（制冷及低温工程专业论文）半导体制冷教学实验装置研制.pdf

委员： 导师： 鳓巴础移栽 名眨胗步六季筘旋 学位论文版权使用授权书 得的研究成 人已经发表 学位或证书 中作了明确 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权尘坠哒堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：万确另 导师签名： 签字日期：凇f f 年争月，z 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 程意识、和科学素养，提升学校自制仪器的水平，研制了风冷半导体制冷教学 实验装置。 实验装置由半导体制冷器组件、电源模块、保温箱、测控系统等组成，可 以实现半导体制冷器的热工、电力参数采集和性能分析。分析半导体制冷特性 并由理论计算对半导体制冷器进行选型t e c l 1 2 7 0 8 ，分析现有的散热方式和安 装方法，选择强迫通风散热方式机械方法固定制冷器。设计了可调半导体制冷 器输出功率的控制电路，选用p 8 9 c 5 2 x 2 b n 微处理器作为核心控制器，并应用 模糊控制，具有响应速度快、超调小、保温稳定的特点。温度调节的精度控制 在o 5 以内，利用步进电机调节工作电压改变降温速率，然后通过r s - 2 3 2 通信接口将数据传送到后台计算机，绘制温度一电压，温度一电流曲线，实时 监控性能参数及测控点数据。结果表明：通过调节热电制冷器的输入电压、改 变热电制冷器的工作片数、调节散热强度或改变制冷器的连接方式，能够达到 调节半导体制冷装置的工作参数和性能指标的目的。本装置操作便捷、性能稳 定、控制精度高，为半导体制冷技术的教学实践、应用设计和开发创新提供了 一个综合性的实验平台，目前国内尚无此类实验设备，因此该装置的研制填补 了空白，达到了预期的设计目标。 关键词：半导体制冷；研制；实验装置；教学实践 d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n e ：p e r i m e n t a lequipmentexperimentalq u i p m e n t a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o ni so n eo ft h ef o u rb a s i cr e f r i g e r a t i o nm e t h o d s c o m p a r e dt ov a p o u rc o m p r e s s i o ns t y l e ，s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o ni sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a di ne l e c t r o n i c s ，m e d i c i n e ，i n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n d d a i l y l i f ed u et oi t ss a f e t y , c o n v e n i e n c ea n dh i g he f f i c i e n c yi nt h ef i e l do fs m a l lc o o l i n g c a p a c i t y i no r d e rt op r o m o t et h ec o n s t r u c t i o na n di m p r o v et h el e v e lo f r e f r i g e r a t i o na n d t h e r m a ll a b o r a t o r y , a i rc o o l i n gs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c ei s d e v e l o p e d i tc a nb eu s e di nd e e p e n i n gt h er e a l i z a t i o no fs e m i c o n d u c t o ra n di t s c o n t r o l ，t r a i n i n gs t u d e n t s i n n o v a t i v ec a p a b i l i t y , e