半導體制冷技術(shù)及應用

《半導體制冷技術(shù)及應用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、半導體制冷技術(shù)及應用半導體制冷乂稱溫并制冷或熱電制冷，這項技術(shù)口20世紀50年代末發(fā)展起來后，因其具有獨特的優(yōu)點而得到了較廣泛的應用。在發(fā)達國家，它已用于汽車（或手提式）冰箱、門內(nèi)障冷凍摘除器、核潛艇空調(diào)器、紅外制導空對空導彈的紅外探測器探頭冷卻器、照相顯影液恒溫冷卻器、宇航員及坦克乘員的空調(diào)服等方面。我國在20世紀60年代開始對半導休制冷進行了研究，并生產(chǎn)出性能良好的半導體制冷材料。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，許多領(lǐng)域有待于用半導體制冷技術(shù)去進-步開拓。木文介紹半導體制冷技術(shù)的原理、特點及主耍應用。半導體制冷技術(shù)的工作原理和特點1834年，法國科學家帕爾帖發(fā)現(xiàn)，當

2、直流電通過兩種不同導電材料構(gòu)成的回路時，結(jié)點上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象（具體視電流方向而定），這種現(xiàn)彖被稱為帕爾帖效應（見圖1）。半導休制冷是帕爾帖效應在工程技術(shù)上的具體應用?？晒┲评溆玫陌雽w材料有很多,如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTez等。衡量半導體材料制冷效率高低的一個主要參數(shù)為優(yōu)值系數(shù)Z,Z越大，則效率越高。a2/kP,式中a為溫弟電動勢，k為熱導率，P為電阻率。目而研究使用最多的半導體材料是P—Bi2Te3?Sb2Te3、N-Bi2Te3.Bi2Se3準三元合金，它們具冇較好的優(yōu)值系數(shù)。P型半導體材料的優(yōu)值系數(shù)Zp>3.5X10-3k-l,n型

3、半導體材料的優(yōu)值系數(shù)Zn>3X10-3k-E如要使半導體制冷的經(jīng)濟性達到與機械壓縮式制冷相當?shù)乃剑瑒t優(yōu)值系數(shù)須達到13X10—3k—1。當前，世界各國都投入了相當大的人力財力致力于開發(fā)新型制冷材料，但進展緩慢。Fig.l帕爾帖效應Fig.1帕爾帖效應Fig.2半導體制冷模型圖2示出了半導體制冷模型的原理。在電流的作用下，由于帕爾帖效應，熱量由Tc轉(zhuǎn)向Th,使Tc溫度降低，成為冷端，Th溫度升高，成為熱端。借助于散熱器等各種傳熱手段，使熱端的熱量不斷散發(fā)，將冷端置于工作室屮去吸熱降溫,即形成制冷。圖3為一級制冷單元，由一個P型臂和一個n型臂構(gòu)成。圖4為二級并聯(lián)供

4、電制冷單元，第二級產(chǎn)生的熱量，由第一級吸收。這種結(jié)構(gòu)適用于熱負載較小的場合。圖5為二級串聯(lián)供電制冷單元，第一級通過電絕緣的導熱板與第二級冷端相連接。這種結(jié)構(gòu)的第二級制冷量較大。揑片F(xiàn)ig.3一級制冷單元HHg]4二級并聯(lián)供電制冷單元⑤Ap卜申現(xiàn)供電的二■莎隼元圖5為二級串聯(lián)供電制冷單元Fig.3一級制冷單元圖4二級并聯(lián)供電制冷單元圖5為二級串聯(lián)供電制冷單元在實際應用屮，當一級制冷不能達到所需的工作溫度時，可用二級或多級制冷進行工作。半導體制冷技術(shù)具有以下特點：⑴利用特種半導體材料組成PN結(jié)進行制冷（或制熱），體積小、重量輕、壽命長、無噪?yún)?。?）無機械運動、制

5、冷迅速，便于組成各種結(jié)構(gòu)、形狀的制冷器。（3）制冷量可在卅級?kW級變化，制冷溫差可達20?150°C范圍。（4）由于無氣體工質(zhì)，不會污染環(huán)境，是一種真正的綠色制冷器。（5）用于制冷時，其效率較低。但用于制熱時，其效率相當高。因此綜合起來評估時，其效率還是較高的。（6）目前成木較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展及牛產(chǎn)工藝的改進，成本會進一步下降。半導體制冷技術(shù)的應用使用半導體制冷設(shè)備時，既要考慮其最大制冷量，又要考慮其最大制冷效率。半導體制冷設(shè)備在最大制冷量下工作，可獲得最大的降溫，但耗電大；在最大制冷效率下工作，其效率當然最高。一般半導休制冷設(shè)備到底在最大制冷量下工作還是

6、在最大制冷效率下工作，視使用要求而定。例如，家用冰箱應在最大制冷效率下工作；而醫(yī)學冷凍設(shè)備應在最大制冷量下工作。圖6為國外將半導體制冷技術(shù)用于紅外制導的空對空導彈紅外探測器探頭冷卻器。它使用三級半導體制冷器，可得到一78°C的溫度。如使用四級制冷單元，則可得到一95°C的溫度，包含散熱器及風扇在內(nèi)的整個冷卻器的重量只冇0.75kgo元杵S6半導體制冷技術(shù)用于紅外制導的空對空導彈紅外探測器探頭冷卻器fCtCAKADiUi>M[F?El7半導體制冷小冰箱圖6半導體制冷技術(shù)用于紅外制導的空對空導彈紅外探測器探頭冷卻器圖7半導體制冷小冰箱圖7為一種半導體制冷小冰箱（5升

7、）的溫控電路。Rtl、Rt2為熱敏電阻，Rtl置于散熱器內(nèi)，Rt2置于冷藏室內(nèi)。Al、A2構(gòu)成兩個具有冋差特性的電壓比較器。冷藏室溫度高于設(shè)定值吋，A2輸岀低電平，VT1截止，K01常閉觸點保持接通，冰箱制冷；冷藏室溫度到達設(shè)定值后，A2輸出高電平，VT1導通，冰箱停止制冷。A1及Rtl用于檢測散熱器溫度，散熱器溫度在75°C以卜?時，A1輸出低電平，允許A2進行溫控；溫度超過75°C時，Al輸岀高電平，VT1導通，K1吸合，冰箱停止制冷。直至溫度乂冋落至75°C以下，A1才允許冰箱進行制冷。