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        熱電制冷特點及應用

        來源:鞍山核心電子技術有限公司 作者:核心電子
           熱電制冷的理論基礎是固體的熱電效應,在無外磁場存在時,它包括五個效應,導熱、焦耳熱損失、西伯克(seebeck)效應、帕爾帖(peltire)效應和湯姆遜(thomson)效應。熱電制冷又稱作溫差電制冷,或半導體制冷,它是利用熱電效應(即帕米爾效應)的一種制冷方法。

          熱電制冷的性能由工作參數和電偶本身的材料特性所決定,包括工作電流i、電偶的材料的物理性質(溫差電動勢、電阻、熱導率)等。下面介紹熱電制冷特點及應用 :

          一、熱電制冷的特點

          1、結構簡單

          整個制冷器由熱電堆和導線連接而成,沒有任何機械運動部件,因而無噪聲、無摩擦、可靠性高、壽命長,而且維修方便。

          2、體積小

          特別在小體積、小負荷的用冷場合,使用熱電制冷有其獨到的好處。

          3、啟動快、控制靈活

          只要接通電源,即可迅速制冷。冷卻速度和制冷溫度都可以通過調節工作電流簡單而方便池實現。

          4、操作具有可逆性

          既可以用來制冷,又可以改變電流方向用于制熱,因而可以用來制做高于室溫到低于室溫范圍內的和恒溫器。

          5、主要缺點是效率低,耗電多

          由于缺少更好的半導體材料.限制了它的發展。另外,半導體電堆的元件價格很高。綜合效率和價格比的因素:在大容量情況下,勢電制冷的效率不及蒸氣壓縮式制冷、價格昂貴。但是蒸氣壓縮式制冷機的效率隨容量的減小而下降,而熱電制冷的效率與容量大小無關:且壓縮機也不可能做得過于小.而熱電制冷小到可以僅由一對基本電偶組成。產冷量在20w以下,溫差不超過;50度時、熱電制冷的效車高于壓縮式制冷。

          由于半導體材料內部結構的特點,決定了它產半導體制冷是靠空穴和電子在運動中直接傳遞能量來實現的。它與蒸汽壓縮式和吸收式制冷比較有如下特點:

          (1)、半導體制冷不用制冷劑,故無泄漏、無污染,清潔衛生。

          (2)、半導體制冷無機械轉動部分,因此工作無噪聲、無磨損、壽命長、可靠性高、維修方便。

          (3)、冷卻速度和制冷溫度可通過改變工作電流的大小任意調節,靈活性很大。冷卻速度快。

          (4)、可用改變電流極性來達到冷熱端互換的目的,故用于高溫恒溫器等場合有獨到之處。

          (5)、體積可以做得很小。例如一個能達到一100℃低溫的四級半導體制冷器,其外形尺寸只有一個香煙盒大小。

          (6)、制冷量可以很小。制冷量可小至1W或更小。

          (7)、半導體制冷需要供給直流電源。

          (8)、半導體制冷器價格較高。

          半導體制冷的主要缺點是大容量(制冷量)時效率太低,耗電量大約比蒸汽壓縮式制冷大一倍。但是,蒸汽壓縮式等制冷方法的效率,與其制冷裝置本身的容量大小有關。容量越小,效率越低。而半導體制冷的效率與其容量大小無關,即在制冷量極小時,仍保持其效率不變。因此,對于制冷量僅幾十瓦的場合,半導體制冷的效率高于其它制冷機。例如,當溫差小于50℃,制冷量在20W以下時,半導體制冷裝置的效率比蒸汽壓縮式高。

          由于半導體制冷具有上述特點,在小冷量,小體積等場合下,能夠起到其他制冷無法替

          代的作用。目前半導體制冷在國防、電子、醫療等方面都已得到應用。半導體冰箱、半導體空調器等已有產品。

          綜上所述,當制冷量很小時,就應優先考慮采用半導體制冷。我國已生產半導體電偶元件,可以根據要求的制冷量選用,組成半導體制冷裝置。

          二、熱電制冷的應用

          需要微型制冷的場合,熱電制冷會發揮很好的作用。它在國防、科研、醫療衛生等領域廣泛地用作電子器件、儀表的冷卻器,或用在低溫測儀、器械中,或制作小型恒溫器等。

          1、熱電制冷在電子元件上的應用

          使用條件嚴格、對溫度反應敏感的電子元器件,必須保證它們在低溫或恒定的溫度條件下工作,才能發揮其性能。例如:紅外探測器需要在低溫下才能有高靈敏度和探測率。硫化鉛、硒化鉛紅外控測器在-10℃時的響應比20℃時的響應要高出幾倍;在-78℃時,其探測率可以提高一個數量級。為此用途的熱電制冷器,一種是由4級電堆組成,在真空中輸入功率10w,達到-95℃的低溫,而制冷器本身僅有750g重,連散熱器、電風扇加在一起的體積也只有。另一種是二級電堆組成,耗電6w,冷卻硫化鉛紅外探測器,使其訊噪比提高許多倍。

