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  • 半導體制冷技術
  • 發布時間: 2017-11-28 點擊次數:1156 
  • 半導體制冷又稱電子制冷,或者溫差電制冷,是從50年代發展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科,它利用特種半導體材料構成的P-N結,形成熱電偶對,產生珀爾帖效應,即通過直流電制冷的一種新型制冷方法,與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。
      1834年,法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲,再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上,通電后,他驚奇的發現一個接頭變熱,另一個接頭變冷;這個現象后來就被稱為“帕爾帖效應”!芭翣柼钡奈锢碓頌椋弘姾奢d體在導體中運動形成電流,由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,就會釋放出多余的熱量。反之,就需要從外界吸收熱量(即表現為制冷)。
      所以,“半導體制冷”的效果就主要取決于電荷載體運動的兩種材料的能級差,即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好,但制冷效率極低(不到1%)。半導體材料具有極高的熱電勢,可以成功的用來做小型的熱電制冷器。但當時由于使用的金屬材料的熱電性能較差,能量轉換的效率很低,熱電效應沒有得到實質應用。直到本世紀五十年代,蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究,于1945年前發表了研究成果,表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果。這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應用后,有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優值系數,達到相當水平,才得到大規模的應用。80年代以后,半導體的熱電制冷的性能得到大幅度的提高,進一步開發熱電制冷的應用領域。
      二、半導體制冷片制冷原理
      半導體制冷片(TE)也叫熱電制冷片,是一種熱泵,它的優點是沒有滑動部件,應用在一些空間受到限制,可靠性要求高,無制冷劑污染的場合。
      半導體制冷片的工作運轉是用直流電流,它既可制冷又可加熱,通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實現制冷或加熱,這個效果的產生就是通過熱電的原理,上圖就是一個單片的制冷片,它由兩片陶瓷片組成,其中間有N型和P型的半導體材料(碲化鉍),這個半導體元件在電路上是用串聯形式連接組成。半導體制冷片的工作原理是:當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時,在這個電路中接通直流電流后,就能產生能量的轉移,電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量,成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量,成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定。
      制冷片內部是由上百對電偶聯成的熱電堆(如右圖),以達到增強制冷(制熱)的效果。以下三點是熱電制冷的溫差電效應。1、塞貝克效應(SEEBECKEFFECT)一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時,如兩個連接點保持不同的溫差,則在導體中產生一個溫差電動勢:ES=S.△T式中:ES為溫差電動勢S(?)為溫差電動勢率(塞貝克系數)△T為接點之間的溫差2、珀爾帖效應(PELTIEREFFECT)
      一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應,即當電流流經兩個不同導體形成的接點時,接點處會產生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。Qл=л。Iл=aTc式中:Qπ為放熱或吸熱功率π為比例系數,稱為珀爾帖系數I為工作電流a為溫差電動勢率Tc為冷接點溫度3、湯姆遜效應(THOMSONEFFECT)當電流流經存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻產生的焦耳熱之外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差為△T的導體兩點之間,其放熱量或吸熱量為:Qτ=τ。I.△TQτ為放熱或吸熱功率τ為湯姆遜系數I為工作電流△T為溫度梯度以上的理論直到本世紀五十年代,蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究,于一九五四年發表了研究成果,表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差制冷中半導體材料的一種主要成份。
      三、制冷片的技術應用半導體制冷片作為特種冷源,在技術應用上具有以下的優點和特點:
      1、不需要任何制冷劑,可連續工作,沒有污染源沒有旋轉部件,不會產生回轉效應,沒有滑動部件是一種固體片件,工作時沒有震動、噪音、壽命長,安裝容易。2、半導體制冷片具有兩種功能,既能制冷,又能加熱,制冷效率一般不高,但制熱效率很高,永遠大于1.因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。3、半導體制冷片是電流換能型片件,通過輸入電流的控制,可實現高精度的溫度控制,再加上溫度檢測和控制手段,很容易實現遙控、程控、計算機控制,便于組成自動控制系統。4、半導體制冷片熱慣性非常小,制冷制熱時間很快,在熱端散熱良好冷端空載的情況下,通電不到一分鐘,制冷片就能達到最大溫差。5、半導體制冷片的反向使用就是溫差發電,半導體制冷片一般適用于中低溫區發電。6、半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小,但組合成電堆,用同類型的電堆串、并聯的方法組合成制冷系統的話,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。7、半導體制冷片的溫差范圍,從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。
      通過以上分析,半導體溫差電片件應用范圍有:制冷、加熱、發電,制冷和加熱應用比較普遍,有以下幾個方面:1、軍事方面:導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統。2、醫療方面;冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。3、實驗室裝置方面:冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。4、專用裝置方面:石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恒溫顯影槽、電腦等。5、日常生活方面:空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外,還有其它方面的應用,這里就不一一提了。
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