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半導體制冷技術
鎖定
- 中文名
- 半導體制冷
- 外文名
- Semiconductor Refrigeration
- 概 念
- 通過直流電製冷的一種新型製冷方法
- 別 名
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電子製冷
温差電製冷
半導體制冷技術發展歷史
1834年,法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲,再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上,通電後,他驚奇的發現一個接頭變熱,另一個接頭變冷;這個現象後來就被稱為"帕爾帖效應"。"帕爾帖效應"的物理原理為:電荷載體在導體中運動形成電流,由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級,當它從高能級向低能級運動時,就會釋放出多餘的熱量。反之,就需要從外界吸收熱量(即表現為製冷)。
所以,"半導體制冷"的效果就主要取決於電荷載體運動的兩種材料的能級差,即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好,但製冷效率極低(不到1%)。半導體材料具有極高的熱電勢,可以成功的用來做小型的熱電製冷器。但當時由於使用的金屬材料的熱電性能較差,能量轉換的效率很低,熱電效應沒有得到實質應用。直到20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1945年前發表了研究成果,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,還是温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,有眾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,達到相當水平,才得到大規模的應用。80年代以後,半導體的熱電製冷的性能得到大幅度的提高,進一步開發熱電製冷的應用領域。
半導體制冷技術技術原理
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,如《原理圖》所示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接組成. 半導體制冷片的工作原理是:當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連結成電偶對時,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。製冷片內部是由上百對電偶聯成的熱電堆,以達到增強制冷(制熱)的效果。以下三點是熱電製冷的温差電效應。
1、塞貝克效應(SEEBECK EFFECT)
式中:ES為温差電動勢
S(?)為温差電動勢率(塞貝克係數)
△T為接點之間的温差
2、珀爾帖效應(PELTIER EFFECT)
Qл=л.I л=aTc
式中:Qπ 為放熱或吸熱功率
π為比例係數,稱為珀爾帖係數
I為工作電流
a為温差電動勢率
Tc為冷接點温度
3、湯姆遜效應(THOMSON EFFECT)
Qτ=τ.I.△T
Qτ為放熱或吸熱功率
τ為湯姆遜係數
I為工作電流
△T為温度梯度
以上的理論直到20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,至今還是温差製冷中半導體材料的一種主要成份。
半導體制冷技術技術應用
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,不會產生迴轉效應,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。
5、半導體制冷片的反向使用就是温差發電,半導體制冷片一般適用於中低温區發電。
6、半導體制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範圍。
7、半導體制冷片的温差範圍,從正温90℃到負温度130℃都可以實現。
通過以上分析,半導體温差電片件應用範圍有:製冷、加熱、發電,製冷和加熱應用比較普遍,有以下幾個方面:
5、日常生活方面:空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外,還有其它方面的應用,這裏就不一一提了。