多级半导体制冷器设计

QJ = I R = I
2
2 热电制冷原理
当直流电通过具有热电转换特性的导体组成的回 路时具有制冷功能这就是所谓的热电制冷 。半导体制 冷是热电制冷的一种 , 即直流电通过由半导体材料制 成的 PN 结回路时 ,在 PN 结的接触面上有热电能量转 换的特性 ,又由于半导体材料是一种较好的热电能量 转换材料 ,在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材 料制成 ,因此称为半导体制冷 。 直流电通过半导体 PN 结时 , 在两结的接触面上 会发生热电效应 , 它是由 5 种不同的效应[ 1 ] 组成 。其 中有珀尔帖效应 、 焦耳效应 、 傅立叶效应 、 塞贝克效应 、 汤姆逊效应 5 种不同的效应 。半导体制冷技术主要是 珀尔帖效应在制冷技术方面的应用 。 211 珀尔帖效应 ( 1) Q p = (α p - α n) T I αn 分别为 P 型结和 N 型结的温差电动势率 , 式中 :αp 、
T冷 n ( M n - T热 n) ε n = ( T 热 n - T 冷 n ) ( M n + 1)
T 冷2 ( M 2 - T 热2 )
1 徐德胜 . 热电制冷与应用 . 上海交大科技咨询资料 ,1984. 2 彭少近 . 半导体温差电制冷国际现状 . 制冷技术 ,1986 ; (2) . 3 W. M. Jim. Bi- Sb. Alloys for magneto - t hermoelectric and t hermoelec2 tric cooling. Solid - State Electronics ,1992 ; (15) .
on semiconductor cooler. In t he end of t he paper conclusions are drawn by t he principle and formulas of multi - stage semi2 conductor cooler. Key Words : Thermoelectric Effect , Thermoelectric Cooling ,Semiconductor Cooler ,Multi - Stage Semiconductor Cooler
αp 为正 ,αn 为负 ; T 为相应接头上的绝对温度 。
212 傅立叶效应
QF = kS ( T热 - T冷) = K ΔT l ( 2)
式中 : K 为导体的导热率 ; T 热 为导体的热端温度 ; T 冷 为导体的冷端温度 。
213 焦耳效应
直流电流过导体时单位时间内产生的热量等于导 体电阻和电流平方的乘积
1 + 015 Z ( T 冷 + T 热 ) - T 热
Δ T ( 1 + 015 Z ( T 冷 + T 热 ) + 1)
( 7)
α Δ T2 M 2 σ U2 Q1 , l 2/ s2 = , n2 = ε 015 Z ( T 冷 + T 热 ) ,Δ T = T 热 T 冷 ,则 ( 7) 式变为
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仪表技术与传感器
2000 年
多级半导体制冷器设计
陈振林 孙中泉 海军航空工程学院 山东省烟台市 264001 【摘要】 文中主要介绍了半导体制冷器的基本原理及其应用 ,并对涉及到多级制冷器的有关公 式进行了推导 ,文章最后得出了关于多级半导体制冷器的一些重要结论 。 关键词 : 热电效应 热电制冷 半导体制冷器 多级半导体制冷器
1 引言
半导体制冷又称为热电制冷 ,是 60 年代初发展起 来的新制冷技术 ,它是利用半导体材料制成的 PN 结 , 给它通上额定的直流电 , 它的冷端就会迅速降温 。这 种制冷器和传统的制冷设备有着根本的区别 , 没有复 杂的结构 ,体积小 ,没有噪声不需要制冷剂 ,没有污染 , 因此近几年引起了人们的关注 。 随着技术的进步 , 半导体制冷器被广泛的应用到 化工 、 电子 、 医疗 、 军事等各个领域 。
0145 , 所以 n i / n i +1 ≈ 1/ 3 . 2 , 即为满足负载要求 , 第 i
T
(M - T )
( 8)
当 PN 结通过的电流为 Iεmax时 ,此时 PN 结每消耗单位 功率制冷量最大 。 根据上面的基本公式可看出 : 要使制冷器充分发 挥它的效能 , 一是制成 PN 结的材料的电阻率和导热 系数要小 ,其温差电动势要大 ; 二是通过制冷器的电流 要合适 ,且电源的纹波系数要小 。只有这样才能使制 冷器发挥最大的效能 。
The Design of Multi - Stage Semiconductor Cooler
Chen Zhenlin Sun Zhongquan Naval Aeronautical Engineering Academy , Yantai Shandong ,264001
