半导体制冷试验仪

一、实验目的

1. 了解帕尔帖效应和半导体制冷原理；
2. 学习半导体制冷特性和应用，计算半导体制冷系统制冷系数；
3. 演示验证帕尔帖效应。

二、实验设备

THQBZ-1型半导体制冷试验仪。

三、实验原理

1. 帕尔帖效应
1834年，法国科学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。
当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，具体视电流方向而定，这种热电致冷和致热现象被称为帕尔帖效应。
由帕尔贴效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号QP表示。吸热或放热量由电流的大小来决定。
                 QP=aTcI                             (1)
式（1）中，QP为吸热或放热功率，a为温差电动势率；Tc为冷结点处的温度，单位为K；I为流经导体的工作电流。
对帕尔帖效应的物理解释是：点和载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
材料的帕尔帖效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔帖系数π表示，帕尔帖系数π与温差电动势率a之间存在下述关系
                 π=aTc                               (2)
对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔帖系数πPN为
                  πPN=πP-πN                            (3)
2. 半导体制冷原理
半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是利用电热效应的一种制冷方法
半导体制冷的基本原理是帕尔帖效应，半导体制冷时帕尔帖效应在工程技术上的具体应用。
 
图1 半导体制冷原理示意图
半导体制冷的原理如图1所示。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型穿过节点至n型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于节点消耗的能量，相反，当电子从n型流至p型材料时，结点的温度就会升高。把一只n型半导体元件和一只p型半导体元件连结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。上面的一个接头处，电流方向是n→p，温度下降并且吸热，为冷端。而下面的一个接头处，电流方向为p→n，温度上升并且放热，为热端。在电流的作用下，由于帕尔帖效应，热量由Tc转向Th，使Tc温度降低，成为冷端，Th温度升高，为热端。借助于散热器等各种传热手段，是热端的热量不断散发，将冷端 置于工作室中去吸热降温，即形成制冷。
半导体制冷模型示意图如图2所示。按图示接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助热交换器等传热手段，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工作原理。
 
图2 半导体制冷模型示意图
半导体制冷材料是对特殊半导体材料了，通过掺入杂质改变其温差电动势率、导电率和热导率，使其满足致冷要求的材料。温差电致冷组件就是由这种特殊的P型和N型半导体制成的。
可供制冷用的半导体材料有很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTez等。衡量半导体材料制冷效率高低的一个主要参数为优值系数Z，Z越大，则效率越高。
                                               (4)
式（4）中a为温差电动势，k为热导率，为电阻率。
3. 半导体制冷片
半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器-半导体制冷片。半导体制冷片包含多组PN结，用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线起导电的作用，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。如果电流方向相反，那么结点处的冷热作用互易。如图3所示是一个半导体制冷片的典型结构，由很多N型和P型半极体之颗粒互相排列而成，而P、N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，最后用两片陶瓷片象汉堡包一样夹起来。
 
图3 半导体制冷片结构
半导体内部结构如图4所示
 
图4 半导体制冷片内部结构图
半导体制冷片的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。在实际应用中，当一级制冷不能达到所需的工作温度时，可用二级或多级制冷进行工作。
4. 半导体制冷制热系统（热泵系统）
冷、热端温差对半导体制冷的效率有很大的影响，通过强化热端散热方法能使半导体制冷系统性能得到很大的改善。只有半导体制冷片热端的热量被持续源源不断地散发出去，才能使冷端不断冷却而始终保持良好的制冷效果，冷端才能保持在一个相对的恒温状态。另外，半导体制冷片本身也有一定的正常工作温度，如果半导体制冷片热端没有良好的散热而超出了热度承受极限，就会烧毁损坏。所以，半导体制冷片的热端一定要加装散热系统，保持良好的散热效果。利用半导体制冷片的制冷原理，可以使半导体制冷片工作在热泵状态，构成半导体制冷制热系统，如图5所示。
 