n g i n e e r i n gc o n s c i o u s n e s sa n d s c i e n t i f i cq u a l i t y t h ed e v i c ei sc o m p o s e do fr e f r i g e r a t i o nu n i t s ，p o w e ru n i t s ，i n s u l a t i o nc h e s t ， t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mc a nb eu s e dt oa c q u i r ea n da n a l y z et h et h e r m a l a n de l e c t r o n i cp a r a m e t e r s t e c l 1 2 7 0 8i sc h o s e nb a s e do nt h et h e o r yc a l c u l a t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es e m i c o n d u c t o rc h i l l i n gp l a t e f o r c e dc o n v e c t i o ni su s e di n h e a te l i m i n a t i o na n dm e c h a n i c a lm e t h o di sa d o p t e dt of i xt h es e m i c o n d u c t o rp i l e s a c i r c u i t ，d e s i g n e dt oc o n t r o lt h ep o w e ri n p u t ，u s e sp 8 9 c 5 2 x 2 b np r o c e s s o ra si t s c o r ec o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o la si t sc o n t r o lm e t h o d i th a ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sh i g h e rr e s p o n ds p e e d ，s m a l l e ro v e r s h o o ta n dm o r es t a b l et e m p e r a t u r e k e e p i n ga n ds oo n t e m p e r a t u r ec o n t r o la c c u r a c yi sw i t h i n 士o 5 a n dt h ed e c r e a s i n gr a t ec a nb ea d j u s t e db yv o l t a g ev e r i f i c a t i o nw h i c hi sc o n t r o l l e db ys t e pm o t o r d a t ac a nb es e n dt oc o m p u t e rb yr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h e nt h ec u r v e s o ft e m p e r a t u r ev e r s u sv o l t a g e c u r r e n tc a nb ed r e wb ys o f t w a r e a u t o m a t i c a l l yt o m o n i t o rt h ep e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a nb ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h ei n p u tv o l t a g e ，n u m b e ro fc h i l l i n gp l a t e s ，h e a t t r a n s f e rc a p a c i t ya n dc o n n e c t i o ns t y l e r e l a t i o no ft h ep a r a m e t e ra n dt h ep e r f o r m a n c ec a na l s ob ca n a l y z