半导体制冷技术及应用,半导体制冷技术原理

('半导体制冷技术及应用半导体制冷又称温差制冷或热电制冷，这项技术自20世纪50年代末发展起来后，因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用。在发达国家，它已用于汽车(或手提式)冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调器、红外制导空对空导弹的红外探测器探头冷却器、照相显影液恒温冷却器、宇航员及坦克乘员的空调服等方面。我国在20世纪60年代开始对半导体制冷进行了研究，并生产出性能良好的半导体制冷材料。随着我国经济的高速发展，许多领域有待于用半导体制冷技术去进一步开拓。本文介绍半导体制冷技术的原理、特点及主要应用。半导体制冷技术的工作原理和特点1834年，法国科学家帕尔帖发现，当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象(具体视电流方向而定)，这种现象被称为帕尔帖效应(见图1)。半导体制冷是帕尔帖效应在工程技术上的具体应用。可供制冷用的半导体材料有很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTez等。衡量半导体材料制冷效率高低的一个主要参数为优值系数Z，Z越大，则效率越高。Z=α2/kρ，式中α为温差电动势，k为热导率，ρ为电阻率。目前研究使用最多的半导体材料是P－Bi2Te3.Sb2Te3、N－Bi2Te3.Bi2Se3准三元合金，它们具有较好的优值系数。P型半导体材料的优值系数Zp>3.5×10－3k－1，n型半导体材料的优值系数Zn>3×10－3k－1。如要使半导体制冷的经济性达到与机械压缩式制冷相当的水平，则优值系数须达到13×10－3k－1。当前，世界各国都投入了相当大的人力财力致力于开发新型制冷材料，但进展缓慢。Fig.1帕尔帖效应Fig.2半导体制冷模型图2示出了半导体制冷模型的原理。在电流的作用下，由于帕尔帖效应，热量由Tc转向Th，使Tc温度降低，成为冷端，Th温度升高，成为热端。借助于散热器等各种传热手段，使热端的热量不断散发，将冷端置于工作室中去吸热降温，即形成制冷。图3为一级制冷单元，由一个P型臂和一个n型臂构成。图4为二级并联供电制冷单元，第二级产生的热量，由第一级吸收。这种结构适用于热负载较小的场合图5为二级串联供电制冷单元，第一级通过电绝缘的导热板与第二级冷端相连接。这种结构的第二级制冷量较大。Fig.3一级制冷单元图4二级并联供电制冷单元图5为二级串联供电制冷单元在实际应用中，当一级制冷不能达到所需的工作温度时，可用二级或多级制冷进行工作。半导体制冷技术具有以下特点：(1)利用特种半导体材料组成PN结进行制冷(或制热)，体积小、重量轻、寿命长、无噪音。(2)无机械运动、制冷迅速，便于组成各种结构、形状的制冷器。(3)制冷量可在mW级～kW级变化，制冷温差可达20～150℃范围。(4)由于无气体工质，不会污染环境，是一种真正的绿色制冷器(5)用于制冷时，其效率较低。但用于制热时，其效率相当高。因此综合起来评估时，其效率还是较高的。(6)目前成本较高，但随着技术的发展及生产工艺的改进，成本会进一步下降。半导体制冷技术的应用使用半导体制冷设备时，既要考虑其最大制冷量，又要考虑其最大制冷效率。半导体制冷设备在最大制冷量下工作，可获得最大的降温，但耗电大；在最大制冷效率下工作，其效率当然最高。一般半导体制冷设备到底在最大制冷量下工作还是在最大制冷效率下工作，视使用要求而定。例如，家用冰箱应在最大制冷效率下工作；而医学冷冻设备应在最大制冷量下工作。图6为国外将半导体制冷技术用于红外制导的空对空导弹红外探测器探头冷却器。它使用三级半导体制冷器，可得到－78℃的温度。如使用四级制冷单元，则可得到－95℃的温度，包含散热器及风扇在内的整个冷却器的重量只有0.75kg。图6半导体制冷技术用于红外制导的空对空导弹红外探测器探头冷却器图7半导体制冷小冰箱图7为一种半导体制冷小冰箱(5升)的温控电路。Rt1、Rt2为热敏电阻，Rt1置于散热器内，Rt2置于冷藏室内。A1、A2构成两个具有回差特性的电压比较器。冷藏室温度高于设定值时，A2输出低电平，VT1截止，K01常闭触点保持接通，冰箱制冷；冷藏室温度到达设定值后，A2输出高电平，VT1导通，冰箱停止制冷。A1及Rt1用于检测散热器温度，散热器温度在75℃以下时，A1输出低电平，允许A2进行温控；温度超过75℃时，A1输出高电平，VT1导通，K1吸合，冰箱停止制冷。直至温度又回落至75℃以下，A1才允许冰箱进行制冷。',)