[考试]半导体电子制冷原理

[考试]半导体电子制冷原理 半导体电子制冷原理 半导体电子制冷原理 半导体制冷技术的应用和发展 马乔矢 摘 要 系统地阐述半导体制冷技术的发展历史和现状，介绍它在工 业上的主要应用，指出半导体制冷技术的发展趋势. 关键词 半导体制冷;热电材料;珀尔帖效应;热电偶 中图法分类号 TP 211.51 Application and development of semiconductor refrigerant technique Ma Qiaoshi (Dept.of Auto Control,Shenyang Arch.and Civ.Eng.Inst.,Shenyang,110015，China) Abstract This paper summarizes the development history and present situation of semiconductor refrigerating,introduces the application in industry.and its development direction. Keywords semiconductor refrigerating;pyroelectric materials;Peltier effect;thermo-electric couplers 半导体制冷也称热电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制 冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N 结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型 制冷方式.与传统的制冷技术相比，它的优点在于:(1)结构简单，无噪音、无磨损、无污染、可靠性高;(2)制冷速度快，控制灵活;(3)热电堆可以任意排布、大小形状可变.由于上述优点，现在国内外都在大力推广这项技术〔1，3〕.本文介绍和评介了近几年半导体制冷技术发展现状，供从事和对半导体制冷技术有兴趣的读者参考. 从半导体制冷的发展历史来看，大致经历了三个阶段.第一个阶段是指本世纪初，塞克尔和珀尔帖先后发现温差电流现象和温度反常现象，并进行了热电发电和热电制冷的研究.但当时由于使用的金属材料的热电性能较差，能量转换的效率很低，热电效应没有得到实质应用.第二阶段是50年代初期，主要是通过半导体材料的广泛应用，发现半导体材料具有良好的热电性能，并使热电效应的效率大大提高，从而使热电发电和热电制冷进入工程实践.第三阶段是80年代以后，主要是努力提高半导体的热电制冷的性能，进一步开发热电制冷 的应用领域〔4〕. 1 半导体制冷技术的应用 利用半导体材料的热电特性，就能制成一个温度变化范围为-50,80?，工作容积可大可小，并能实现温度逐点控制的制冷器.尽管它效率较低，能耗大，但是在制冷量小于小于20 W以下、温差不超过50?时，半导体制冷的效率高于压缩式制冷的效率.因此，在需要外型尺寸小、重量轻、无磨损、无噪音、能精确维护和平稳调节温度工况和制冷量，防止制冷剂污染空气等各种领域都得到广泛的应用. 1.1 在电子技术上的应用 在最近20年来，低温电子学得到迅速的发展，在光电倍增管、红外探测器、光敏器件、功率器件等元器件和设备冷却上，半导体制冷有独特的作用.采用半导体制冷技术，对电子线路中的元件进行冷却，能有效改善其参数的稳定性，或使信噪比得到改善，从而提高放 大和测量装置的灵敏度和准确度.热电制冷器也可以用不同方式来冷却电子器件和设备.它既可把电子元器件直接装在制冷器的冷端，直接得到冷却，又可以电子设备放在有半导体制冷的小室里，通过小室内的空气的自然对流得到间接冷却. 1.1.1 光电倍增管用半导体制冷器 在原子物理学、天文学等领域，广泛使用光电倍增管，但其暗电流、噪音、灵敏度主要取决于光电阴极的温度.一种锑,铯阴极光电倍增管，当其阴极温度在0?时暗电流降低3倍，温度降到,30?时暗电流降低了30倍，采用两级热电制冷器制冷的光电倍增管，就能够满足降低其暗电流的需求〔1，5，6〕. 