e d b e c a u s eo fc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，s t a b l ep e r f o r m a n c ea n dh i g hc o n t r o le f f i c i e n c y , t h i ss y n t h e t i c a le x p e r i m e n t a ls y s t e mp r o v i d e sap l a t f o r mf o rt e a c h i n ga c t i v i t i e s ，a p p l i c a t i o nd e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o n t h i sd e s i g nf i l l su pn a t i o n a ln o t h i n g n e s sa n da n t i c i p a n tt a r g e tw e r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n ；d e v e l o p i n g ；e x p e r i m e n t a ld e v i c e ；t e a c h i n gp r a c t i c e 致谢 在论文完成之际，回顾在合肥工业大学求学的三年风雨历程，特别是研究 生学习的这三年时光让我难以忘怀! 众多老师、同学、朋友和亲人对我的指导、 关心和支持则使我永生难忘! 首先衷心感谢我的导师一王铁军教授，在我攻读硕士学位的三年时间内给 予我亲切关怀和悉心培养。王老师严谨认真的治学态度和对学术孜孜追求的精 神深深影响了我。他渊博的学识和对学术问题的独到见解，对研究课题的敏锐 发现和研究方向的准确把握，都体现了很高的学术素养。 从开始收集与本论文相关资料，一直到论文的完成，我每一次取得的进步 都离不开王老师的许多悉心教导，给予了我很大帮助。王老师渊博的专业知识， 严谨的治学态度，严以律己、宽以待人的人格魅力对我影响深远，是我今后工 作生活的榜样。本论文从选题、方案的制定、具体工作进展到最后的完成，每 一步都是在王老师的指导下完成的，倾注了王老师大量的心血，在此谨向王老 师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 本论文顺利完成，离不开各位老师、同学的关心和帮助。在此衷心感谢制 冷教研室各位老师指导和帮助，感谢张文君、王施文、陈开松、崔培培、杨叶、 郭来红、王正、杨锁、王银骄、汤小亮、王蒙、王冠英同学的帮助，在此对他 们表示诚挚的谢意。 整个研究生学习期间，家人给予我很大的支持，在这里向他们表示最深的 谢意。 作者：万丽君 2 0 1 1 年4 月8 日 1 l 1 2 国内外半导体制冷技术的研究现状3 1 2 1 半导体制冷材料的研究现状3 1 2 2 半导体制冷器和性能的研究4 1 3 课题的来源与研究内容6 第2 章半导体制冷原理与特性分析7 2 1 热电效应7 2 1 1 塞贝克效应7 2 1 2 珀尔帖效应8 2 1 3 汤姆逊效应9 2 1 4 焦耳效应1 0 2 1 5 傅立叶效应1 0 2 1 6 热电制冷的制冷量。l o 2 2 半导体制冷原理1 1 2 3 半导体制冷最佳特性分析_ 1 3 2 3 1 最大制冷量q 眦工况及最佳工作电流l 馘1 3 2 3 2 最大制冷系数占眦工况及最佳工作电流i o , 1 4 2 3 3 半导体制冷工况设计1 4 2 4 半导体制冷的散热方式1 5 2 5 本章小结一1 6 第3 章风冷半导体制冷性能实验装置设计1 7 3 1 半导体制冷性能实验装置结构设计1 7 3 1 1 半导体制冷性能实验装置技术指标。1 7 3 1 2 实验装置结构设计1 7 3 2 。保温箱的总体设计计算与校核1 8 3 2 1 保温箱设计规划1 8 3 2 2 热负荷的设计计算1 9 3 2 3 外表面凝露校核2 l 3 3 制冷热电堆选型与安装2 2 3 3 1 制冷热电堆选型2 2 3 3 2 制冷热电堆的安装工艺2 4 3 3 3 热端散热器的校核2 6 3 4 吸热换热器的设计2 7 3 7 3 8 第4 章 4 1 4 2 3 6 1 3 6 2 3 6 3 3 6 4 2 7 2 7 2 9 2 9 箱体设计和系统集成3 8 本章小结4 0 性能实验与分析4 1 实验原理4 l 实验目的与设计4 1 4 2 1 实验目的4 1 4 2 2 实验设计4 2 4 3 实验结果分析4 2 4 3 1 改变工作电压工况4 2 4 3 2 改变热端风冷换热系数工况4 4 4 3 3 改变制冷器连接方式工况4 5 4 3 4 改变制冷器工作数量工况4 5 4 3 5 控制方案实验4 6 4 3 6 本章小结4 6 第5 章结论4 8 5 1 工作总结4 8 5 2 展望。