图5 半导体制冷片作为热泵构成制冷制热系统实验结构图
1.传热铝板，2.半导体制冷片（帕尔帖），3.散热铜片，5.风扇，
6.PID智能温度调节器。
在图5中，半导体制冷片（帕尔帖）、传热铝板、散热铜片、风扇组、成热泵系统。制冷片冷端与传热铝板、热端与散热铜片均用导热硅脂良好接触，表面平整，在半导体制冷片正负极之间加0～14V直流电，冷热端出现温差，热量不断地通过晶格能的传递，从冷端移送到热端，制冷片冷端（上表面传热铝板）制冷，热端（下表面散热铜板）制热。散热铜板的热量传给散热铜片，散热铜片下方的风扇降温，将热量散发到空气当中，热量源源不断从冷端传送到热端，传送铝板温度不断降低，用温度传感器热电阻Pt100测温，温度可以达到零下。
改变制冷片正负极间直流电极性，制冷片冷端制热，热端制冷。改变制冷片正负极间直流电大小，可以通过测量冷热端温度，研究热泵系统制冷效果与通直流电大小关系。半导体制冷片在温度较高的环境下如果冷端温度过低，空气中的水蒸气就会在其表面凝结成为水滴，出现结露现象。在冷端传热铝板中加水，可以观察到结冰现象。只要热端能量有效的散发掉，则冷端就不断的被冷却，制冷片的制冷效果就很好。此热泵系统可以长时间可靠运行。
5. 半导体制冷技术的应用与特点
使用半导体制冷系统时，既要考虑其制冷量，又要考虑其制冷率。半导体制冷系统在制冷量下工作，耗电量，理论上可获得的降温；在制冷效率下工作，其效率当然，理论上可获得的温度。一般半导体制冷系统到底在制冷量下工作，还是在制冷效率下工作，视使用要求而定。
半导体制冷应用成功的关键是散热，当通过以一定电压的直流电时，芯片就会一端制热，一端制冷。制冷片制冷端向空间吸收热量，制热端通过散热器将从制冷端吸收的热量散发到空间。由于散发到空间的热量除从制冷端吸收的外，还有半导体自身的电阻效应等，所以热功率大于电功率。输入电流太小，热电堆制冷率不够；输入电流太大，焦耳热增加，制冷效果反而不好。要达到理想的制冷效果，除热端有良好的散热条件，使两端的热量及时传递外，还要选用合适的输入电压电流。
半导体制冷技术具有以下特点：
（1）利用特种半导体材料组成PN结进行制冷（或制热），体积小、重量轻，改变直流电源的极性，可实现制冷和制热两种功能，而且还能反向使用即温差发电。
（2）高可靠性，无机械运动、制冷迅速，便于组成各种结构、形状的制冷器，寿命大于二十万小时。
（3）制冷量可在mW级～kW级变化，制冷温差可达20～150℃范围。
（4）由于无气体工质，工作时不产生噪音，不会污染环境，是一种真正的绿色制冷器。
（5）用于制冷时，其效率较低。但用于制热时，其效率相当高。因此综合起来评估时，其效率还是较高。
（6）目前成本较高，但随着技术的发展及生产工艺的改进，成本会进一步下降。

四、实验内容与步骤

1、半导体制冷特性测试实验
（1）将实验仪后面板电源开光打到开，实验仪上电。
（2）将半导体制冷片工作方式切换到热泵,将制冷片输入电压极性切换到正，此时半导体制冷片工作在热泵制冷状态。
（3）将直流数字电压表电压显示切换到输入电压，并根据输入电压大小通过琴键选择合适的量程。
（4）调节制冷片输入电压调节电位器，改变输入电压大小，当输入电压为某一值时，，经过一段时间制冷，半导体制冷系统稳定在某一制冷状态。
（5）实验过程中可以用手小心触摸传热铝板、散热铜板、感觉冷热端温度变化。
（6）记录输入电压为1V、2V、3V、···、14V时稳态时输入电流大小和方向；将PID智能温度调节器功能选择控温，测半导体制冷片上表面（冷端）温度，选择测温，测下表面（热端）温度，记录稳态时冷端温度TC、热端温度TH。
2.半导体制冷结露、结冰现象演示实验
（1）调节制冷片输入电压调节电位器，使输入电压大小为实验1中半导体制冷片冷端温度时的输入电压值，经过一段时间制冷，观察冷端结露现象。用注射器在冷端传热铝板中加适量水，观察结冰现象。
（2）将半导体制冷片工作方式切换到热机或将输入电压调到0，半导体制冷片迅速停止制冷，冷端温度上升，热端温度下降，传热铝板中冰块融化，将传热铝板上的水清理干净。
3.半导体制冷特性测试实验
半导体制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压，冷热交换时必须待两端面恢复到室温时，一般须在5分钟之后方可进行，否则有可能损坏半导体制冷片。
半导体制冷片在正常工作情况下，热端（含改变电流方向冷端变成热端）的温度必须低于80℃。否则由于热端温度太高有可能损坏半导体制冷片。

五、实验数据

1.半导体制冷片负载特性测试实验
用万用表测试半导体制冷片静态电阻，不准确，只可供参考。可以通过实验测试半导体制冷片负载特性，将实验内容与步骤1中稳态时输入电流大小和方向记录在表1，用作图法作半导体制冷片U-I负载特性曲线。
表1半导体制冷片负载特性测试记录表

输入电压U（V）	1.00	2.00	3.00	4.00	···	11.00	12.00	13.00	14.00
输入电流I（A)

2.半导体制冷特性测试实验
将实验内容与步骤1中输入电压为1V、2V、3V、···、14V时稳态时输入电流I（A)大小和方向、冷端温度Tc、热端温度、温差记录在表2中，用作图法作半导体制冷-U、、特性曲线，研究半导体制冷与输入电压（电流）关系，找出冷端温度输入电压（电流）、温差电压（电流）。
表2半导体制冷特性测试记录表

输入电压U(V)	1.00	2.00	3.00	4.00	···	11.00	12.00	13.00	14.00
输入电流I（A）
冷端温度Tc（℃）
热端温度TH（℃）
温差ΔT（℃）

3.半导体制冷制冷系数测试实验
热泵的制冷系数只取决于系统的冷热端温度。
                         （5）
式（5）中Tc、单位用K表示。
根据表2中记录实验数据，计算热泵的制冷系数。
4.半导体制热特性测试实验
将实验内容与步骤3中输入电压为-1V、-2V、-3V、···时稳态时输入电流I(A)大小和方向、冷端温度Tc、热端温度TH、温差ΔT记录在表3中,用作图法作半导体制热-U、、特性曲线，研究半导体制热与输入电压（电流）关系，分析半导体制冷制热系统应用中的影响因素。
表3半导体制冷特性测试记录表

输入电压U(V)	-1.00	-2.00	-3.00	-4.00	-5.00	-6.00
输入电流I（A）
冷端温度Tc（℃）
热端温度TH（℃）
温差ΔT（℃）