2020-09-25 11:10:06

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到了二十世纪五十年代随着半导体材料的迅猛发展,热电制冷器才逐渐从实验室走向工程实践,在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用,大到可以做核潜艇的空调,小到可以用来冷却红外线探测器的探头,因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器

基本信息

  • 中文名称

    半导体制冷

  • 外文名称

    semiconductor refrigeration

  • 材料

    三大支柱产业之一

折叠 编辑本段 技术简介

材料是当今世界的三大支柱产业之一,材料是人类赖以生存和发展的物质基础,尤其是近几十年来随着人类科学技术的进步,材料的发展更是日新月异,新材料层出不穷,其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料,其实半导体制冷技术早在二十世纪三十年代就已经出现了,但其性能一直不尽如人意,

折叠 编辑本段 器件分类

半导体制冷器件大致可以分为四类

(1)用于冷却某一对象或者对某个特定对象进行散热,这种情况大量出现在电子工业领域中;

(2)用于恒温,小到对个别电子器件维持恒温 ,大到如制造恒温槽,空调器等;

(3)制造成套仪器设备,如环境实验箱,小型冰箱,各种热物性测试仪器等;

(4)民用产品,冷藏烘烤两用箱,冷暖风机等。

折叠 编辑本段 工作原理

热电制冷是具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时具有制冷功能,由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性,所以人们把热电制冷称为半导体制冷。半导体制冷是建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术。其中,塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的,另外两种效应是热的不可逆效应。

(1)塞贝克效应,1821年,塞贝克发现在用两种不同导体组成闭合回路中,当两个连接点温度不同时,导体回路就会产生电动势(电流)。

(2)珀尔帖效应,珀尔帖效应是塞贝克效应的逆过程。由两种不同材料构成回路时,回路的一端吸收热量,另一端则放出热量。

(3)汤姆逊效应,若电流过有温度梯度的导体,则在导体和周围环境之间将进行能量交换。

(4)焦耳效应,单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积。

(5)傅立叶效应,单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

折叠 编辑本段 实际应用

折叠 技术领域

对红外探测器,激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如,德国Micropelt公司的半导体制冷器占用面积非常小,只有1mm²,可以和激光器一起使用TO封装。

折叠 农业领域

温室里面过高或过低的温度,都将导致秧苗坏死,尤其部分名贵植物对环境更加敏感,迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。

折叠 医疗领域

半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如:用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等;用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。

折叠 激光领域

激光技术用美容仪器,微型零件加工等,其在工作中都产生局部热,通过半导体制冷器,采用水冷或微型制冷器冷却。

折叠 装置方面

如实验用的显微镜摄像头,冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片

折叠 日常应用

空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外,还有其它方面的应用,这里就不一一提了

折叠 编辑本段 特点优势

半导体制冷器的尺寸小,可以制成体积不到1cm³的制冷器;重量轻,微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克;无机械传动部分,工作中无噪音,无液态、气态工作介质,因而不污染环境,制冷参数不受空间方向以及重力影响,在大的机械过载条件下,能够正常地工作;通过调节工作电流的大小,可方便调节制冷速率;通过切换电流方向,可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态;作用速度快,使用寿命长,且易于控制。

折叠 编辑本段 存在问题

虽然半导体制冷的研究面临诸多困难,但是可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣向荣的景象。到目前为止,国内外的学者从不同角度去提高半导体的制冷效率,展现出各自的优势和实用性。但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题。

(1)半导体制冷要想达到机械压缩制冷相当的制冷效率,材料的优值系数就必须提高。然而,直到现在,科学家对半导体制冷材料的研究并未有很大突破。半导体制冷温差较小和制冷系数不高是半导体制冷的最大缺点,而材料的优值系数不高导致这些缺点从而是阻碍半导体制冷发展的最主要因素,因此半导体材料的性能即优值系数z还有待于进一步的提高。

(2)有关冷、热端散热系统的优化设计的研究较少。这使得半导体制冷的设计多半处于理论计算阶段,半导体制冷的实际运行效果不能得到很好的保证。所以要不断深入进行半导体制冷器模块设计和系统性能优化的研究。

(3)相关领域的技术与手段的引用较少,材料的优值系数的停滞影响了整个半导体制冷行业的发展,所以运用包括新理论和新技术来研究和完善就变得非常重要。半导体制冷也是一个交叉学科,需要不同方面的知识相互配合,共同进步。

(4)随着科学技术的飞速发展,产品器件的尺寸有的越来越大,有的越来越小,有的状况越来越复杂,需要考虑多种因素。这样如何解决大功率半导体多级制冷的优化问题、小尺寸器件的局部散热问题和多因素的半导体热电能量转换问题就成为今后不断努力研究的内容 。

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