4 9 参考文献。5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 4 0 7 l 5 8 、| 3 2 j 1 ， t 择 一计计 睦 一爱艮 选 一设设 法理件件算原软硬制制统统 控控系系 2 5 基本热电偶结构原理示意图1 1 2 6 带陶瓷板的单级热电堆1 2 2 7 二级热电堆结构示意图1 3 2 8 半导体制冷器温度分布1 5 3 1 风冷半导体制冷性能实验装置结构原理图1 7 3 2 保温箱示意图1 9 3 38 m “条件下求厶“、“、q 坍似的计算程序2 3 3 - 4 单片热电堆结构参数2 4 3 5 半导体制冷器示意图2 4 3 - 6 风冷半导体制冷器2 5 3 7 半导体制冷器安装示意图2 6 3 8 储冷块铜板示意图2 7 3 9 传感器示意图2 8 3 1 0 传感器三线制接法示意图2 8 3 1 1 传感器放置示意图2 9 3 1 2 模糊控制原理图3 0 3 1 3 实验装置模糊控制原理3 1 3 1 4 主程序流程图3 6 3 。1 5 温度模糊控制程序流程图3 7 3 1 6 软件实时采集数据示意图3 8 3 1 7 硬件原理图3 8 3 1 8 硬件电路图3 9 3 1 9 半导体风冷实验装置4 0 4 1 工作电压对保温箱内温降的影响4 3 4 2 工作电压对冷热端温差的影响4 3 4 3 工作电压对制冷量制冷系数的影响4 3 4 4 冷端热端冷温度变化4 4 4 5 保温箱内空气温度和冷热端温差变化4 4 4 - 6 改变连接方式的温度变化4 5 4 7 改变制冷器工作数量的温度变化4 5 4 8 设定温度时温度的变化曲线4 6 叮， 8 0 、n 7 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 2 - 1 常用半导体制冷材料的主要热电性能1 3 3 1 箱体的初步设计厚度1 9 3 - 2 风冷半导体制冷器参数2 4 3 3 导热介质热性能试验对比2 6 3 - 4 固体材料的热物理性质2 8 3 5 吸热换热器实验2 8 3 - 6 温差e 的量化表3 2 3 - 7 温差e 的赋值表3 2 3 - 8 温差变化率州沈的量化表3 2 3 - 9 温差变化率叫如的赋值表3 3 3 - 1 0 半导体制冷器工作电压变化值z f 的赋值表3 3 3 - 1 1 模糊控制规则表3 4 3 1 2 模糊控制查询表3 5 4 1 改变电压工况实验结果4 2 表表表表表表表表表表表表表表 力电子、通讯、计算机、军事、航空航天等领域得到广泛应用，在医疗器械、 密闭空间等特殊场合，热电制冷具有压缩式制冷无法替代的优势【l 】。随着科学 技术的进步，以节能和环保为背景的技术创新和技术升级，以及电子、新材料 等相关技术的渗透，为热电制冷技术提供了新的发展机遇和动力。半导体制冷 技术的发展主要经历以下两个阶段： 第一个阶段：热电理论形成时期。当直流电通过一些材料时有制冷功能， 研究发现半导体材料的热电能量转换特性比一般材料好，半导体材料的发展才 使热电转化有实用价值，为此又把热电制冷称为半导体制冷【l 】。热电效应起源 于三个可逆的与热电转换有关的基本效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊 效应【2 1 。 1 8 2 1 年，德国科学家塞贝克( s e e b e e k ) 【3 ，4 】发现在两种不同金属构成的回 路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场，这就是塞贝克效应。 由于当时占主导的是电磁理论，科学认识水平的局限使塞贝克认为这只是一个 与磁有关的现象，始终不认为是温差直接产生了电势。之后，法国科学家珀尔 帖发现了另一个现象：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上 将产生吸热或者放热现象。这个现象首次发表在1 8 3 4 年的法国物理和化学年 鉴上，也被称为珀尔帖现象。遗憾的是，尽管珀尔帖利用塞贝克效应为实验 提供电流，但他并未发现现象的本质以及与塞贝克效应之间的关系。在此后的 很长时间人们也仅把这一现象看作单纯的表面作用，研究进展比较缓慢。