制冷片-上海大学.ppt

半导体制冷技术 背景 随着人类科学技术的进步，新材料层出不穷，其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料，半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是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，产生帕尔帖效应，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，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用，大到可以做核潜艇的空调，小到可以用来冷却红外线探测器的探头，因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器。 制冷原理帕尔贴原理（Peltier effect） 半导体致冷器的结构 实物图： 半导体制冷的理论 半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关， 即： ， 　 　 称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], 为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以 = - 帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数 [V·K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出 与塞贝克效应相应，帕尔帖系数也具有加和性，即： 因此绝对帕尔帖系数有 = － 金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。 PN 型半导体制冷原理 N 型半导体的载流子是电子，载流子运动方向和热云顺方向是电源负极到正极； P 型半导体的载流子是空穴，载流子运动方向和热运输方向是电源正极到负极，两者正好能够串联组合成一对制冷器件。电流不需要增加，而冷量得到了叠加。如图： 半导体制冷的优点 半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器； 芯片 重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。 无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作; 通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率； 通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态； 作用速度快，使用寿命长，且易于控制。 半导体制冷技术的发展前景 半导体制冷冰箱设计思路 根据半导体制冷片的原理，采用底座式的放置方法，即将半导体制冷片至于冰箱内层底部，与底部进行制冷，为了冰箱内热量分布均匀且便于携带，决定采用铝板作为冰箱内胆，质量轻且导热效果好。内胆外层以泡沫塑料包裹，以起到保温隔热的目的，内胆上部开口，安装常见的铝合金推拉门，既美观，也可以起到隔热的功效。 本次试验采用的半导体制冷片两面温差为65摄氏度，为了能够起到降温的目的，制冷片下部与金属导热块相连，四周包以泡沫，已达到隔热和固定的双重功效。导热块底部与散热器相连，通过散热器、风扇和导热块快速散去制冷片热面的热量，使热面温度保持在50摄氏度左右，由于制冷片上下面固定的65摄氏度温差，从而可以是制冷面的温度达到0度甚至以下，以此达到冰箱制冷的效果。 总体来说，以铝板作为内胆导热材料，泡沫塑料作为隔热保温材料，通过散热来保持制冷片的制冷效果这些就是此冰箱的基本原理。 制作过程 这是半成品图，为了把泡沫完全包好，我们纯手工制作，大家轮流来，切蛋糕一样，最后把实验室搞得一塌糊涂，到处都是泡沫碎片 关于泡沫塑料 当时我们的想法很多，什么抽空玻璃隔热，泡沫玻璃。泡沫玻璃的隔热效果很好的，想法很不错。最后反过来想，不如用塑料吧，经济又实惠 想法还是切合实际一点好！ 半导体制冷冰箱最终成果图： 试验结果 将一杯清水放入小冰箱内（室温24℃左右），盖上玻璃盖，接通电源，风扇开始工作。 调节一个小型变阻器，使电流达到最佳工作电流8 安培。数十分钟后，取出杯子，用温度计测量水温，已经降到了4℃。 说明工作状态良好，达到了预期效果。 几点小结： 要把过程看成是充满趣味的事，保持极高的热情，比如说切泡沫在切蛋糕 过程中有分歧及时商量，达成统一，团结很重要，不要搞驴象之争，而是要做政治协商 小组感言 这次创新实践，让我们体会到工科实验的艰辛，同时，也让我们了解了实验的方法、流程、步骤，作为一群大一的学生，