Abstract : The paper introduces t he basic principle and applications of t hermoelectric cooler and induces t he formulas
4 多级半导体制冷器的设计
若设计要求多级制冷器的负载能力 Q 0 , 并使负载 为了达到设 的温度下降到 T , 采用自来水 ( T 水 ) 散热 。 计要求 , 采用 n 级制冷 , 每级温差依次取为Δ T 1 ,Δ T 2 , …Δ , T n , 则可得到每一级冷热端的温度 T 冷1 = T ,
第 11 期 设冷端的温度为 T 冷 。定义 ε=
・ 元器件与应用・
Q冷 为 PN 结的制冷系 P
31
Q 得 UI
采用级联方式 。根据制冷系数的定义式 ε=
I =
数 并将 ( 5) 式和 ( 7) 式带入得 αI T 冷 - 1 I 2 R - K ΔT 2 ε= ( 6) 1 2 α ΔT I R + I 2 制冷系数等于 PN 结消耗单位功率所得到的制冷量 , 它是评价半导体制冷器的一个重要指标 。 由 ( 6) 式 ε= f ( I ) 求导并使 ε ′ = 0 得出 ε max =
收稿日期 :2000204229 修改稿日期 :2000208229
l 2ρ S
( 3)
在制冷 PN 结电偶中 , PN 结的一端为冷端 , 另一 端则为热端 , 因此在 PN 结的两端存在着温差 。由于 温差的存在 ,同时由于电流通过电偶臂时产生焦耳热 , 使局部的温度升高 , 热量就会由热端向冷端传播 。如 果热量在 PN 结上达到了平衡 , 则由热端传导给冷结 点的热量可由一维傅立叶方程来表示 :
T 热1 = T 冷2 , T 热2 = T 冷3 , …, T 热 ( n - 1) = T 冷 n , T 热 n = T水 。
级制冷器的 PN 结对数为 n i 对 , 则第 i + 1 级 PN 结对 数为 n i +1 ≈ 3 . 2 n i .
5 结束语
以上的推导是按最大工作效率完成的 。在实际的 设计过程中 ,要根据实际的情况来确定是按最大温差 设计还是按最大效率设计 。在同样的条件下 , 按最大 效率设计效率高 、 省电 、 热端放出的热量少 ; 按最大温 差设计时 ,效率低 、 费电多 、 热端放出的热量多 。 实际上 ,由于各种因素的影响 ,理论的计算和实际 的情况存在着一定的偏差 , 因此在具体某一工程设计 中还需要参考经验数据 。
ε=
( 1 + 1/ ε 1 ) ( 1 + 1/ ε 2 ) …( 1 + 1 / ε n) - 1
1
设各级之间 、 组成各级制冷器的制冷元件之间均
冷 热 ε max = ( T 热 - T 冷 ) ( M + 1)
式中 : Q 1 = Q 0 ( 1 + 1/ ε 1) α Δ TiM i σ Ui Qi- 1 Ui = , l i / si = , ni = ε Mi - 1 2I iUiI 式中 : Q i = Q i - 1 ( 1 + 1/ ε i - 1) α Δ TnM n σ Un Qn- 1 Un = , l n/ s n = , nn = ε Mn - 1 2I nU nI 式中 : Q n = Q n - 1 ( 1 + 1/ ε n - 1) 如果组成多级制冷器各级元件的尺寸相同 , 即 l 1 / s1 = l 1 / s1 = … = l n / s n , 则ε 1 ≈ε 2 ≈ …≈ ε n ≈ ε, 同时由于是串联 , 各元件上的压降相同 , 既 U 1 = U 2 = … = U n , 那么 , n 2 / n 1 = ε 2 / ( 1 +ε 1) , n3/ n2 = ε 3 (1 +ε 2 ) , …, n n / n n - 1 = ε n/ ( 1 + ε n - 1) . 目前半导体材料制成的 PN 结的制冷系数 ε ≈
参 考 文 献
半导体元件的性能指标 αp = αn ,σ p = σ n , kp = k n , Z 已知 ,据 ( 8) 式可求出各级的最佳制冷系数为
冷1 1 热1 ε 1 = ( T 热1 - T 冷1 ) ( M 1 + 1)
T
(M - T
)
ε 2 = ( T 热2 - T 冷2 ) ( M 2 + 1) …
Q热 =
1 1 2 ΔT Q + QF = I R + K 2 J 2
( 4)
3 半导体制冷器的基本公式
由于热传导及焦耳热影响了在冷端上的珀尔帖制 冷效应 ,因此单个 PN 结上的制冷量为
Q冷 = Q P - Q热 =
1 Q + QF 2 J
1 2 Δ T ( 5) = (α I R - K p - α n) T I 2
T冷
ε U
Q
设使每一级制冷器工作于最佳效率状态 , 组成某 级制冷器的每对制冷元件电压降为 U ,可求得每一级 制冷器元件电压降 、 长度和面积比 、 元件对数 : α Δ T1 M 1 σ U1 Q0 U1 = , l 1/ s1 = , n1 = ε M1 - 1 2I 1 U1 I