对于 当时的情况这是可以理解的，那是一个电与磁的狂热年代，很显然温差电现象 被那些伟大的发现所淹没。 整个热电理论的转折在18 5 0 年以后，随着热力学的发展，人们的兴趣集中 到了所有形式的能量转换上。1 8 5 5 年，汤姆逊把热力学理论应用到热电回路中， 他认为珀尔帖效应不是一个孤立的表面效应，一端吸热伴随着一端放热的过程 显然满足热力学定律。他通过计算并预言了另一种温差电现象，即电流通过有 温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将发生能量交换，这种现象被称为 汤姆逊效应，同时得到了开尔文第一和第二关系式，虽然在推导中运用了不严 格假设，其论证的合理性也值得怀疑，但后来的实验验证了它的正确性。温差 电学这时已有雏形，汤姆逊效应理论成为其的核心理论，同时也对热力学有很 大的推动作用，直到非平衡热力学的发展才比较合理的解释了汤姆逊关系式。 研究开始转向利用热电转换，1 9 0 9 一1 9 1 1 年问，德国的阿特克希( a l t e n k i r c h ) 提出一个较满意的温差电制冷和发电理论。 塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应奠定了热电理论的基础，这一阶段 是热电理论形成的重要时期，热电效应在实际中应用要求材料的能量转换效率 要高，当时使用的材料一般都是金属，它们的塞贝克系数很小只有几十uy k ， 所以一百多年来热电效应除了应用在金属热电偶温度测量外没有得到实际应 用。 4 第二阶段：2 0 世界3 0 年代以后，伴随着固体物理和半导体物理的发展， 出现了热电性能较好的半导体材料，不仅使热电理论获得了进一步的发展，而 且使热电制冷及半导体制冷技术开始进入工程实践领域。 半导体材料的塞贝克系数一般高于1 0 0py k ，世界各国对半导体的研究 开始活跃起来。1 9 4 7 年，原苏联科学家泰柯斯( t e l k e s ) 研制出温差发电器， 其效率约为5 。1 9 4 9 年，物理学家约飞( j o o f f e ) 提出了半导体温差电理论，同 时也在实际应用方面做了大量工作。研制出的温差电冰箱样机，其箱内温度可 比环境温度低2 4 k ，制冷效率约为2 0 。直到5 0 年代末期，约飞( 2 j 和同事从理 论和实验上证明，最有希望的热电材料是复合半导体b i 2 t e 3 ，因而导致对复合 半导体固溶体合金热电特性的大量研究，理论发现利用两种以上的半导体形成 固溶体可提高材料的优值系数，而不影响热电材料的温差电动率及电导率，认 识到热电性能高的新材料能提高应用的前景，期间，他们发现了温差电性能较 好的制冷和发电材料如b i 2 t e 3 、p b t e 、s i g e 等固溶体合金，迄今为止这些仍然 是最好的温差电材料。从此，半导体制冷开始快速应用于航空、医学和军事等 行业中。 在此后的半个多世纪，尽管科学家们为进一步提高半导体材料性能和探求 更优良的新材料做了大量的工作，但半导体制冷技术发展没取得显著的突破。 目前各国半导体制冷器产生低温范围最好的材料是n 型b i s b 合金，其中 b i 8 5 s b l 5 在8 0 k 的z 值可达到6 5 1 0 0 k 。1 【5 】，但是这些材料用于热电转换，与 传统蒸汽压缩式制冷相比，效率仅仅是卡诺循环的一小部分仍然很低，目前最 好的热电材料能达到的最高效率约只是卡诺循环的1 7 【6 】。半导体制冷技术在 实践中要大规模的应用，需要提高材料的z t 值到3 以上，优值系数z 到1 3 1 0 。3 k 以以上。很多研究发现除了提高材料的热电性能以提高半导体制冷效率外， 优化半导体制冷器工作工况、优化半导体制冷器结构、加大热端散热强度等都 能提高制冷器的效率，为扩大半导体制冷技术应用的提供了一些新途径。半导 体制冷技术和现代制造技术相结合，会有越来越广的应用范围。 半导体制冷的主要特点是：一、无机械运动、制冷迅速。没有运动部件， 故无噪声、无磨损、寿命长、可靠性高、维修方便；不使用制冷剂，无泄漏、 无污染、清洁卫生。二、使用方便，应用广泛。半导体制冷器体积和功率都宜 2 于小型化，制冷量可以从毫瓦级到千瓦级变化，制冷温差可达3 0 1 5 0 。 三、改变制冷器的工作电压，可实现制冷量和制冷温度的连续调节，改变电源 电流方向，可实现制冷制热转换，两者配合温度调节范围更大。四、半导体制 冷器可做成重量轻、体积小的微型、亚微型、小型制冷器，供高科技领域使用。 由于上述优点以及半导体工业的发展，世界上很多国家都对半导体制冷开始深 入的研究，半导体制冷的应用范围开始扩大。