半导体制冷器原理及使用.pdf

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1、一、介绍半导体致冷器(TE)也叫热电致冷器,是一种热泵,它的优点是没有滑动部件,应用在一些空间受到限制,可靠性要求高,无致冷剂污染的场合。半导体致冷器的工作运转是用直流电流,它既可致冷又可加热,通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热,这个效果的产生就是通过热电的原理,以下的图就是一个单片的致冷器,它由两片陶瓷片组成,其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋),这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成。半导体致冷器的工作原理是:当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生

2、能量的转移,电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量,成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量,成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定,以下三点是热电致冷的温差电效应。1、塞贝克效应(SEEBECKEFFECT)一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时,如两个连接点保持不同的温差,则在导体中产生一个温差电动势:ES=S.△T式中:ES为温差电动势S(ã)为温差电动势率(塞贝克系数)△T为接点之间的温差2、珀尔帖效应(PELTIEREFFECT)一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效

3、应的效应,即当电流流经两个不同导体形成的接点时,接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热大小由电流的大小来决定。Qл=л.Iл=aTc式中:Qπ为放热或吸热功率π为比例系数,称为珀尔帖系数I为工作电流a为温差电动势率Tc为冷接点温度3、汤姆逊效应(THOMSONEFFECT)当电流流经存在温度梯度的导体时,除了由导体电阻产生的焦耳热之外,导体还要放出或吸收热量,在温差为△T的导体两点之间,其放热量或吸热量为:Qτ=τ.I.△TQτ为放热或吸热功率τ为汤姆逊系数I为工作电流△T为温度梯度以上的理论直到本世纪五十年代,苏联科学院半导体研究所

4、约飞院士对半导体进行了大量研究,于一九五四年发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果,这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后,有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数,才达到相当水平,得到大规模的应用,也就是我们现在的半导体致冷器件。中国在半导体致冷技术开始于50年代末60年代初,当时在国际上也是比较早的研究单位之一,60年代中期,半导体材料的性能达到了国际水平,60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间,一方面半

5、导体致冷材料的优值系数提高,另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力,获得了半导体致冷器,因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用。二、致冷器的技术应用半导体致冷器作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点:1、不需要任何致冷剂,可连续工作,没有污染源没有旋转部件,不会产生回转效应,没有滑动部件是一种固体器件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。2、半导体致冷器具有两种功能,既能致冷,又能加热,致冷效率一般不高,但致热效率很高,永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和

6、致冷系统。3、半导体致冷器是电流换能型器件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。4、半导体致冷器热惯性非常小,致冷致热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,致冷器就能达到最大温差。5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电,半导体致冷器一般适用于中低温区发电。6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话,功率就可以做的很大,因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、半

7、导体致冷器的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现。通过以上分析,半导体温差电器件应用范围有:致冷、加热、发电,致冷和加热应用比较普遍,有以下几个方面:1、军事方面:导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2、医疗方面:冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪等。3、实验室装置方面:冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪器。4、专用装置方面:石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。5、日常生活方面:空调、冷热两用箱、冷藏箱、饮水机、电子冷热牛奶箱、车载冷热两用箱等。此外,

8、还有其它方面的应用,这里就不一一提了。三、致冷器的性能在应用致冷器前,要进一步的了解它的性能,实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外,还有两个,一个是焦耳热Qj;另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热,焦耳热

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