半导体制冷技术

  • 时间:2020-07-09 04:11
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  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。

  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)。

  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。

  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。

  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型半导体材料连结成电偶对时,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。

  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

  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。

  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:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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:

  1、军事方面:导弹、雷达、潜艇等方面的红外线、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、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、高低温实验仪片。

  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、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。

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