现在半导体制冷技术应用较为普 遍的有以下几个方面： 1 、军事：导弹、雷达、潜艇，小型低温冷阱槽等； 2 、医疗：冷刀、冷台，眼科白内障摘除器，脑外颅脑降温帽等； 3 、专用装置：电脑、石油低温测试仪，小型恒温装置，电子器件冷却散热， 真空泵用冷阱等； 4 、日常生活：空调、冷暖保温箱、冷热饮水机等。 综上所述，半导体制冷技术在各个领域都开始广泛的应用，已从单纯的军 用走向民用市场，但在我国民用尚处于萌芽阶段。随着实用化的提高，价格的 降低，半导体制冷会有强大的市场潜力。 1 2 国内外半导体制冷技术的研究现状 目前，国内外对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料的开发、模块的 设计制造、系统优化设计等方面。 1 2 1 半导体制冷材料的研究现状 半导体制冷很大程度上依赖于半导体材料的发展，效果的好坏与制冷系数 和制冷温度有关，而这两者都与材料的优值系数有关。根据a l t e n k i r e h 建立的 热电发电及制冷理论，材料的优值系数z = s 2 卅旯，表明优良的热电材料必须具 有高的s e e b e e k 系数( s ) 以保证有较明显的热电效应，有较小的热导率( 旯) 以保留接点处的热量，有较高的电导率( 仃) 以减少焦耳热损失，同时优值系 数z 又敏感地依赖于材料的种类、组分、掺杂水平和结构【_ 7 1 。科学家们经过长 期的研究发现提高热电材料的性能取决于以下三个方面：( 1 ) 有较高的优值系 数z ；( 2 ) 提高材料的电导率；( 3 ) 降低材料的热导率。周芸等p j 认为通过增 强晶格点阵对声子的散射来降低声子热导率的方法来调节材料的热导率几乎成 为提高半导体材料热电优值系数主要的方法。m o l e 等【9 。1 1 】认为，减少声子传导 率，即可大大提高半导体制冷堆的优值系数。6 0 年代后期各国都致力于热电新 材料的开发，如果要使半导体制冷的经济性达到与机械压缩式制冷一样，必须 使优值系数提高到1 3 1 0 。3 k d 的水平，但是至今世界主要国家研究的半导体制 冷元件的优值系数仍无大进展，如美国l o c k h e e d 实验室h o r s t 等的研究乙3 4 1 0 。3 k 一，乙3 2 1 0 3 k d 【1 2 】；英国通用电气公司g o l d c f f o d l 等的研究乙 3 3x1 0 3 k ， z n 3 1 0 3 k 。1 【1 3 】；俄罗斯a n u k u h i 等人的研究z p ( 3 3 5 ) x 1 0 。k 一，乙3x1 0 弓k ；中国半导体研究所研究的也有乙( 3 3 3 5 ) x 1 0 3 k ，z 以( 3 - 3 2 x1 0 。3 k 一。 自从约飞等提出半导体热电偶及半导体化合物的固溶体理论后，半导体制 冷技术得到了突飞猛进的发展。半导体热电材料中确定最佳掺杂比后，在固溶 体中掺入同晶化合物引入的等价置换原子会产生短程畸变，能使声子散射增加 热导率减小，降低晶格导热性，固溶体合金可改进半导体的优值系数，而不影 响热电材料的温差电动势和电导率。主要的固溶体材料有以下几种：p 型a ge l - x ) c u ( x ) t i t e 材料( a g t i t e 和c u t i t e 的固溶体) ，n 型b i 2 t e 3 b i 2 s e 3 h 9 2 c 1 2 材料， 二元b i 2 t c 3 一s b 2 t e 3 和b i 2 t e 3 s b 2 s e 3 ，三元b i 2 t e 3 s b 2 t e 3 一s b 2 s e 3 。近5 0 年热电 材料性能大约有2 0 的提高【1 4 】，目前发展中的热电材料主要分为四类：非氧化 物型，氧化物型，低纬度热电材料，超晶格热电材料等。c h u n g 等【l 别预测超晶 格薄膜材料是提高热电材料优值系数的最有潜力的途径。 长期的研究发现提高半导体制冷器材料优值系数的方法，包括材料优化的 物理原理和制造工艺两个方面。从制造工艺来看，可以采取择合理的退火温度 和时间，或降低材料的生长速率等等；从物理原理来看，可以选择改变材料的 散射机构、最佳载流子浓度、增加材料禁带宽度、提高载流子迁移率与晶格热 导率的比值( k p ) 等等。 材料的优值系数不高导致了半导体制冷系数不高，成为半导体制冷器的最 大缺点并限制了其的发展，问题的解决还有待于半导体工业的发展。 1 2 2 半导体制冷器和性能的研究 经过长时间对半导体制冷基本原理的研究，已经建立了一套基本的理论， 现在对半导体制冷过程的研究只要集中在试验和理论分析的基础上提高半导体 制冷性能。