半导体制冷性能测试

]993年第 5期 (总第 5B期) 半导体制冷器性能测试 俞 国良 (昆明物理研究所，云南省) 摘要 ：本文简述了半导体制冷器的基本工作原理．较详细地讨论了半导体制 冷器性能 参数跚试的基本原理．铡试装置和跚试方法，从而为评价和分析半导体 制冷器性能的优劣提供了理论法握和实用测试技术。 一 、 引言 半导 体制冷器是一种新型的能量转换器 件 ，在 150 k~270。K的测试范围内 ，它是一种 最佳的制冷手段。半导体制冷器具有小型、轻便、可靠性高、无磨损、工作时无噪音、无 方向性、易控制温度、冷却速度快、工作寿命长⋯⋯等许多优点，因此，多年来在红外、激 光、电子和航天等高技术领域中一 直受到了人们的重视，并得到了较成熟的应用。 近年来 ，随着半导体制玲技术在医疗、电子、农业、石油、化工、汽车制造业等领域 中不断应用的发展，对于半导体制冷器性能参数的测试技术已成为迫切要求。我们根据多 年来对半导体制玲器的研制和测试经验，现对其性能参数的测试技术和方法作较详细的介 绍 ．供有关同志参考和商榷 衡量半导体制冷器性能优劣最重要的参数分别是：最佳工作 电流 It ：最大温差 △Tmax I制玲置Q I玲端温度Tc I制玲效率t I以及半导体制玲器的工作寿命等。本文就这 些参数的测试原理和测试方法叙述如下 二、半导体制冷器的最佳工作电流flu、最大温差△Tmax和冷端温度Tc。 半导体制冷器是建立在珀尔帖效应基础之上的制玲器件，它是采用能起制冷作用的半 导体材料制成的。当一块 N型和一块 P型半导体制冷元件构成温差电偶 (这就是一个最简 单的制玲器)，并通人直流稳流电源时，在温差电偶臂中就会发生能量的转移，从而产生制 玲效应。当该温差电偶达到热平衡时，能够向外界吸收的热量 (即制玲量)为 ，Qo的值 可由下式计算 ： Qo=Q 一QJ—Q。=H I--+I~R--K(Th—T ) 式中： 一ⅡI一 (a，一a-)T．I称为珀尔帖热 ，a，、a-分别是 P型和 N型半导体制玲器 的温差电动势率I而 a-为负值，Tt是半导体制玲器的玲端温度，I是所施加的电流强度；Q， = (i／2)I 是电流在电偶臂中所产生焦耳热的一半传导到制玲器冷端处释放，而另一半 传导到热端处释放，R是电偶臂的电阻；Ql=K(L—Tc)是从温差电偶热端传导到玲端的 热量，K是电偶臂元件的热导， 是制玲器的热端温度 K的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为：K=2K(L／S)，其 中 K是元件热导率，L、S、分别是元件的长度与截瑶积 在绝热状态 (一般真空 度在 10 乇以上)下，此时外界对制冷器的热传导可视为零 (Q．=0)，由 (I)式可得半导体制玲器的温差 (即热端温度与冷端温度的差值)为： 维普资讯 http://www.cqvip.com 制 冷 n I— l iaR △T= —t=—— 一 ⋯⋯ (2) 由上式可见，半导体制冷器的温差是电流的二次函数。因此，制冷嚣的-r作电流具有 最佳值 。对上式求 a(T 一L)／a[=0就可得出半导体制冷器的最佳工作电流 ： I- =詈= 也就是说，当半导体制冷器工作在最佳电流时所产生的 温差最大，将 (2)式可得： △T一一{乱。 其中l z掌 (a ％)t／RK= o／K ⋯ ⋯ (3) (3)式代人 式 中已假设了 =JaI J=。 由此可见 ，z是由材料的温差电动势率 、电导率 a，热导 率 K所组成的。因此z表征了半导体材料的冷却能力．称为制冷材料的优值。z值越大，制 冷器能达到的温差就越大。除此之外 ，制冷器的最大温差还与制冷器设计方法和工艺过程 有关，制冷器的结构一般具有最大制冷量和最佳效率两种 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 目前，用于制做半导体制冷器较好的材料。P型是以Bi~T~---Sb2T~a为基的固熔体合金， N型是以 l~2Te 一Bj 为基的固熔体台金。在常温下，其元件性能参数如下表 ；。 表 l 半导体制冷元件 的性能参数 导电类型 N P 温差电动势率 a(pV／ ) 200~230 200～220 电导率 口(0-。cIr广 ) 8OO～l200 9伽～1200 热导事 K (mWltcm) 1B～18 l6～18 忧值 z ( 一1) (3．0～3．2)×10一’ (3，2～3．5) ×l0 半导体制冷器的最大温差和最佳工作电流是同时测量出来的，测试装置如图 1所示。 在制冷器的冷端和垣温器上分别用直径小于 0．05ram粗的铜一康铜热电偶或测强二极管 焊接或用导热技粘在制冷器的上表面 (冷端)，用数字电压表谟l出热电偶的温差电动势就可 由表查出对应的温差值。 广⋯ 一 一一] 图 1．△T～T的关系掴4试装置方框图 图2． T～T的关系曲线 I 利用图 1的装鼍．可测出真空度为 10 乇时，。