測試確定最終的制冷器規(guī)格和周邊設計。對于更為精確的計算和設計請隨時聯(lián)系我們的技術人員，我們會為您提供更為豐富的實踐經驗幫助您盡可能地完善設計。

4.2半導體致冷器在實際使用時的基本結構模型

4.2.1冷藏箱類典型結構

4.2.2恒溫操作臺類典型結構

4.3散熱器的選擇

我們可以將熱電制冷器看作為一個介質為熱的泵，熱量從一面被運送到另一面。制冷器的工作過程不是普通的吸熱過程或者將熱量消耗掉的過程。通電之后，熱電制冷器的一面會變冷而另一面變熱。被制冷一面的熱量將被傳遞到另一面—熱端，傳遞的過程完全符合熱力學過程。熱電制冷器的熱端必須要連接在一個合適的散熱器上，以便釋放掉從冷端傳遞過來的熱量和器件運行過程中產生的焦耳熱。

由于熱電制冷器的制冷量是隨著溫差的增加而減小的，所以在設計時一定要盡量減小散熱器的溫度增加量。對于一般的應用，散熱器的溫度高于室溫5-15 ℃是比較常見的。

市場上，有很多種散熱器可供選擇，其中包括自然對流式、強制對流式、和液體冷卻式三種。自然對流式散熱器可以在功率非常低的應用條件下使用，特別是當小型熱電制冷器的工作電流在2 A以下時。而對于大部分應用條件來說，自然對流式散熱器并不能滿足將所需熱量全部排出的要求，這時就需要使用強制對流式散熱器或者液體冷卻式散熱器了。

散熱器的性能一般使用熱阻來衡量，熱阻越小性能越好。

根據(jù)不同的應用條件，熱電制冷器需要有不同種類的散熱器與之相匹配，并且，還會有不同的機械約束條件，使整個設計過程非常復雜。由于每種應用條件都不相同，很難推薦一種單一的散熱器結構可以滿足大多數(shù)條件。

熱電制冷器上使用的散熱器表面平整度50mm內不大于0.02mm，所以有必要對擠壓散熱器進行額外的拋光、飛刀切割、或者打磨，以求滿足這種平整度的要求。

●自然對流式散熱器：

自然對流式散熱器一般只能用在小功率條件下。大部分自然對流式散熱器的熱阻值要大于0.5 ℃/W，而且，多數(shù)情況下會達到10 ℃/W。自然對流式散熱器的安裝位置要滿足兩個條件：a.散熱片的長度方向要沿著空氣流動的方向，垂直方向的操作可以增強自然對流；b.不可以有明顯的物理阻擋妨礙空氣流動。另外，我們還需要考慮到散熱器周圍其他的器件產生熱量，環(huán)境溫度會提高，從而對整體的使用性能產生影響。

● 強制對流式散熱器：

強制對流式散熱方法是熱電制冷器中最常見的散熱方法。合格的強制對流散熱系統(tǒng)的熱阻一般維持在0.02~0.5 ℃/W的范圍內。許多標準散熱器擠型與合適的風扇配合就可以作為完整冷卻系統(tǒng)的基礎。應用中，既可以通過風扇或鼓風機獲得冷卻的空氣，又可以使空氣從散熱器的長度方向通過，或者通過將空氣朝向散熱器的中心吹入，使其在開口的兩端流出而獲得冷卻。

● 液體冷卻式散熱器：

與前兩種散熱器相比，相同體積的液體冷卻式散熱器可以提供最好的性能，通過優(yōu)化設計，可以得到非常低的熱阻值。典型的液體冷卻式散熱器的熱阻通?？梢缘偷?.01~0.1 ℃/w。簡單的液體冷卻散熱器可以通過將銅質渦輪焊接在銅板上得到，或者在金屬塊體上鉆孔使水從中通過。如果想得到更復雜的結構，也就是更高的性能，可以在銅塊或者鋁塊上加工出精細的盤旋式水槽，然后用蓋板封閉整個體系。

4.4電源及控制方式的選擇

熱電制冷器件在工作時可以直接采用直流電源供電，無論是電池或開關電源、還是簡單的整流直流電源均可使用。熱電制冷器是低阻抗的半導體器件，相當于在電源上加載一個電阻。由于碲化鉍材料的本征性質，制冷器的平均溫度每升高1 ℃電阻增加大約為0.5%。經優(yōu)化后的傳統(tǒng)的電池充電器只要其交流紋波系數(shù)不會超載，就可以為熱電制冷器提供足夠的電量。如果為了達到簡單的溫度控制目的，可以使用標準恒溫器或者可變輸出的直流電源來調整熱電器件的輸入電壓。在熱載荷比較穩(wěn)定的應用條件下，使用手動調控的直流電源就可以保證在幾個小時溫度或更長時間范圍內，溫度的上下波動不超過±1 ℃。如果需要精確控制溫度，一般需要使用閉路（反饋）系統(tǒng)，通PID或PWM等自動控制輸入電流的大小或者脈寬。此時，溫度控制的精度保持可以在±0.1 ℃，或更高的精度內。

與其他典型的電子器件相比，對熱電器件來說是否安裝電源紋波系數(shù)的濾鏡并不是非常重要。然而我們仍然建議將紋波系數(shù)的波動范圍控制在10 %以內，而且最好保持在< 5%的范圍內。