半导体制冷小冰箱

利用半导体制冷片研制小型电冰箱Manufacture Miniature Fridge Using Semiconductor Refrigerant

王胜军

(电子科技大学，成都，610054)

【摘要】阐述了半导体制冷技术的发展和原理，应用半导体制冷技术制作了半导体冰箱，并进行了实验测试。

关键词:半导体制冷，帕尔帖效应，冰箱，小型

半导体制冷又称温差制冷或热电制冷, 这项技术自20 世纪50 年代末发展起来后, 因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用。它开辟了制冷技术的一个新分支, 解决了许多特殊场合的制冷难题,符合人们在特种场合的需要, 有着十分广阔的前景。在发达国家, 它已用于汽车(或手提式) 冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调器、红外制导空对空导弹的红外探测器探头冷却器、照相显影液恒温冷却器、宇航员及坦克乘员的空调服等方面。我国在20 世纪60 年代开始对半导体制冷进行了研究, 并生产出性能良好的半导体制冷材料。随着我国经济的高速发展, 许多领域有待于用半导体制冷技术去进一步开拓。

一、半导体制冷原理

半导体制冷的基本原理是帕尔帖(Peltier)效应。目前采用半导体材料锑化铋做成N型和P型热电偶,用模块的方法组成半导体制冷器件。N型材料有多余的电子,有负温差电势。P型材料电子不足,有正温差电势;当电子从P型穿过结点至N型时,其能量必然增加,而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反,当电子从N型流至P型材料时, 结点的温度就会升高。实验证明, 在温差电路中引入第三种材料(铜连接片和导线) 不会改变电路的特性。这样,半导体元件可以各种不同的连接方法满足使用者的要求。把一只P型半导体和一只N型半导体联结成热电偶, 接上直流电源后, 在接头处就会产生温差和热量的转移。把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来, 而在传热方面则是并联的, 这就构成了一个常见的制冷热电堆。借助热交换器等各种传热手段, 使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度, 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温, 这就是半导体制冷的原理。

半导体制冷片包含多组PN结,采用陶瓷封装制成,侧面引出两条导线,加上电压后，当电流由半导体PN结的N型半导体流向P型半导体时,形成电子空穴对而吸收热量;相反,电子空穴对结合而释放热量。下图是一个致冷器的典型结构，由许多N型和P型半极体之颗粒互相排列而成，而N P 之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。如图1所示

图1 制冷片结构图

[作者介绍] 王胜军（1984-）男电子工程学院23022020班二年级本科生本文为课题型物理实验课程论文，指导老师：霍中生

二、利用半导体制冷片研制小冰箱

1．半导体冰箱应用现状

有不少厂家推出了半导体冰箱。著名冰箱生产企业都有半导体冰箱产品, 如美菱、海尔、新飞等。表1列出几种半导体冰箱的型号参数。车载冰箱也是这一类。车载式冰箱抗震性好,适合外出旅游车船配载使用,目前市场上这种车载冰箱大小从3L 到33L 不等,随着中国汽车拥有量的增加, 车载半导体冰箱将会越来越多。但是应该注意的是半导体冰箱主要是用在冷藏而不是冷冻, 其制冷效率也较普通蒸汽压缩式冰箱低,耗电量较高,容积小,通常在特殊场合或有特殊要求使用较合适。

2. 实验室制作半导体冰箱

实验室采用泡沫作为箱体的主要材料,外形尺寸为20*20*30(单位:cm),泡沫厚度为3cm,容积为4.7L 。所用半导体制冷片型号为TECI12705B,最大工作电流5A,最高工作电压12V , 冷热两端最大温差可达68℃,尺寸为40mm ×40mm ×4mm,制冷片的两端吸热的一端称冷端, 发热的一端称热端,如图2所示。

表1 几种半导体冰箱的型号参数 品名

半导体 冷藏酒柜 半导体电子冷藏箱

半导体冰箱 型号 DC - 38C DC - 35C DC - 50C

容积(L) 38 35 50 外形尺寸(mm) 560*500*360420*480*450630*480*360

重量(kg) 14.10 11.15 16.20 环境温度(℃) 10～32 10～30 10～30

功率(W) 68 60

80 电源 AC220V/110V AC220V DC12V/24V AC220V/110V

制冷温度(℃) 10～16 3～10 3～10

图2 半导体制冷片

图3 冰箱内空气对流图

两端分别用导热剂与散热片粘合在一起。自然空冷散热和制冷时，制冷效果不太好，

输入电流I＝3A时，冷端最低温度降至13℃，所以考虑在热端用风扇强迫空冷，这样冷端最低温度可达零下，完全满足制冷要求。在冰箱内部，顶端和底端的温差达到6℃，而且需要的时间比较长，所以在冷端也加一个风扇加强对流，虽然风扇会有少量发热，但是对于制冷影响不大。冰箱内空气对流情况如图3所示，自制冰箱外观如图4所示，冰箱内部结构如图5所示。

图4 自制冰箱外观

图5 自制冰箱内部结构

在室温为26.5℃的情况下，测得输入电流I=2A，经过t=18min，冰箱内温度达到平衡，稳定在10℃；I=3A,经过t=15min，温度稳定在8℃；I=4A时，经过t=12min，温度稳定在9℃。所以在3.0～4.0A之间选取了3.5A作为输入电流，电流太小,热电堆制冷功率不够；电流太大,焦耳热增加，制冷效果反而不好。在室温T0=26.5，I=3.5A测得一组数据,见图6，可见,I=3.5A 时,经过11min,冰箱内温度稳定在7℃左右,满足一般的制冷要求。

图6 冰箱内底部温度随时间变化关系曲线

三、结论分析

(1) 随着热端肋片的升高,热端散热器肋片与外界空气的散热效果下降,温差的减小导致散热动力大大降低,影响了散热效果,热端温度越低,冷端温度越低,制冷效果越好.所以在热端加风扇以加强散热。

(2) 制冷片的输入电流在3.0～4.0A之间能较好地满足实验要求. 电流太小,热电堆制冷功率不够;电流太大,焦耳热增加,加重了制冷负荷,制冷效果下降. 热电堆最佳电流的确定相对较困难.本次实验选取了3.5A。

(3) 制冷空间内部温度分布不均. 越靠近散冷器处温度越低,离散冷器较远处,温降不明显,所以在内部加风扇,加强内部空气的流动,可以大大增强制冷效果。

[收稿时间]2005.5.10

参考文献

[1]徐德胜半导体制冷与应用技术(第二版) 上海上海交通大学出版社 1999.3

[2]闫朝华、潘灯海半导体制冷应用在电冰箱上的研究家电科技 2002.12