半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用

1、半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用 指導(dǎo)老師：張義邴指導(dǎo)老師：張義邴 黃頌翔黃頌翔 制制 鄭宸鄭宸 豐澈豐澈 潘文號(hào)潘文號(hào) 郭艷林郭艷林 劉劉曉建曉建 上海大學(xué)自強(qiáng)學(xué)院上海大學(xué)自強(qiáng)學(xué)院 200444 嘿嘿，我們有嘿嘿，我們有話說(shuō)話說(shuō)ContentsContents制冷原理制冷原理半導(dǎo)體制冷的理論半導(dǎo)體制冷的理論半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景半導(dǎo)體制冷冰箱制作半導(dǎo)體制冷冰箱制作半導(dǎo)體制冷技術(shù)半導(dǎo)體制冷技術(shù) 背景背景半導(dǎo)體制冷技術(shù) 背景隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料層出不窮，其中半導(dǎo)體制冷材料就是其中的一個(gè)新興的熱門(mén)材料，半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是一門(mén)介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)

2、邊緣的學(xué)科，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對(duì)，產(chǎn)生帕爾帖效應(yīng)，即通過(guò)直流電制冷的一種新型制冷方法，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式，在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，大到可以做核潛艇的空調(diào)，小到可以用來(lái)冷卻紅外線探測(cè)器的探頭，因此通常又把熱電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷器。制冷原理帕爾貼原理（Peltier effect）通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高。導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高。半導(dǎo)體致冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置。半導(dǎo)體致冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置。如圖是由如圖是

3、由X X及及Y Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。半導(dǎo)體致冷器的結(jié)構(gòu) 由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，而N、P之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好。 實(shí)物圖：側(cè)視圖側(cè)視圖半導(dǎo)體制冷的理論 半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電

4、流強(qiáng)度IA成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)， 即： ， 稱做導(dǎo)體A和B之間的相對(duì)帕爾帖系數(shù) ，單位為V, 為正值時(shí)，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以 = -abababIQababab與之相應(yīng)的還有賽貝克原理，與之相應(yīng)的還有賽貝克原理， Thomas Seeback Thomas Seeback，18211821，德，德 帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù) VK-1和接頭處的絕對(duì)溫度TK得出 與塞貝克效應(yīng)相應(yīng)，帕爾帖系數(shù)也具有加和性，即： 因此絕對(duì)帕爾帖系數(shù)有 = 金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱，而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多，因而得

5、到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。abTababIQQQbcabbcabac)(ababPN 型半導(dǎo)體制冷原理 N 型半導(dǎo)體的載流子是電子，載流子運(yùn)動(dòng)方向和熱云順?lè)较蚴请娫簇?fù)極到正極； P 型半導(dǎo)體的載流子是空穴，載流子運(yùn)動(dòng)方向和熱運(yùn)輸方向是電源正極到負(fù)極，兩者正好能夠串聯(lián)組合成一對(duì)制冷器件。電流不需要增加，而冷量得到了疊加。如圖：半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器； 芯片重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪音，無(wú)液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過(guò)載條件下，能夠

6、正常地工作;通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過(guò)切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展前景傳統(tǒng)空調(diào)和冰箱制冷技術(shù)采用氟利昂或其它化合物制劑傳統(tǒng)空調(diào)和冰箱制冷技術(shù)采用氟利昂或其它化合物制劑來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷，對(duì)周圍環(huán)境會(huì)造成一定的污染，更主要的來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷，對(duì)周圍環(huán)境會(huì)造成一定的污染，更主要的是這些制冷劑對(duì)大氣臭氧層具有強(qiáng)烈的破壞作用，已經(jīng)是這些制冷劑對(duì)大氣臭氧層具有強(qiáng)烈的破壞作用，已經(jīng)相繼被淘汰出局。相繼被淘汰出局。v現(xiàn)代化高科技的半導(dǎo)體制冷技術(shù)，現(xiàn)代化高科技的半導(dǎo)體制冷技術(shù)，不需任何制冷劑，僅僅利用半導(dǎo)體的不需任何制冷

7、劑，僅僅利用半導(dǎo)體的帕爾帖效應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)制冷。在致力于帕爾帖效應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)制冷。在致力于保護(hù)全球環(huán)境的今天，研制開(kāi)發(fā)一種保護(hù)全球環(huán)境的今天，研制開(kāi)發(fā)一種性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境無(wú)害的制冷技術(shù)已性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境無(wú)害的制冷技術(shù)已經(jīng)成為全球制冷技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域的經(jīng)成為全球制冷技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。所以半導(dǎo)體制冷技術(shù)一個(gè)重要課題。所以半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景具有廣闊的發(fā)展前景半導(dǎo)體制冷冰箱設(shè)計(jì)思路 根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的原理，采用底座式的放置方法，即將半導(dǎo)體制冷片至于冰箱內(nèi)層底部，與底部進(jìn)行制冷，為了冰箱內(nèi)熱量分布均勻且便于攜帶，決定采用鋁板作為冰箱內(nèi)膽，質(zhì)量輕且導(dǎo)熱效果好。內(nèi)膽外層以泡沫塑料包裹，

