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文章来源: 贤集网       发布时间:2018-12-08

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半导体制冷器就是由半导体组成的一种冷却装置,广泛运用于各个领域,对我们的生活带来了很大的便利,也为社会的工业科技发展提供了巨大的帮助,比如电脑中的半导体制冷片给CPU制冷,工业中给仪器降温等等。下面贤集网小编就讲一下半导体制冷技术是什么,详细为您介绍半导体制的冷器原理、优缺点及应用


半导体制冷器的发展史:半导体制冷器最早出现于1960年左右,其理论基础可追溯到19世纪。这现象最早是在1821年,由一位德国科学家ThomasSeeback首先发现,不过他当时做了错误的推论,并没有领悟到背后真正的科学原理。


到了1834年,一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家JeanPeltier,才发现背后真正的原因,这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用,也就是[致冷器]的发明(注意,这时叫致冷器,还不叫半导体致冷器)。

半导体制冷技术概述:半导体制冷器原理、优缺点及应用

一、半导体制冷器原理


1、半导体制冷的物理基础


半导体制冷又称为热电制冷(Thermoelectric cooler)或温差电制冷。当直流电流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,这就是所谓的热电致冷,由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性,因此,热电制冷又称为半导体制冷。半导体制冷是基于帕尔贴效应、塞贝克效应、焦尔效应、汤姆逊效应和傅里叶效应五种效应建立起来的新型制冷技术。


(1)帕尔贴效应


当电流通过由不同材料导体组成的回路时,在导体的连接处,会发生吸热和放热现象。这时吸收和放出的热量就是帕尔贴热。回路的一端为吸热,而另一端为放热。


(2)塞贝克效应


将两种不同的材料和温度的导体相连接并组成回路时,这个回路之中就会产生电流,这就叫做塞贝克效应,这与帕尔贴效应是相逆的。


(3)焦尔效应


焦尔效应是指当通过电流时,金属导体内部的热量与通过金属导体的电流平方成正比。


(4)汤姆逊效应


当不同金属材料组成的闭合回路接入电流时,不仅会有赛贝尔效应和帕尔帖效应,还会产生一种汤姆逊效应,产生的热为汤姆逊热。


(5)傅里叶效应


在金属材料中,沿着某固定方向的热传导过程叫做傅里叶效应,热传导是不可逆的,且垂直方向的面积与垂直方向上温度差的乘积成正比。


2、半导体制冷原理


半导体制冷就是帕尔贴效应在半导体材料上的成功应用,半导体有 N型半导体和P 型半导体之分,N型半导体含有多余的电子,因此含有负温差电势,而 P型半导体中电子不足,有多余的空穴,因此含有正的温差电势,把一只 N型半导体元件和一只 P型半导体元件联结成为一个热电偶,形成一个P-N结,当有直流电通过这个P-N结时,由于温差电势的存在,就会产生能量的转移,也就是在结点处,会和外界环境进行能量的交换。如图1所示:

半导体制冷技术概述:半导体制冷器原理、优缺点及应用

图1:半导体制冷器工作原理


从微观来看,当图1接通电路的直流电源后,在冷端接头处,电流方向是N→P,P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子做离开接头的背向运动在接头处,这种运动使P型半导体中的部分电子变成了自由电子,同时在P型半导体中留下了相应的空穴,电子与空穴是同时存在的。新产生的自由电子会通过金属的接触点进入到N型半导体中,此时的自由电子与金属接触点的电位差方向是相反的。电子会通过金属接头时放出能量,需要注意的是,产生的自由电子和空穴对所吸收的能量比他们通过接口所放出的能量要大很多,因此这处接头就为热端。同样如此,N型半导体内也会产生自由电子和空穴对,此时,N型半导体内新产生的空穴会通过金属接着进入到P型半导体内部,电子也会在金属接头产生能量,而此时吸收的能量也远远大于电子经过金属接头时放出的能量,此处接头就变为冷端向外界吸热。也就是说半导体制冷器同时存在热端和冷端,而我们在使用时,常常只用到冷端。

半导体制冷技术概述:半导体制冷器原理、优缺点及应用

二、半导体制冷器的优缺点


1、半导体制冷器的优点


(1)半导体制冷器在制冷时并不需要氟利昂之类的制冷剂,就可以连续工作,因此是一种非常环保的制冷技术;


(2)半导体制冷器是基于半导体技术的制冷技术,内部没有旋转器件,避免了噪音、震动,使用方便,安装便捷,维修方便;


(3)半导体制冷片工作时,制冷和加热是同时存在的,虽然制冷效率不算,但是,制冷和加热分立开来,非常适用于需要同时加热和制冷的应用场合;


(4)半导体制冷片的制冷控制方式是电流控制,可以实现高精度的温度控制,加个适当的温度测量单元和控制芯片,便可以很容易实现高精度温度测量和控制系统;


(5)通常半导体制冷器的尺寸较小,因此,制冷和制热的响应速度非常快,在通常情况下,通过几十秒,制冷片的热端和冷端就能达到最大温差;


(6)半导体制冷器的单级制冷单元的功率不大,不仅适用于对功率要求不大的场合,如果把许多个制冷单元进行组合形成制冷系统,那么制冷功率是很大的,功率可以达到上万瓦,因此制冷的范围很广。


2、半导体制冷器的缺点:


(1)半导体制冷器的制冷效率较低;


(2)通常只能使用直流电源对半导体制冷器进行控制;


(3)半导体制冷片的元件采用高纯稀有材料,再加上工艺条件尚未十分成熟,导致元件成本比较高。


三、半导体制冷器应用


目前半导体制冷器在很多领域都得到了广泛的应用:


1、可以电脑散热,两个水冷头和两块半导体制冷片来个合影,两块半导体制冷片通过导热铜块给CPU冷却,水冷头则给半导体制冷片的热端降温,从而达到把CPU温度控制在室温甚至零度以下的目的;


2、比如在工业方面,使用热电制冷技术检测冷块作为零度基准点;


3、在医疗卫生方面,运用半导体制冷技术可对病人进行全身或者局部快速的降温,对外科手术中进行冰冻麻醉;


4、在军事领域,半导体制冷器可以用于冷却导弹装置中产生的热量;


5、在气象领域,半导体制冷器也用于露点仪测量露点时把周围空气的降温。


以上就是贤集网小编为您详细讲解的半导体制冷器原理、优缺点及应用的全部内容,半导体制冷器对人类的发展贡献巨大,随着技术的进步,半导体制冷器各方面性能也在提升。相信您看完本文后一定对半导体制冷器有了更全面的了解,如果您有什么疑问或建议欢迎留言评论。

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