          許多電子元件要求在恒溫條件下工作,例如電阻、電容、電感、晶體管、石英晶體管等。用熱電制冷方法制做恒溫器,為它們提供恒溫器的溫度控制簡單、精確。用熱敏電阻作感溫件,它們的溫控精度可達±0.05℃。

          2、熱電制冷在工業上的應用

         、、高真空技術

          為了提供極高的真空度,需要在擴散泵上加冷阱。用熱電制冷的冷阱與用液態氣體(如液態空氣、液氮、……)制冷的冷阱相比,前者可以將真空度提高約1個數量級。

         、、工業氣體含水量的測定與控制

          冶金、化工、機械制造工業中,常常需要準確地測定氣體的濕度。測定裝置中的露點濕度計是很關鍵的部件。用熱電制冷元件制作的露點濕度計具有結構簡單、精度高的優點。圖3是69式露點儀的示意圖。它可以測至-90℃的露點溫度。其工作過程如下:被測氣體內入口流入零工作室,開動儀器,使鏡面開始降溫,首先調節光柵 ,使硅光池 的光電壓差等于零,這時表示沒有信號輸出。在整個過程中鏡面溫度由露點溫度顯示器Ⅶ自動追蹤顯示。當溫度降以一定程度,鏡面出現露珠,此時硅光電池 的受光顯著減弱,A與通過I的比較,有信號輸出。這個信號經過放大及一系列過程去帶動繼電器Ⅲ,使指示燈Ⅶ發出指示。同時,制冷電堆的電源停止供電,溫度跟蹤也隨之停止。這時露點溫度顯示器Ⅶ顯示出的值即為露點溫度。

          3、熱電制冷在畜牧業和醫學上的應用

          在畜牧業中熱電制冷主要用于儲存良種畜的精液。動物的精子在室溫下很快會死亡;在0℃時可存活幾天;在-78℃時則可存活幾年。因而用熱電制冷的冷藏瓶在低溫下保存和輸送動物精液十分方便。

          熱電制冷在醫學上的應用更為廣泛。例如:在外科小手術中,用熱電制冷器對淺表的腔壁很薄的小膿腫施行冷凍麻醉,然后可以簡單、安全地施行切開排膿手術。又如冷凍止血、冷凍切除白內障等。組織切片中用熱電制冷器,設備簡單、小巧、降溫快,大大縮短制片時間,并能提高制片質量。熱電制冷器還是低溫手術的冷卻設備。用熱電制冷器做成降溫帽用于為患者頭部降溫。藥用熱電冷藏箱,容積在10~20L時,經濟性比機械式制冷好,用于保存血槳、疫苗、血清、藥品等。生物試驗用的小型恒溫槽也是采用熱電制冷方式。

          4、其它方面的應用

          在電源充足,運行經濟性不作為首要考慮問題的應用場合,取熱電制冷可靠、簡單、無噪聲、無振動、無工質泄漏等長處,用以作空調或冷卻裝置。如核潛艇、衛星站、飛機、地下建筑的空調器。

          在原理上,半導體的制冷片只能算是一個熱傳遞的工具,雖然制冷片會主動為芯片散熱,但依然要將熱端的高于芯片的發熱量散發掉。在制冷片工作期間,只要冷熱端出現溫差,熱量便不斷地通過晶格的傳遞,將熱量移動到熱端并通過散熱設備散發出去。因此,制冷片對于芯片來說是主動制冷的裝置,而對于整個系統來說,只能算是主動的導熱裝置,因此,采用半導體制冷裝置的ZENO96智冷版,依然要采取主動散熱的方式對制冷片的熱端進行降溫。

          風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱,通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時候會達到100度左右,極易超過制冷片的承受極限,而且半導體制冷效率的關鍵就是要盡快降低熱端溫度以增大兩端溫差,提高制冷效果,因此在熱端采用大型的散熱片以及主動的散熱風扇將有助于散熱系統的優良工作。在正常使用情況下,冷熱端的溫差將保持在40~65度之間。

          中國在半導體制冷技術開始于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制冷片技術發展的一個臺階。在此期間,一方面半導體制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,獲得了半導體制冷片,因而才有了現在的半導體制冷片的生產及其兩次產品的開發和應用。

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