热电致冷芯片

热电致冷芯片历史回顾热电致冷芯片(ThermoelectricCoolingModule)及温差发电芯片(ThermoelectricPowergeneratingModule)的理论基础早在19世纪初即被科学家发现。公元1821年(约180年前)德国科学家ThomasJohannSeebeck(1770-1831)发布塞贝克效应(SeebackEffect)此效应为日后研发温差发电芯片的基础。随后不久(1834)，法国表匠JeanCharlesAthanasePeltier也发布了珀尔帖效应(PeltierEffect)此效应为日后研发致冷芯片的基础。但是当时并无今日发展神速的半导体工业，科学家无法利用以上两个效应来研发创造新的产品。直到1960年(约40年前)，靠着半导体工业的配合，致冷芯片与发电芯片才问世。致冷芯片的名称热电致冷芯片的名称很多。如热电致冷模块(ThermoelectricCoolingModule)，热电致冷芯片(ThermoelectricCoolingChip)，制冷芯片，热电致冷器(ThermoelectricCooler)，珀尔帖致冷器(PeltierCooler)，珀尔帖单体(PeltierCell)，也有人称它为热泵(HeatPump)。在中国大陆，最普遍的名称为半导体致冷器。笔者浅见，若改称固态式致冷器(solidstatecooler)会更加贴切。致冷芯片的优点热电致冷芯片与传统冷冻压缩机互相比较，有优点，但也有缺点。它的体积小，无噪音，不使用冷煤，因此无环保公害。寿命长。可倒立或侧立使用，无方向的限制。特别适用于航空器或太空舱。造价较高，但日后几乎不需维护。右图是一片特殊设计的致冷芯片，它有四条电线。其实它是两组致冷器共筑在同一面陶瓷板上。使用者决定串联使用或是并联使用。如此可以增加致冷芯片的灵活度。让它适用在更多场合。致冷芯片的缺点它最大的缺点是能源转换效率低。一般约在40%至50%之间。而传统式冷冻压缩机的效率，一般约在95%之上。因此致冷芯片无法用在大型空调或大型冰箱的场合。但愿科学家的研究能有所突破。提高效率。届时冷冻工业将有一番新的面目出现。致冷芯片的用途致冷芯片有如以上的优缺点。它的用途，依随它的特性，存在日常生活的各种角落中。在日常生活用品，航天工业，医学生物化验，军事民生工业等，处处可见。最常见的用途如计算机CPU的冷却(MicroprocessorCooler)，除湿箱，雷射发光头的冷却(LaserDiodeCooler)，车用行动冷藏箱(PortablePicnicCooler)，冰水机(WaterCooler)，冷热敷疗器(TherapyWaterPad)，小型冰箱(MiniRefrigerator)，血液分析仪(BloodAnalyzer)等等。右图是汽车用易开罐饮料冰冷器。使用的电源来自于汽车点烟头。把易开罐饮料置于其中，保证让你清凉一夏。全台湾各地汽车精品店都可买得到。也可以用来发电珀尔帖效应(PeltierEffect)与塞贝克效应(SeebackEffect)是从不同的角度来解释同一种物理现象。珀尔帖效应解释电流可以产生温差。塞贝克效应解释温差可以产生电流。所以有致冷芯片，当然也有发电芯片。发电芯片的英文名称也多样化。常用的简称有T.E,G.(ThermoelectricGenerator)或是T.G.M.(ThermoelectricGeneratingModule)。其它常见的名称有TEPowerGeneratingModule,TEmoduleforElectricGeneration,及PowerModuleforConvertingHeatSourceToElectricity。右图是与发电芯片有关的商品。它是一具瓦斯灯。顶部有发电芯片装置，底部是收音机。利用瓦斯灯顶部的热能来发电，产生的电力供应给底部的收音机。各位读者，动动你的脑筋，发挥你的创意。说不定千万财富就再弹指之中。1.致冷芯片被用来致冷的作用，它可以用来当加热用吗?