半导体制冷器通常由几十个、几百个或者更多的温差电对通过串联、 并联或者混联的形式组成，温差电对的热电性能直接决定了制冷器的性能。卢 希红等【1 6 】认为温差电对的p 、n 电臂的微观传热机理不同，热电制冷器冷热端 热流密度不同不能作为均匀热端面来考虑，z h i x ib i a n 1 。7 】实验证明单级热电制 冷器如果采用非等截面体电臂，珀尔帖制冷量和焦耳热能重新分配，制冷量有 显著提高。材料是影响温差电对性能的最主要因素，但研究发现通过改进电臂 的结构，采用特殊的电臂连接方式，同样可以改进电对的性能，目前常用的电 臂结构有“无限级联”结构【1 8 、功能梯度结构【1 9 , 2 0 】、悬臂热接触结构【2 1 1 、多孔 材料结构【2 2 1 、场致发射强化结构【2 3 1 。同轴环臂结构的温差电对设法阻隔冷端的 热通路，保证热端及时散热能维持在一个较低的温度，缺点是必须使工作电流 足够大才能得到较大的制冷温差。“无限级联 结构最早由o b r i e n i t s 提出，它 是在温差电对的p 型、n 型电臂之间用高导电高导热材料膜( 例如银膜) 实现 4 短接，使电臂中的电流无限分流，这种结构能达到的最大温差为无高导电膜温 差电对的1 5 3 倍。场致发射强化结构【2 3 】的制冷器是把标准的p 型和n 型电臂 放置在一个发射的两元电场中，调节电场的电流，能把能量通过电臂从冷源传 递给热源，还加强温差电对的冷却效应，在室温下能量传递速率可达5 0 0 m e v 。 将两种或更多种不同的热电材料沿温度梯度方向烧制，使之在各自在最佳性能 指数的温度范围内工作，就形成功能梯度热电材料( f g m ) ，大大提高了系统 的转换效率【2 4 1 。采用悬臂热接触结构制成的制冷器又称为热电力冷却器，悬 梁连接冷端金属片和基板周期性热接触，热端直接安装在基本上，预测这种结 构的优值系数可达1 8 1 2 5 1 。 r e i y uc h e i n t 2 6 】认为热电制冷器存在一个最大的散热器热阻值，当热阻值大 于这个极限值热端产生的热量就不能及时的散去，所以散热器的设计时影响系 统c o p 值的主要因素之一。目前国内外对散热器的研究主要集中在提高换热系 数减小热阻上，冷热端常采用散热方式有强制风冷、水冷、相变散热等，也有 研究在提高制冷器温度场的均匀性。宜向春 2 7 】分了电臂形状的影响，认为锥形 电臂结构比较理想，能减小工作电流降低直流功耗，缩短降温时间，不影响制 冷效率。杨玉顺【2 8 】理论分析了最大制冷量( 最大制冷温差) 、最大制冷系数工 况半导体制冷循环所需的条件，并给出了选择最佳特性参数的两种设计方法。 j e s a r t e 等【2 9 】通过流体动力学模拟分析与优化，得出强制对流散热器的热阻约 为自然风冷散热器热阻的一半，可以缩小散热面积。g s a t t e y 3 0 j 研究表明在环 境温度在2 5 以下时，循环水冷热电制冷系统的c o p 约为0 6 ，大约是强制风 冷系统的两倍，水冷散热效果好，但对水质要求高，如果表面结垢会影响传热 系数，水冷散热也限制使用的场合。张建成【3 1 】认为在相同的来流速度下，虽然 翅片式散热器的平均对流换热系数比热管式大近l 倍，但是就散热器的有效面 积而言热管式大约是翅片式的4 倍。姚志彪( 3 2 】分析了装置的散热、传冷、制冷 片的操作参数对制冷量及制冷效率的影响，研究了半导体制冷片结合涡旋换热 组合技术，并对利用此技术的装置提出优化。j u nl u o 等【33 】研究了总传热面积 一定时半导体制冷器冷热端传热面积的分配，运用有限时间热力学方法得出最 佳比例，优化系统能得到最大的制冷量和c o p 值。s o f r a t a 3 4 提出在适当场合 使用两个风机比一个风机更能显著提高系统的散热效果。任欣和张鹏【3 副得出 计算最佳工况下半导体制冷器的工作电流和制冷量的近似公式，考虑了热端散 热能力的有限性以及温度的波动。l o ne b e l l 3 6 研究了不同于标准热电模型的 单个热电元件之间热绝缘的热电模型，并且推到了稳态条件下针对加热和冷却 性能的方程式，结果显示该模型比传统的模型c o p 值高出1 2 0 ，单个热电元 件之间热绝缘的热电模型在无量纲优值系数下当z r 值在2 - - 3 之间时，制冷性 能可以与r 1 3 4 a 相比。王宏杰【37 】等对半导体制冷系统的性能进行优化，获得元 件设计的两个优化准则，并确定工作电流的最佳范围。