1.1.2 红外探测器用半导体制冷器 红外线探测器在低温工作时，噪音显著降低，灵敏度和探测率大大提高，硫化铅、硒化铅红外线探测器在-10?时的响应比+20?大几倍，在-78?其探测率可提高一个数量级.由于红外探测器要求冷却到零下几十度，热负载很小，只需几十毫瓦，用一至两对半导体电偶制成的单级热电制冷器即可获得明显的效果〔2，7〕. 1.2 在工业上的应用 从70年代，我国对半导体制冷技术在工业上应用开始进行探索，并先后基本完成了电子冷冻车削、电子冷冻铣削、电子冷冻磨削、电子冷冻铸造、液膜冰液等研究课题.用液膜冰固定工件代替夹具，用电子冷冻新技术代替传统的液氨等制冷介质，通过电源变换实现快速装卸工件和恒温控制，使过去一些无法加工的材料，特别是航天材料(橡胶件、热塑性件、脆性材料、极薄件等)找到一种新的加工方法.最突出的是内冷式冷冻磨削的研究和应用，解决了磨削加工中表面烧伤、应力消除等问题，它无尘、无味，改善了环境卫生，提高零件质量，已在机械加工领域占有重要的一席之地〔4，8〕. 1.2.1 电子冷冻加工的应用〔8〕 (1)冷冻磨削:平面磨削只适用于铁磁性物质的加工，并有剩磁产生，而冷冻磨削能解决各种材质的磨削问题，并且不改变原材料的磁性能，也不会出现烧伤.某研究所对钢件、不锈钢件、高速钢、非 金属材料等在无冷却液的条件下进行冷冻干磨实验，均得到满意的效果〔4〕. (2)薄片件的精密加工:过去在车床上对D×d×b=360 mm×168 mm×1.27 mm的铝合金薄板件进行多种加工方法的尝试，如内胀外抱胎具，双面双刀加工，真空吸盘等.但这些方法工艺复杂，效率低，废品率高，利用冷冻车削，就使薄片件的加工质量、效率等都得到理想的效果.例如，某厂采用低温电子冷冻刀具，它把刀头和刀体温度恒定在-15?以下，使刀具寿命延长，加工精度提高.同时彻底改变了刀具的冷却条件，节省大量的冷却油.实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 电子刀具比非制冷刀具耐用度提高42%.这种方法清洁卫生、经济省电、变形小、易断屑,加工质量提高，刀具寿命提高3,4倍，因而经济效益显著〔8〕. 1.2.2电子冷冻铸型〔9〕 半导体制冷也应用在铸造上，它是把金属板及模型温度降到-25?以下，然后套上绝热沙箱，加入含一定水分的原沙，捣实刮平，停留4,8min，将电源上下反接拔模，再将上下箱合箱浇铸的一种铸造方法. 电子冷冻铸件加工余量少，质量好，尺寸精确，造型和浇铸时无烟气及其它有毒气体放出，铸型落沙和铸件清理方便，极大地简化了旧沙的回用工艺.从德、英、美、法等国的资料报道来看，他们已成功地做了一些理论研究和实验工作，解决冷冻铸型主要工艺参数及冷冻方式.日本科学家成功地分析了冷冻铸型中的水分凝聚层、容积密度、粒子对冷冻速度的影响.我国从80年代初开始研究以来，逐步从仿制到独立研究，并取得了实际成果，如沈阳某厂采用电子冷冻造型法生产电焊机压圈，其特点如下: (1)由于铸件精度提高，加工余量减少，铸件重量由原沙型铸造4.35 kg降至于3.35 kg，由于采用无冒口浇注，浇冒口重量由原2.8 kg降至0.75 kg.大大节省了铁水和减少了加工量. (2)由于原沙中不用粘结剂和附加物，大幅度降低了材料费用. (3)电子冷冻造型每箱耗电仅0.13度，节省能源. 1.3 在医疗仪器上的应用 热电制冷在生物学和医学仪器上的应用较早.利用它无噪音、无振动、体积小和使用方便等优点，开发了一系列新产品，广泛应用到医疗仪器和临床医疗中. 1.3.1 PCR仪〔2〕 PCR技术(聚合酶链反应)是靠酶促反应合成特异DNA片断的方法.它由高温变性、低温退火、适温延伸三个温度阶梯反复构成的热循环组成，因此，PCR仪实际上是程序温控仪，又称基因扩增仪.扩增效果与温度阶梯间的转换时间密切相关，时间越短，扩增异性越高，效果越好.采用普通制冷(加热)方法，如压缩机、水冷、风冷、红外线加热、电热丝加热等，要获得较好的扩增效果非常困难，而利用了半导体制冷技术的PCR仪不仅能取得很好的扩增效果，还具有体积小、无噪音、温度调节范围大等优点. 