当然可以。你只要把电源的极性反转就可以达到加热的目的。实际上致冷芯片是一个非常优良的加热器。它的能源转换效率甚至超过100%。因为热面所排放的热量，是电源所提供的能量外，再加上从冷面所抽取的热能。因此它的效率绝对比电阻式加热器要好的很。但是它的造价高，如果只单纯用来当加热器，那就不划算了。2.致冷芯片可以泡在水里吗?它可以放在水中清洗。但是使用之前一定要把它吹干。3.一定要使用散热器吗?致冷芯片的热面一定要装有散热器。不拘散热器的型式。如果热面不装散热器，通电之后，热面温度上升很快。当它的温度超过焊锡的溶点时，致冷芯片就损坏了。制作致冷芯片所使用焊锡溶点很低。至于冷面温度很低的话，是不会造成损害的。4.省掉致冷芯片，仅使用散热器与风散，不也是可以达到冷却的功能?不用致冷芯片，不管你如何加大散热器与风扇，温度只能降到与室温一样。如配合适当的致冷芯片，温度便可降到室温之下。5.如果两片致冷芯片叠在一起使用，是否会有更强的冷冻力?理论上是如此。实际上却是行不通。因为第一片热面所排出的热量，无法被第二片冷面完全吸收。热量又倒流回到冷面，致冷效果反而降低。所以在多层级致冷芯片的结构，是成金字塔排列。即第一片很小，第二片较大，第三片更大。6.致冷芯片最冷可以到几度?许多因素都会影响冷度，例如室温高低，冷面负载，电流大小，散热器优劣等等。理论上来说，如果把热面温度设法维持在27℃，冷面与热面的温差，最高可达到最大温差值(DTmax)。请参考型号/规范/价目表。一般市面上产品的最大温差值为62℃。本公司提供的产品，最大温差值为65℃。最大温差值的预设条件是冷面负载为零的条件。在实际的应用中，冷面负载是不可能为零。在一般的应用中，冷热面的温差值约为最大温差值的一半。7.如果需要非常冷的温度，可有其它好办法?可以采用多层级致冷芯片。也可使用传统式冷冻压缩机，先把致冷芯片热面温度降低，那么冷面温度自然跟着降低。8.致冷芯片最热可到几度?这完全取决于芯片内焊锡的溶点。一般制造致冷芯片所采用的是低溶点焊锡。如果致冷芯片的温度超过焊锡溶点，芯片内部结构就会损坏。本公司提供的致冷芯片分为三级，普通级(－150℃~＋125℃)，高温级(－150℃~＋150℃)，特高温级(－150℃~＋200℃)。9.致冷芯片最大的尺寸有多大?因为冷缩热涨的物理现象，如果尺寸太大，热面膨胀，冷面收缩，晶粒容易破烈。目前最大的尺寸约在50mm平方，4mm厚。如果需要很大的致冷量，刻意去制造尺寸很大的芯片，那是不切实际，也不经济。如果在应用中，多加几组芯片，也可同样达到增加致冷量的目的。10.致冷芯片最小的尺寸有多小?芯片尺寸太小，无法采用机械自动化生产作业。势必在显微镜下用人工装配，因此成本高，价格昂贵。本公司提供的产品，最小的尺寸为5mm平方，2.4mm厚。11.如何分辩致冷芯片的冷面与热面?有的芯片，两面看起来一模一样。真教人难以分辩这是冷面还是热面。现在教你分辩冷面与热面的方法。当直流电源依红黑引线的极性施加到致冷芯片，电源引线着附的这一面会发热，称为热面。另外一面会致冷，称为冷面。如此冷面热面分辩的方法，是帮助你在组装过程中，不会搞错方向。在设计上最好是冷面当致冷用，热面当散热来使用。想想看，如果热面当致冷用，着附在热面的电线会造成冷气的流失。如果电线是发烫的话，冷气的流失更快。特别是微小型芯片，更是承受不了如此的损失。12.规范表上所列最大电流值(Imax)，其意为何?一般人都会认为电流超过最大电流值，芯片就会烧坏。其实不然，它所代表的意义是出乎一般人意料之外。读者请参考“天南地北”篇中的题项「致冷力Ｑ与电流Ｉ的关系」。13.如何量测最大电流值(Imax)?首先要有一个万能散热器，它可随时保持热面温度在27°C。也要一个完美无缺的集冷器，它不让冷面的冷气有任何的流失。此时慢慢升高致冷芯片的电压，电流也跟者增加，致冷芯片的温差也随着上升。当温差从上升转为下降的那一点，此时的电流就是最大电流(Imax)。此时的电压就是最大电压(Vmax)。此时的温差就是最大温差(ΔTmax)。