Peltier_帕尔帖_电流引线的原理及进展

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1、PrincipleanddevelopmentofPeltiercurrentlead———————————————————————————————————————Peltier(帕尔帖)电流引线的原理及进展摘要：对帕尔帖效应及帕尔帖电流引线的原理和结构进行了介绍；分析了与常规电流引线相比，帕尔帖电流引线的优势；说明了帕尔帖引线优化设计的目标，并给出了直流和交流条件下帕尔帖电流引线的特性和实现最小漏热的优化设计；介绍了一种新型的帕尔帖电流引线的研究和实验进展；提出了下一步研究方向的目标和展望。关键词：帕尔帖；电流引线；优化设计；最小漏热PrincipleandDevelopmen

2、tofPeltierCurrentLeadAbstract:TheprincipleofPeltiereffectisintroduced;theoryandschematicofthePeltiercurrentlead(PCL)isanalyzed.AdvantagesofPCLarepresentedcomparedwithconventionalcurrentlead(CCL).Inordertorealizeoptimizationofconduction-cooledPCL,characteristicsofPCLsystemforACandDCmodeareanal

3、yzed.LatestresearchandexperimentprogressofanewtypeofPCLisproposed.Keywords:Peltiercurrentlead,PCL,optimization,heatleak1引言在超导低温系统中,电流引线是超导材料与室温器件形成通路的必要结构,同时也是系统总漏热的主要途径之一。特别是在直接冷却的超导低温系统中,电流引线漏热是决定设计[1]方案的重要参数。在减少电流引线的漏热方面有几次技术进步：首先是上世纪70年代提出的被称为气体[2]冷却电流引线的方法。对于液氦浸泡的超导体,如果蒸发的气体与金属电流引线可以实现良好

4、的换热,则漏热可以从43mW/A减小到0.93mW/A。但是这种方法是针对于低温液体浸泡的冷却方案提出的。80年代开始,二元引线逐渐受到关注,其低温部分采用了高温超导体(HTS),在超导态下没有热产,且热导率比铜低三个量级,大大减少了制冷系统的负荷。结合迅速发展的G-M制冷机技术,采用直接冷却方案的低温超导系统开始显出优势。上个世纪末Yamaguchi等人又提出在电流引线的室温处增加Peltier段,并称之为PCL(Peltier[3]CurrentLeads),被视作又一次技术进步。热电模块的半导体材料热导率很小,约为铜的0.4%,加载电流时还具有制冷作用,使得铜段的温度跨度减

5、小,从而减小了漏热。2帕尔帖电流引线的原理1834年法国科学家帕尔帖发现了热电致冷和致热现象，即温差电效应。由n、p型材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为帕尔帖效应。2.1帕尔帖效应对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。当热电模块充当电流回路的一部分时，它会将热量从一个接触面“泵”向另一个接触面[4]。对n型

6、热电偶来说，热量泵的方向与电流方向平行；对p型热电偶来说，热量泵的方向与电流方向反向（图1(a)）。通常情况下，n型和p型热电偶成对使用用于制冷，如图1(b)所示。Yamaguchi提出，在低温超导领域，热电偶可以用来将低温容器里的热量抽出，如图1(c)所示。1PrincipleanddevelopmentofPeltiercurrentlead———————————————————————————————————————图1帕尔帖效应及帕尔帖电流引线示意图2.2帕尔帖热计算[4]用T1和T2分别表示热电偶冷端和热端的温度，冷端吸收的热量可表示为:12QTIIRK()T

7、T（1）1212其中I表示通过热电偶的电流，表示Seebeck系数，R表示电阻，K表示导热系数。定义形状参数ILA/，其中L表示热电偶的长度，A表示热电偶的截面积，(1)式可以改写为：QI//T2(TT)/（2）121其中表示电阻率，表示导热系数。图2帕尔帖热计算2.3帕尔帖电流引线结构[5]图3显示了二元引线基础上的Peltier引线(PCL)的构成和工作条件下轴向温度分布。引线由三部分组成，温度由低至高分别为HTS段、铜段和热电段(下称TE段)。其