s b r i f f a t l 3 8 等人研究多 集中在热电系统采用相变热虹吸管散热，实验在冷端无负载的情况下，最大温 差可达6 4 ，热虹吸管热阻约为0 1 2 k w 一。s h i g e n a om a r u y a m a 3 9 提出一个 半导体制冷装置的分析方法，采用的方案能在大的温差下得到很大的制冷热流 量，这在通常情况下是不可能的：方案采用两个珀尔帖元件，其中一个作为控 制元件，与工作介质相连，另一个元件加上充分大的翅片作为散热器温度地将 热量散到环境中去，首先假定被冷却介质温度比环境温度高，先让珀尔帖元件 处于加热状态，然后迅速改变电流方向，热量会在很短的时间内从被冷却介质 带走，热量传输速率也就很高，实验数据与计算结果吻合的比较好，热流密度 可达1 4 1 0 5 w m 2 ，实验中观察到将2 0 的水冷却到o c 只要4 秒。殷亮【4 u ，4 1 】 分析了半导体制冷过程中温度场由各热电效应引起的变化规律，研究在非稳态 工作条件下半导体制冷器的制冷性能并得到了非稳态方程传热微分过程的数值 解，提出数值调节的目标控制法。陈林根等【4 2 4 3 】在研究热电热机的基础上，用 有限热力学方法，给出了热电制冷和热泵循环的优域工况和通用的热力学输出 率与性能曲线。 1 3 课题的来源与研究内容 2 0 世纪8 0 年代末开始全球性地禁止使用c f c s 物质，以节能和环保为背 景的技术创新和技术升级，以及电子、新材料等相关技术的渗透，为热电制冷 技术提供了新的发展机遇和动力。半导体制冷是四大基本制冷方法之一，虽然 其能源效率较低，但由于其使用空间不受限制、可靠性高、绿色环保和制冷制 热控制简单等优点，在仪器仪表、计算机及其系统、电子与通讯设备、军事、 航空航天等领域得到广泛应用；在驾驶室、手术室、密闭空间等特殊场合，微 型热电装置具有压缩式制冷装置无法替代的优势。随着科学技术的不断进步， 各学科的交融，新材料的开发和应用，能耗偏大这一关键技术问题将会得到改 善，因此半导体制冷技术的应用空间必将得到进一步发展。 半导体制冷技术是制冷与低温工程学科的教学内容，鉴于实践教学的需要 以及国民经济和技术发展对半导体制冷技术的需求，合肥工业大学实验室自制 仪器设备项目“半导体制冷性能教学实验装置 获得立项和展开。 本文通过对半导体制冷技术原理的分析和研究，结合实验验证设计风冷半 导体制冷性能实验装置，本文主要研究内容如下： 1 半导体制冷性能实验装置的设计； 2 半导体保温箱的热负荷计算； 3 半导体制冷器、电气元件等的设计计算和选型： 4 数据采集与控制系统研制； 5 系统集成、样机性能实验，分析半导体制冷的内部结构参数，如连接方 式( 串联、并联、混联) 、电偶对数量、材料物性参数等因素，和外部输入条件 的变化对制冷性能的影响。 6 直到发现半导体材料才使热电制冷实用化，因为半导体材料具有最佳的热电能 量转换热性，为此热电制冷又称半导体制冷。 2 1 热电效应 热电效应属于不可逆热力学研究的范畴【4 4 “5 1 ，在无外磁场存在时，它包 括同时存在的五种不同效应，其中塞贝克、珀尔帖、汤姆逊三种效应是整个热 电效应的基础，表明了电和热能可逆的相互装换；另外两种效应是热的不可逆 效应，即焦耳和傅里叶效应。 2 1 1 塞贝克效应 不同温度的两个金属构成的回路中，因为接头处的温度不同回路中就有磁 场出现，进一步研究发现其中存在着一电动势，这种现象称为塞贝克效应或温 差电效应，这种电动势就称为塞贝克电动势或温差电动势【l j 。 塞贝克效应如图2 1 所示，在回路中温差电流，和温差电动势易6 同向， 定义温差电动势邑6 与温差的比例常数为塞贝克系数( 也称为温差电动势率) ， 其值为： 口l i m 坐；盟 ( 2 1 ) a r o 2 d z 单位为v k ( 或pv k ) ，显然塞贝克系数反应了玩6 与结点温差的正比关系。 结点2 t + a t 斗 a u 一 图2 - 1 塞贝克效应的示意图 两种材料构成的回路中才有塞贝克系数，所选材料的不同在回路中的电位 就可能是正或者负，所以塞贝克系数是一矢量既有大小也有方向，在比较时一 般对所有材料的塞贝克系数都取绝对值。若用口。、表示材料a 和b 的绝对塞 贝克系数，由这两种材料所制成热电偶的塞贝克系数口曲为： 口口6 = 口。一& 6 ( 2 - 2 ) 7 珀尔帖效应是1 8 3 4 年发现的一种实现现象，在不同导电材料构成的回路 中有电流通过时，回路的结点处会出现放热或者吸热现象如图2 2 所示。 取决于电流肭方向 图2 - 2 珀尔帖效应的示意图 经实验证明，结点处的换热量( 珀尔帖热) 与电流成正比 q p = l 西， ( 2 - 3 ) 式中万。一比