半导体制冷又称电子制冷,或者温差电制冷,是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,它利用特种半导体材料构成的P-N结,形成热电偶对,产生珀尔帖效应,即通过直流电制冷的一种新型制冷方法,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。- l* Q4 ~- I( N
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1834年,法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上,通电后,他惊奇的发现一个接头变热,另一个接头变冷;这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。"帕尔帖效应"的物理原理为: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,就会释放出多余的热量。反之,就需要从外界吸收热量(即表现为制冷)。8 L" ]" Z9 O% w
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所以,"半导体制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差,即热电势差。纯金属的导电导热性能好,但制冷效率极低(不到1%)。半导体材料具有极高的热电势,可以成功的用来做小型的热电制冷器。但当时由于使用的金属材料的热电性能较差,能量转换的效率很低,热电效应没有得到实质应用。直到本世纪五十年代,苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究,于1945年前发表了研究成果,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,达到相当水平,才得到大规模的应用。80年代以后,半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高,进一步开发热电制冷的应用领域。! t3 Y e- ?* N7 ?5 o3 }
+ V8 M( w2 o2 }: L; } F& q# ^7 c+ _ 二、半导体制冷片制冷原理 原理图" V$ J) F- B+ C0 P( C8 T% p2 }4 b
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半导体制冷片(TE)也叫热电制冷片,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,无制冷剂污染的场合。
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- N" {( z% A1 `% _/ T" C/ e 半导体制冷片的工作运转是用直流电流,它既可制冷又可加热,通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热,这个效果的产生就是通过热电的原理,上图就是一个单片的制冷片,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接组成. 半导体制冷片的工作原理是: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。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆(如右图),以达到增强制冷(制热)的效果。以下三点是热电制冷的温差电效应。
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1、塞贝克效应(SEEBECK EFFECT) k- t- r* x2 B' O8 z5 b* k# z [
! I# d s. [9 G7 H [8 F. g8 U& @ 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; n% h! |- h7 C$ Y" d
2 W! ^6 o" ~+ G% |! G 式中:ES为温差电动势
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S(?)为温差电动势率(塞贝克系数)
5 P1 Q5 w. e' c) ?3 P% I* i/ @ P* v
△T为接点之间的温差/ |" O% u7 t! [6 c3 O
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2、珀尔帖效应(PELTIER EFFECT). p9 p9 D* c) f( q E9 \
5 Q. W6 q: b3 J) @3 A 一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应,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。
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r/ F' U0 k, ^ k Qл=л.I л=aTc0 _9 I, n% j7 ?" [4 g
. p/ y6 J1 \" L# x2 K2 S
式中:Qπ 为放热或吸热功率
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π为比例系数,称为珀尔帖系数9 h/ R' a8 A* l3 X: O
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I为工作电流
$ C6 P3 [1 ~; U0 B( P( q- F' Y/ H) B9 U/ h7 K6 O* F
a为温差电动势率) N& L8 V. W" l* n: _4 T+ N$ _# n. s
: I2 r0 J( E4 f% }8 `2 T$ n
Tc为冷接点温度
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& p" ~: C% \: T4 t 3、汤姆逊效应(THOMSON EFFECT)* p& o( V5 V% f
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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:
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2 A5 U& ?7 z! Z Qτ=τ.I.△T$ p) o% x: K% q! T, d: D
4 L, |, O; E" b: L Qτ为放热或吸热功率5 k; G- }* K |& T- j. O- Q
# g& ? m" I# h! X8 } τ为汤姆逊系数
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I为工作电流( [8 R2 o% D/ L: F: L" y7 j
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△T为温度梯度
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% G' {3 [6 h+ J 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制冷效果,这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。$ K2 a% o; T( \8 u
& e5 n0 G+ }; n/ a6 G! f 三、制冷片的技术应用
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半导体制冷片作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点:* G# u& I m; p7 S4 [' J1 a+ |6 N
' [5 s3 k: m+ F9 m( O 1、不需要任何制冷剂,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片件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。) W4 m4 Y+ R- [5 s) }) z1 m4 {/ i
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2、半导体制冷片具有两种功能,既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
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3 M9 P/ v0 [/ @% B& f 3、半导体制冷片是电流换能型片件,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。: {* B h- G6 J- J: F7 p
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4、半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,制冷片就能达到最大温差。: a* y* x3 L3 z1 j; W' |7 O' O4 {
% Y+ P$ r; N0 ]) u7 a 5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
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' r% c2 |, R1 v 6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。$ F$ Y& l" b: ~* H
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7、半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现。- O1 C+ L/ C5 z9 E8 `& J" Y
: b* D( Q! c: K# `+ Q2 w 通过以上分析,半导体温差电片件应用范围有:制冷、加热、发电,制冷和加热应用比较普遍,有以下几个方面:
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! B$ w3 r6 B/ ]5 s9 j6 X$ r 1、军事方面:导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。( z2 K7 B8 c& j+ A1 K
1 ?7 r9 ?) L2 V 2、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。; |0 F" r; Y% c5 ?, m' W( }
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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、高低温实验仪片。
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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。
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" C$ k, S( N- h" a0 {' k6 \7 Y 5、日常生活方面:空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外,还有其它方面的应用,这里就不一一提了 |