△T～I的对应函数关系如图 3所示 (若 维普资讯 http://www.cqvip.com 1991年第5期 (总第56期) 在静止空气中测式，由于 Qo≠0，故所得曲线形状基本不变，但整个曲线向下移 ，也就是说， 当电流不变时，制冷器的温差随着真空度的升高而增大)。从图2可看出，瞳线的最大值所 对应的电流值就是半导体制冷器的最佳工作电流 I- ，瞳线的最大值就是该半导体制冷器 所能达到的最大温差△1l衄． 由实验知，当所加电流 I偏离 lla20 时，△1 只下降 4 左右．由图 2还可看出，当 I>I- 时，由于制冷元件的焦耳热Q 迅速增加，从而使△T反而减小，甚至有可能烧坏制冷 器，因此制冷器的工作电流不应比l- 过大，一般可在 (0．8～1)I- 范围内，具Ⅱ半导体制 冷器的制冷效果较好． 半导体制冷器的冷端温度 Tt是指当制冷器工作在 II 时，制冷器冷端所能达到的最低 温度．一旦铡量出制冷器的最大温差△T衄和热端温度 Th，就可由下式计算出制冷器冷端温 度 Tt的值： = △T一一T- ⋯ ⋯ (5) 测试时，要求半导体制冷器热端与恒温器接触良好，一般在接触面抹一薄层导热脂或 导热油。因此，半导体制冷器的热端温度也就是恒温器的温度。热端温度一般采用 27。C、35。 C、50~C、75~C等数值。 ，半导体制冷器的最大温差随着热端温度的升高稍有增大，但不 会增大相同数值。 2、半导体制冷器的制冷量 Q 半导体制冷器的制冷量Q是指在一定温差时，制冷器冷端所能够向外界吸收的热量． 半导体制冷器一般由n个半导体温差电偶通过串联、并联或混联所组成的器件，每个 温差电偶的制冷量 Qo由 (1)式给出，对于一级制冷器来说，则制冷量为 ： 口= 4。． ⋯ ⋯ (6) 测试装置如图3所示。其负载r是一个厚膜电阻发热器固定在制冷器冷端，当负载通人 不同数值的电流，所放出的焦耳热为t QI_I 。( 是负载电阻)，在某一温差时，使负载与 制冷器冷端处于热平衡状态 (即T = )，忽略负载热容，则半导体制冷器的制冷量为： 0= 口‘ ⋯ ⋯ (7) 可以测出，制冷器的制冷量 Q与温差△T的关系如图 4所示．从图中可以看出温差越 大时，制冷量越小。一般给出当温差△T=0和△T=△T-．|时的制冷量。当△T=△Tln，Q =0(无负载情况)。 广 一一 一一一 一 ] 图3．△T～Q关系谫I试装置方框图 图4．△T～Q的关系曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com 制 冷 为了有效地排除大气对制冷器的热传导，制冷量必须在高真空情况下测量t而且半导 体制冷器要工作在最佳电流状态． 对于多级半导体制}争器的制冷量的计算非常复杂且不准确，一般多采用实验来刹定。 3、半导体制冷器的输人功率P与效率 c 利用图 1的装置，在灞△T～I时 ，同时祸j出直流稳流源的输 出电压 ，就可得到如图 5的 I～V曲线． 半导体制冷器的输人功率P一般是指制冷器工作在最佳状态时所消耗的功率。由此可 得出制冷器的}茸人功率为： P~lll·vt ⋯ ⋯ (8) 半导体制冷器的效率定义为t制冷量 Q与输人功 率之比 ，即 t 。 c=Q／P ⋯⋯ (9) 因此，当谢出制冷量Q和输人功率P时，就可计 算出它的制冷效率 e． 由理论推导可知：在最大温差情况下制冷效率趋 于零，当(L— )趋于零时制冷效率趋于无穷大。 三、讨论 圈5 1．由上述方法，我们可以方便地测量出半导体制冷器的基本性能参数。当半导体制冷 器具有相同对数的温差电偶，相同输人功率的条件下，如果测出的△Tmax和 Q越大，则制 冷器性能就越好。 2。从文中还可看出，对 (1)式求a( —Tt)／aI=0同样也可得出 (3)式，因此制冷 器的最佳工作电流 I· 与真空度无关。所以，在确定制}争器 I^ 时，常常只需要在静止空气 中刹出△T～I的函数关系，就可得到制冷器的最佳工作电流值． 3．由于民用半导体制冷器并不完全是在真空中使用，因此对于一级半导体制冷器往往 只标定出在静止空气中测定的一些参数 (注意；制冷量只有在真空中才能准确刹定)． d．对于多级半导体制}争器，虽然其设计和结构比较复杂，但性能测试方法与上相同。 匹、结语 以上的研究表明，只有准确地测量出半导体制}争器的基本性能参数 t才能对制}争器的 优劣作出评价I在使用制玲器时也才能充分地发挥它的制冷作用。在实践中我们还发现，采 用相同的元件和材料，制作出的制冷器，有时性能相差较大’因此。准确测定制冷器的参 数，对制冷器的组装和焊接工艺也起了重要的指导作用 ．关于寿命参数测量是一项较复杂 的工作，我们将另文论述 。 参考文献 (1)A．F-[offe‘ ∞ndⅢ or Therll~elemcnts and~ Jectric Cooting} C23‘半导体致冷器件样品说明书'天津致冷器厂 【3)‘G 如 to~ ectric} t Pum~)Marlow Industries·Inc- [|) (SolidStateCoolingwithn m蜥 'Mele~~Me~erialsElectronicProductsCorporation- 维普资讯 http://www.cqvip.com