1.3.2 呼吸机气泵 气泵是所有呼吸机中的重要部件，特别是在没有采用中心供气方式提供空气正压的医院，它更是必不可少的部件.它向呼吸机提供干燥、洁净的气体.一般将气体冷却降温后，再通过水分离器将冷凝水分离出来，达到干燥气体的目的.由于采用半导体制冷技术的气泵与采用传统风冷式制冷的普通气泵相比具有体积小、结构简单、无噪音、冷凝快速及冷凝效率高等优点，现已广泛应用在高档呼吸机气泵中. 2 半导体制冷材料的发展〔2，9〕 早在50年代，正当半导体电子技术日益发展的时候，科学家们就发现半导体材料具有良好的热电性能.于是针对半导体材料的特性对制冷效果的影响，专家们进行了大量的探索，并根据实验结果得出以下结论: (1)为了产生较好的制冷效果，材料的温差电动势要高(它是所选材料的 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数); (2)材料的电阻率要低，否则电阻产生的热可能超过制冷效能; (3)要维持冷热结点有一个大的温差，导热系数要低. 这三个因素综合成优值系数Z，它决定了半导体制冷器的制冷系数.材料的Z值越高，半导体制冷器效果越好.因此，各国的科学家都在致力于提高材料Z值的方法，开发新的热电制冷材料，以便使热电制冷效果更好，至60年代中期，Z值已达到相当高的水平:P型半导体的Z值Zp=3.5×10-3K-1;N型半导体Z值ZN=(3,3.2)×10-3K-1.绝缘工况下最大温差Tmax=70 K(热端温度Th=300K时).同时，中国科学院半导体研究所研制的热电材料，其性能也达到国际水平. 进入70年代，对下列三种准三元合金进行了大量研究:(1)不掺杂的;(2)掺杂的P型和N型;(3)掺杂硫化物的.试验表明，不掺杂的准三元合金Bi2Te3,Sb2Te3,Sb2Se3常常显示P型特性.根据金相检查，完全位于固体可溶度范围内.由于不掺杂的准三元合金为P型，因而必须掺入适量受主杂质使之转化为N型半导体.美国的R.B.Hort等人将富有的准三元合金掺入SbI3，使之具有最佳电阻率值后，获得最佳N型的优值系数.并证明Sb2Se3的含量在70%即成为最佳P型材料.对富有的Sb2Se3的P型三元合金来说，Te是最佳的一种添加剂.目前，比较理想的热电材料的优值系数Z=(3.4,3.6)×10-3K-1,温度范围为223,423K(-50?,+150?).如果要使热电制冷的经济性达到和机械压缩式制冷一样，必须使优值系数达到13×10-3K-1.可见，热电制冷和机械制冷之间的差距很大，仍需要极大地提高优值系数. 3 结束语 尽管国内外半导体制冷技术发展很快，应用越来越广泛，但仍然有许多问题亟待改进和提高:(1)受材料制约，不能产生足够大的致冷量，所以不能完全代替普通的制冷技术，只适合于要求产冷量小的 领域.应努力提高热电材料的优值系数，开发效率高的半导体制冷器件;(2)要求大电流的制冷热电堆，供电电流大，电压低，因而导致整流电流源体积大，质量大.应向减小电流，增大电压方向发展;(3)采用计算机控制技术，使温度控制更加精确. 作者简介:马乔矢 39岁，男，工程师，沈阳建筑工程学院自动控制系，沈阳，110015. 参考文献 1 徐德胜(电子冷冻与半导体(电子技术，1983,(3):23,25 2 徐德胜编著(半导体制冷与应用技术(上海:上海交通大学出版社，1992 3 邬镇耀(热电制冷技术.制冷技术，1986,(2):6,7 4 李文彬主编(低温应用工程——低温在制造机械农业国防等工程上的应用(北京:兵器工业出版社,1992 5 张国刚编著(微型制冷器(北京:国防工业出版社，1984 6 岳考方编(低温技术与应用(上海:同济大学出版社,1992 7 吴正业，韩宝琦(制冷器(北京:机械工业出版社，1990 8 李文彬主编(电子冷冻切削加工(北京:兵器出版社，1988 9 ,日,喜多清(冷冻铸造法及其存在问题(上海:国外铸造,1981(1):9,12 10 迟责涛，王家齐，贾立业等(半导体致冷去湿(半导体技术,1998,(2):61,63 11 黄忠宇，陈光辉(半导体制冷在医疗仪器中的应用(医疗装 备,1998,(2):3,6 12 彭少近(半导体温差电制冷国际现状，制冷技术， 1986,(2):12,15