半导体制冷器件在饮水机中的应用

半导体制冷器件在饮水机中的应用

李志辉

佛山市顺德区美的饮水机制造有限公司?广东佛山?528311

摘要：随着半导体技术不断发展，半导体制冷技术应用越来越广泛，在饮水机、便携式汽车冷暖箱等小功率温控系统使用半导体技术，操控简便且安全可靠。本文主要是对半导体制冷器件在饮水机中的应用进行研究，通过详细分析半导体器件工作原理、半导体制冷器件使用注意事项以及半导体制冷器件在饮水机中的工作情况，从而探究半导体制冷器件在饮水机中应用和工作机制。

关键词：半导体制冷技术；半导体制冷器件；饮水机；应用

半导体材料发展促进了半导体制冷技术的发展，由于半导体制冷技术灵活性、便携性以及可靠性，在各行各业被广泛应用，当前采用半导体制冷技术的产品种类多样，名目繁多，而且还有新型产品不断产生，如冷冻台、石油分析凝点测试仪、医用低温床垫等产品都采用半导体制冷技术进行制冷，而且一些小功率电器也采用半导体制冷技术进行制冷，如汽车用小型空调、便携式冷暖箱、家用饮水机等，半导体制冷技术已成为当前制冷技术研究热点问题。下文将就半导体制冷器件工作原理及其在饮水机中的应用进行详细探讨。

一、半导体制冷器件工作原理

半导体制冷器件又被称作温差电制冷器件，是以珀尔帖效应为理论基础的一种制冷技术。

1、珀尔帖效应

珀尔帖效应指的是当电流通过半导体偶时，电偶的一个接头对热量进行吸收，而另外一端则将热量放出，如果给电偶放热那端提供充分的散热条件，使其保持一定温度，那么电偶吸热那端则会从周围介质中不断吸收热量，以实现制冷目的。

2、半导体制冷器件工作原理

半导体制冷器件则是依据珀尔帖效应进行制冷。半导体制冷器件基本结构是热电偶又叫做温差电偶时，半导体材料就是依据半导体温差特性制成的一种固体电子器件。

2.1基础热电偶

结合珀尔帖效应，半导体制冷器件的基础热电偶结构是这样的：热电偶的一个电偶臂是由P型半导体材料构成的，另一个电偶臂则是由N型半导体材料构成的，两个电偶臂之间通过金属电桥相连接。基础热电偶如图1所示[1]。

图1基本热电偶结构

注：1和2为金属电桥，即结点；3和4为电偶臂；5为直流电源

2.2热电偶工作原理

热电偶工作原理也就是半导体制冷器件的工作原理。给热电偶两段施加直流电压，载流子受到外场作用最终会沿着一定的方向在回路中运动。一般来讲，同N型半导体相比，电子能量要低于N型半导体中的能量。当电子能量进入N型臂从金属中时，会对能量进行吸收，由此可以看到节点的吸热效应；当一个节点电子与空穴相遇时，进行复合，释放能量，使得导热效应达到节点；P型臂中电子则离开空穴到达另一个节点，当电子离开空穴时会吸收能力，又形成空穴，从而使得吸热效应处于节点。一电子和空穴到达时就会在节点将热量释放，离开时则会将热量吸收。结合基本热电偶结构图（图1）金属电桥1变冷表明在制冷，金属电桥2变热时则表明在制热。

3、半导体制冷片

半导体制冷器件材料多采用半导体材料，因而也被称作电子制冷。半导体制冷核心就是半导体制冷组件，也叫做制冷片。制冷片外表面应具备一定的绝缘性和导热性，因而制冷片外表面常采用的材料是氧化铝陶瓷，常规制冷片面积在2*3mm-62*62mm之间，有单级和多级之分，制冷功率在0.2—125W之间。制冷片内部包含多对P型和N型半导体元件，并且这些元件相互串联。当热面的热量释放出去时，冷面就会将周围热量吸收。多级制冷片组件大多采用塔式结构，这样能使形成的温差更大，但是制冷功率也就相对较小了。

