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半导体致冷器热电致冷器.pdf
半導體致冷器 熱電致冷器
半導體致冷器(TE )也叫熱電致冷器,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,無致冷劑污染的
場合。
半導體致冷器的工作運轉是用直流電流,它既可致冷又可加熱,通過
改變直流電流的極性來決定在同一致冷器上實現致冷或加熱,這個效果
的産生就是通過熱電的原理,以下的圖就是一個單片的致冷器,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。
半導體致冷器的工作原理是: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,就能産生能量
的轉移,電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量,成爲冷端由 P
型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量,成爲熱端。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
電致冷的溫差電效應。
1 、 塞貝克效應(SEEBECK EFFECT )
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,則在導體中産生一個溫差電動勢: ES=S.△T
式中:ES 爲溫差電動勢
S. 爲溫差電動勢率(塞貝克係數)
△T 爲接點之間的溫差
2 、 珀爾帖效應(PELTIER EFFECT )
一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的逆效應,即當電流流
經兩個不同導體形成的接點時,接點處會産生放熱和吸熱現象,放熱或
吸熱大小由電流的大小來決定。
Qл=л.I л=aTc
式中:Qπ 爲放熱或吸熱功率
π 爲比例係數,稱爲珀爾帖係數
I 爲工作電流
a 爲溫差電動勢率
Tc 爲冷接點溫度
3 、 湯姆遜效應 (THOMSON EFFECT )
當電流流經存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻産生的焦耳熱之
外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差爲△T 的導體兩點之間,其放熱
量或吸熱量爲:
Qτ=τ.I.△T
Qτ 爲放熱或吸熱功率
τ 爲湯姆遜係數
I 爲工作電流
△T 爲溫度梯度
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致冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體
材料,至今還是溫差致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,有衆多的學者進行研究到六十年代半導
體致冷材料的優值係數,才達到相當水平,得到大規模的應用,也就是
我們現在的半導體致冷器件。
中國在半導體致冷技術開始於 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致冷器技術發展的一個臺階。
在此期間,一方面半導體致冷材料的優值係數提高,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
導體致冷器,因而才有了現在的半導體致冷器的生産及其兩次産品的開
發和應用。
TE 應用
半導體致冷器作爲特種冷源,在技術應用上具有以下的優點和特點:
1.不需要任何致冷劑,可連續工作,沒有污染源沒有旋轉部件,不會産
生回轉效應,沒有滑動部件是一種固體器件,工作時沒有震動、噪音、
壽命長,安裝容易。
2.半導體致冷器具有兩種功能,既能致冷,又能加熱,致冷效率一般不
高,但致熱效率很高,永遠大於 1 。因此使用一個器件就可以代替分立的
加熱系統和致冷系統。
3.半導體致冷器是電流換能型器件,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、電腦控制,便於組成自動控制系統。
4.半導體致冷器熱慣性非常小,致冷致熱時間很快,在熱端散熱良好冷
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