半导体制冷器原理及使用.pdf

一、介绍 半导体致冷器（TE）也叫热电致冷器，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， 无致冷剂污染的场合。 半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加 热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加 热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片 的致冷器，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结组成。 半导体致冷器的工作原理是：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，以下三点是热电致冷的温差电效应。 1、 塞贝克效应（SEEBECK EFFECT） 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 式中：ES 为温差电动势 S（ã）为温差电动势率（塞贝克系数） △T 为接点之间的温差 2、 珀尔帖效应（PELTIER EFFECT） 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。 Qл=л.I л=aTc 式中：Qπ 为放热或吸热功率 π为比例系数，称为珀尔帖系数 I 为工作电流 a 为温差电动势率 Tc 为冷接点温度 3、 汤姆逊效应 （THOMSON EFFECT） 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： Qτ=τ.I.△T Qτ为放热或吸热功率 τ为汤姆逊系数 I 为工作电流 △T 为温度梯度 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，才达到相当水平，得到大规模的应 用，也就是我们现在的半导体致冷器件。 中国在半导体致冷技术开始于 50 年代末 60 年代初，当时在国 际上也是比较早的研究单位之一，60 年代中期，半导体材料的性 能达到了国际水平，60 年代末至 80 年代初是我国半导体致冷器技 术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体致冷材料的优值系数 提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了 大量的人力和物力，获得了半导体致冷器，因而才有了现在的半导 体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用。 二、致冷器的技术应用 半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点 和特点： 1、 不需要任何致冷剂，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器件，工作时没 有震动、噪音、寿命长，安装容易。 2、 半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效 率一般不高，但致热效率很高，永远大于 1。因此使用一个器 件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。 3、 半导体致冷器是电流换能型器件，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