半导体制冷片具有这些特点和优势：①无需制冷剂，因而不会造成环境污染，可以连续性工作，同时没有旋转部件因而回转效应不会产生，工作时无噪音；②半导体制冷片是一种电流环能型的片件，通过控制输入的电流就能对温度进行精确把控；③半导体制冷片具有制冷和加热两种功能，制热效率比较高，一个片件就可将风力的加热和制冷系统替代；④半导体制冷片制冷制热时间比较快，一般情况下，如果冷端空载且热端散热状况良好，通电一分钟左右就能达到最大温差；⑤通常来讲，半导体制冷器件单个制冷元件功率不高，如果将制冷元件组合成电堆并将同类型电堆采用串并联并组成制冷系统，就能将功率很大程度提高，甚至达到上万瓦。

4、半导体制冷器件使用注意事项

半导体制冷器件使用注意事项有这几点：①直流电源的波纹系数不大于10%，使用环境温度在-150℃-70℃之间；②当制冷器处于冷热交变工作状态，两种方式转换时间间隔最少保持30秒；③半导体制冷器件使用时不得超过额定工作电流；④半导体制冷器件热面需要架设散热装置，有强迫冷风、自然风冷以及水冷三种散热方式，应确保散热器与制冷器件热面保持良好接触，冷面则需要与冷却物接触良好；⑤取制冷器件时尽量拿取器件本身，避免拉引线；⑥在固定制冷器件时，确保加压适宜，搬运和安装时应轻拿轻放，以免造成制冷器件内部电阻发生变化[2]。

二、半导体制冷器件在饮水机中的应用

采用半导体制冷技术具有诸多优势，如没有噪音、不适用制冷剂不会造成环境污染、重量轻、体积小等优点，对于有限空间的制冷非常有效。因此，半导体制冷技术在小型家电产品中应用广泛。冷热型饮水机制冷技术多采用半导体制冷技术，饮水机是比较常见使用半导体制冷器件的产品了。具体应用是这样的：①半导体制冷饮水机参数：普通的饮水机中只使用一只单级制冷片就足够了，通常尺寸在40*40mm左右，工作电压参数为12v，工作电流大约为5A；②半导体制冷饮水机工作机理：饮水机的冷水储存罐接触到半导体制冷片的冷面，此时伸入到饮水机储水罐中的圆筒状冷杯或者铝制螺旋状冷棒将水的热量吸收，半导体制冷片的热面那端则与一个散热器相连接，散热器通常采用轴流风扇强制性将热量散发出来；③饮水机制冷器件工作电压：开关电源或者变压器整流、滤波给制冷器件工作提供电压；④饮水机半导体制冷器件温度控制：饮水机开机较短时间储水罐中水温就能降低到10℃以内，饮水机都会对温度进行有效管控，一般水温在5-15℃范围内，半导体制冷器件中包含热敏电阻可以对水温进行检测，如果水温超过15℃，则热敏电阻会发生变化，则制冷器工作状态发生变化，制冷功率增大，强冷指示绿灯亮，散热风扇转速增快，反之制冷功率降低，绿灯灭，散热风扇转动变缓慢[3]。

结束语

综上所述，随着半导体材料和技术的发展，半导体制冷技术应用也越来越被广泛，由于半导体制冷器件灵活和便携的特点，在小功率电器中应用较多，对半导体制冷器件进行研究很有现实意义。本文对半导体制冷器件工作原理和半导体在饮水机中应用进行了详细分析：对半导体制冷器件依据理论，半导体制冷器件基本结构，半导体制冷器件核心制冷片参数、特点和优势，以及半导体制冷器件使用注意事项进行详细分析，在此基础上对半导体制冷饮水机相关参数、工作机理、工作电压以及温度控制进行探讨，由此可见，半导体制冷器件是饮水机的重要组成部分，为饮水机性能实现提供有力保障。

参考文献

[1]池桂君.半导体制冷技术原理与应用[J].四川水泥,2016(6):313-313.

[2]范玉斐,张鸣,郑学林.半导体制冷技术以及发展前景[J].山东工业技术,2016(23):287-288.

[3]谢剑周.冰箱型饮水机制冷系统设计要点[J].科技经济导刊,2018,v.26；No.649(23):42-43.