熱電熱泵實驗裝置

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2. 半導體製冷片原理及其技術運用

半導體製冷片(TE)也叫熱電製冷片，是一種熱泵，它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無製冷劑污染的場合。

半導體製冷片的工作運轉是用直流電流，它既可製冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一製冷片上實現製冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，以下的圖就是一個單片的製冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料(碲化鉍)，這個半導體元件在電路上是用串聯形式連結組成。

半導體製冷片的工作原理

當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定，以下三點是熱電製冷的溫差電效應。

1、塞貝克效應(SEEBECKEFFECT)

一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢：ES=S.△T

式中：ES為溫差電動勢

S(?)為溫差電動勢率(塞貝克系數)

△T為接點之間的溫差

2、珀爾帖效應(PELTIEREFFECT)

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ為放熱或吸熱功率

π為比例系數，稱為珀爾帖系數

I為工作電流

a為溫差電動勢率

Tc為冷接點溫度

3、湯姆遜效應(THOMSONEFFECT)

當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜系數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。

約飛的理論得到實踐應用後，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體製冷材料的優值系數，才達到相當水平，得到大規模的應用，也就是我們現在的半導體製冷片件。

中國在半導體製冷技術開始於50年代末60年代初，當時在國際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導體材料的性能達到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導體製冷片技術發展的一個台階。在此期間，一方面半導體製冷材料的優值系數提高，另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導體製冷片，因而才有了現在的半導體製冷片的生產及其兩次產品的開發和應用。

製冷片的技術應用

半導體製冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點：

1、不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2、半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大於1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。

3、半導體製冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程式控制、計算機控制，便於組成自動控制系統。

4、半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鍾，製冷片就能達到最大溫差。

5、半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。

6、半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、並聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

7、半導體製冷片的溫差范圍，從正溫到負溫度都可以實現。

通過以上分析，半導體溫差電片件應用范圍有：製冷、加熱、發電，製冷和加熱應用比較普遍，有以下幾個方面：

1、軍事方面：導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統。

2、醫療方面;冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。

3、實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恆溫、高低溫實驗儀片。

4、專用裝置方面：石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恆溫顯影槽、電腦等。

5、日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱等。此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了。

半導體製冷片的散熱方式

半導體製冷片件的散熱是一門專業技術，也是半導體製冷片件能否長期運行的基礎。良好的散熱才能獲得最低冷端溫度的先決條件。以下就是半導體製冷片的幾種散熱方式：

1、自然散熱。

採用導熱較好的材料，紫銅鋁材料做成各種散熱片，在靜止的空氣中自由的散發熱量，使用方便，缺點是體積太大。

2、充液散熱。

用較好的散熱材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫。缺點是用水不方便，浪廢太大，優點是體積小，散熱效果最好。

3、強迫風冷散熱。

工作氣氛為流動空氣，散熱片所用的材料和自然散熱片相同，使用方便，體積比自然冷卻的小，缺點是增加一個風機出現噪音。

4、真空潛熱散熱。

最常用的就是「熱管」散熱片，它是利用蒸發潛熱快速傳遞熱容量。