8、以起到保溫隔熱的目的，內(nèi)膽上部開(kāi)口，安裝常見(jiàn)的鋁合金推拉門(mén)，既美觀，也可以起到隔熱的功效。 本次試驗(yàn)采用的半導(dǎo)體制冷片兩面溫差為65攝氏度，為了能夠起到降溫的目的，制冷片下部與金屬導(dǎo)熱塊相連，四周包以泡沫，已達(dá)到隔熱和固定的雙重功效。導(dǎo)熱塊底部與散熱器相連，通過(guò)散熱器、風(fēng)扇和導(dǎo)熱塊快速散去制冷片熱面的熱量，使熱面溫度保持在50攝氏度左右，由于制冷片上下面固定的65攝氏度溫差，從而可以是制冷面的溫度達(dá)到0度甚至以下，以此達(dá)到冰箱制冷的效果。 總體來(lái)說(shuō)，以鋁板作為內(nèi)膽導(dǎo)熱材料，泡沫塑料作為隔熱保溫材料，通過(guò)散熱來(lái)保持制冷片的制冷效果這些就是此冰箱的基本原理。材料材料 參數(shù)、備注參數(shù)、備注半導(dǎo)體制冷

9、片TEC1-127010 67 12V 89W 50503.8mm 散熱片 30015030mm 電扇 4個(gè)開(kāi)關(guān)電源 48V 【24V的不行】鋁塊4 塊 505026.2mm 導(dǎo)熱硅膠 增加導(dǎo)熱性粘合制冷片和鋁片、散熱片制作圖片制作圖片半導(dǎo)體制冷片半導(dǎo)體制冷片導(dǎo)熱鋁塊導(dǎo)熱鋁塊開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源散熱器散熱器制作過(guò)程 這是半成品圖，為了把泡沫完全包好，我們純手工制作，大家輪流來(lái)，切蛋糕一樣，最后把實(shí)驗(yàn)室搞得一塌糊涂，到處都是泡沫碎片關(guān)于泡沫塑料當(dāng)時(shí)我們的想法很多，什么抽空玻璃隔熱，泡沫玻璃。泡沫玻璃的隔熱效果很好的，想法很不錯(cuò)。最后反過(guò)來(lái)想，不如用塑料吧，經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠想法還是切合實(shí)際一點(diǎn)好！散熱器底部

10、接四個(gè)風(fēng)扇，制冷片、導(dǎo)熱塊、散熱散熱器底部接四個(gè)風(fēng)扇，制冷片、導(dǎo)熱塊、散熱器之間用導(dǎo)熱硅膠相連，內(nèi)膽和散熱器之間用彈器之間用導(dǎo)熱硅膠相連，內(nèi)膽和散熱器之間用彈簧螺絲固定，并借彈簧的壓力，用內(nèi)膽底部和散簧螺絲固定，并借彈簧的壓力，用內(nèi)膽底部和散熱器將制冷片、導(dǎo)熱塊夾緊，周圍包以泡沫塑料，熱器將制冷片、導(dǎo)熱塊夾緊，周圍包以泡沫塑料，并用導(dǎo)熱硅膠填補(bǔ)縫隙，內(nèi)膽四周包以泡沫塑料，并用導(dǎo)熱硅膠填補(bǔ)縫隙，內(nèi)膽四周包以泡沫塑料，其外包以外殼，以求美觀。其外包以外殼，以求美觀。在電路連接方面，我們把四塊半導(dǎo)體制冷片串聯(lián)在電路連接方面，我們把四塊半導(dǎo)體制冷片串聯(lián)起來(lái)，需要起來(lái)，需要48V 的開(kāi)關(guān)電源，四個(gè)電扇串

11、聯(lián)起來(lái)，的開(kāi)關(guān)電源，四個(gè)電扇串聯(lián)起來(lái)，再并上一個(gè)電阻，然后將它們?cè)俨⒙?lián)起來(lái)，接上再并上一個(gè)電阻，然后將它們?cè)俨⒙?lián)起來(lái)，接上48V 的電源，就可以工作了。的電源，就可以工作了。半導(dǎo)體制冷冰箱最終成果圖：試驗(yàn)結(jié)果將一杯清水放入小冰箱內(nèi)（室溫24左右），蓋上玻璃蓋，接通電源，風(fēng)扇開(kāi)始工作。調(diào)節(jié)一個(gè)小型變阻器，使電流達(dá)到最佳工作電流8 安培。數(shù)十分鐘后，取出杯子，用溫度計(jì)測(cè)量水溫，已經(jīng)降到了4。說(shuō)明工作狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期效果。幾點(diǎn)小結(jié)：要把過(guò)程看成是充滿趣味的事，保持極高的熱情，比如說(shuō)切泡沫在切蛋糕過(guò)程中有分歧及時(shí)商量，達(dá)成統(tǒng)一，團(tuán)結(jié)很重要，不要搞驢象之爭(zhēng)，而是要做政治協(xié)商小組感言這次創(chuàng)新實(shí)踐，讓我們體會(huì)到工科實(shí)驗(yàn)的艱辛，同時(shí)，也讓我們了解了實(shí)驗(yàn)的方法、流程、步驟，作為一群大一的學(xué)生，我們很幸運(yùn)能走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用我們的智慧來(lái)創(chuàng)造一些成果。個(gè)人感言劉曉建：一分耕耘，才有一份收獲。潘文號(hào)：雖然在太陽(yáng)的照射下流過(guò)汗水，雖然在淅瀝的