以上所述的量测条件，是理想理论条件。要进行如此量测，非常困难。芯片制造厂所提供的数值，是根据一般常态所测的数字，再用计算机推算出来的数值。14.规范表上所列最大电压值(Vmax)，其意为何?如何量测?请参考第12题及第13题。15.规范表上所列最大温差(DeltaTmax)，其意为何?如何量测?请参考第12题及第13题。16.规范表上所列最大致冷力(Qmax)，其意为何?如何量测?首先要有一个万能散热器，它可随时保持热面温度在27°C。也要一个万能的集冷器，它可以把冷面的冷气迅速移走，以保持冷热面温差(ΔT)为零。慢慢升高致冷芯片的电流到最大电流(Imax)，此时致冷芯片就在最大致冷力(Qmax)的状态。以上所述的量测条件，是理想理论条件。要进行如此量测，非常困难。芯片制造厂所提供的数值，是根据一般常态所测的数字，再用计算机推算出来的数值。17.甚么叫能源转换效率(COP:coefficientofperformance)?它是两个数值的比。分子是芯片从冷面抽走的热能(瓦特)。分母是电源供应器输入到芯片的电能(瓦特)。COP一般数值约从0.5至1.0。COP数值越高，好处越多。18.COP数值高，有何好处？先从COP=0.5说起。假设需要100W的致冷力，电源供应器消耗的电力是200W。散热器排放的热量是100W+200W=300W。再看COP=1.0如何。假设需要100W的致冷力，电源供应器消耗的电力是100W。散热器排放的热量是100W+100W=200W。很显然的，COP数值高时，散热器可以变小，电源供应器也可以变小，经年累月下来，电费还可以省下一半。19.如何提高COP数值？请先看下面用计算机计算出来的图表。各位不难了解，降低DT/DTmax与I/Imax两个数值，有助于提高COP数值。如果DT与I是已经设定的目标，无法降低。那么可从致冷芯片的DTmax与Imax下手。尽量选用高值的DTmax与Imax致冷芯片。在此向各位推荐，苏俄KRYOTHERM制造的芯片FROST-74，它的DTmax是74度C。是目前致冷芯片科技界中最傲人的数值。苏俄KRYOTHERM制造的芯片DRIFT-0.8，它的Imax是11.3安培。在相同尺寸等级中(40mmX40mm)，也是傲人的数值。20.在电气上，致冷芯片可以串联，并联或是串并联合并使用?可以。设计者要确认每片芯片都有适当的电压与电流分布。21.串联比较好?还是并联比较好?致冷芯片的致冷能力，不会因串联或并联而有所改变。并联使用时，如果其中一片芯片坏了，剩余的芯片可继续运作。串联使用时，如果其中一片芯片坏了，所有的芯片便停止运作。并联使用时，电压低，电流大。控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS，耗损大，价格高。串联使用时，电压高，电流小。控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS，耗损小，价格便宜。22.如果需要特殊尺寸的芯片，可否量身订作?是的。但是量身订作需要很多新的制具。因此价格不会便宜。最上策是选用有现成产品的型号。量身订作是在不得以情况下的选择。23.致冷芯片是否为纯电阻组件?可以说是纯电阻组件。它的杂散电容很小。它的电感值几可忽略。如果使用一般直流电源来推动致冷芯片，是不会有问题。如果使用脉宽调制直流电源(PulseWidthModulatedDCPowerSupply)来推动致冷芯片，也不会有问题。但是致冷芯片的电源引线要加上适当隔离，以免干扰其它电路。24.甚么叫脉宽调制直流电源(PulseWidthModulatedDCPowerSupply)?直流电源经过脉波电路之后，变成一个固定频率的方形脉波。比如说2000周。此方形脉波的dutycycle可以调制。使用者可以操控dutycycle的长短，达到操控致冷芯片的致冷力。这是目前最常采用的方式。25.一定要采用隐压非常良好，波纹(Ripple)系数很小的