跟 辛 } 我 学 电子
半 导体制 冷 技 术 及 应 用
・
周兴 华
・
半 导 体 制冷 又 称 温 差 制冷或热 电制冷
纪 5 0 年代 末 发 展 起来后
,
这 项 技术 自 2 世 0 因 其具有独特 的优点 而 得 到 了 较 广
, 、 、
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
。
泛 的应 用
。
在 发达 国家 它 已 用 于 汽 车 (或 手 提式 ) 冰箱 白 内
,
、 、
、
图
3
,
为一级制
越经
P
老盆 盆
n
障冷冻摘 除器 核 潜艇 空 调 器 红 外制 导 空 对空 导 弹 的 红外 探
测器探头冷 却 器 照 相显 影 液恒 温 冷 却器 宇航 员 及 坦 克乘 员 的 空调 服 等 方 面 我 国 在 2 世 纪 6 年 代 开 始对 半导 体 制冷进 0 0
。
冷单元
。
由一 个
n
P
型
臂 和一 个
型 臂构
,
行 了 研 究 并 生 产 出 性能 良好 的半导 体 制冷材料 随着我 国经 济 的高速发展 许 多领 域有 待 于 用半 导体 制冷技术 去 进 一 步
, ,
。
成 图 4 为二 级并联 供 电制冷 单 元 第 二 级产生的热 量 由第 一级
,
开拓
。
本 文 介 绍 半导 体 制冷技 术 的原 理 特 点及 主 要 应 用
、
。
半 导 体 制 冷 技术 的 工 作 原 理 和 特 点
年 法 国科 学家帕尔帖发现 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
, ,
吸收
。
这种结
一
¼
贾
P
构 适用 于 热 负
1834
,
载较小的场 合 图 5 为二
。
还
并联 供 电的二级 制冷单元
视 电 流方 向而 定 ) 这 种现 象 被称为帕尔帖效 应 (见 图
,
l)
。
半导
材料
体 制 冷是 帕 尔 帖 效
应 在 工 程 技术 上 的
级串联供 电制 冷单元 第 一
,
具 体 应 用 可 供制 冷 用 的 半 导 体材 料 有 很 多
Z n sb
。
、 ,
。
级 通 过 电绝 缘 的导 热板 与第
二 级 冷端 相 连
申联 供电 的二级制冷 单元
如
、
P
T b
e
、
接
。
这种结构
。
, ,
S IG e
A g sb T e
z
的第 二级制 冷 量 较大
取决 于 电流
l
的 方向 z z
等 衡 量半导 体 材料
,
个 主 要 参 数 为优 值 系 数
中
。
为 温差 电动势
,
,
k
制冷 效 率高 低 的 一 = 越大 则效率 越 高 z a Z / k p 式 为热导 率 p 为 电阻 率 目前研 究 使 用 最
, 。
,
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
。
半 导 体制 冷 技术 具 有 以
下特点
:
红 外探测 器
,
。
Z 多 的半 导 体材料是 P B i 介 S b T 元合 金 它们 具 有较好 的优 值 系数
一
Z ,
・
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N
一
B iZ T e 3
・
B iZ s e
。
准三
x
(l 利 )
PN
。
P
型 半 导 体 材料 的优 值 系
z
用 特 种半 导 体 材料 组 成
,
> n 3 ’ k 0 1 如要 使 半导 体 制冷
的经 济 性 达 到与 机械 压 缩 式 制冷 3 o 相 当 的水平 则 优值 系数 须达到 1 x l k 当前 世界各 国
数
.
z p>
3 5
。
x
o l
一
3
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一
‘,
n
型 半 导 体 材 料 的 优 值 系数
一’ 一
一
一
‘
,
’。
,
结进行制冷 (或 制热 ) 体 积 小
重量 轻
、
、
热电 元件
l
、
卜 ; 盆瑟互 互 蔑
P 皿 【
都 投人 了 相 当 大 的人 力财力致 力 于 开 发新 型 制冷材料
展 缓慢
。
,
但进
,
寿命
。
\\
粤
长
。
、
无 噪音
义 茎
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管 贯筐 筐
P
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女 双改协、以S 弓 女
图 2 示 出 了 半 导 体 制冷 模 型 的原理
于 帕 尔帖效 应 热 量 由 T 转 向 T c h
,
在电流 的作 用 下 由
, , ,
(2 ) 动
、
无机械运
,
,
。 使 T 温 度 降低 成为冷端
Th
温 度升 高 成为热 端
,
。
借 助 于 散热 器 等各种 传 热 手 段 使 热
洲
制冷迅 速 便 于 组 成各 种
、
电源
。
¾
,
{/
/
吸热
\\{
冷端 ;
一 ) 结构 形状的 制冷器 (3 制冷 量 可 在 m w 级 k w 级变化 制 一 巧0 ℃ 范 围 ( 4 由于 无气 体 工 质 不会 污 染环 ) 冷 温 差 可达 2 0
。 ,
境 是 一 种 真 正 的绿色 制冷 器 (5 用 于 制冷 时 其效率较低 )
, , , 。 ,
。
。
铜连 接片
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 的 (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
,
。
半 导 体 制 冷技 术的 应 用
放热
\
弓
热端 飞
使 用 半 导体制冷设备 时 既要 考 虑 其 最 大制冷 量 又 要 考
, ,
虑其 最 大制冷效 率 半 导 体制冷设备在 最 大制冷量 下 工 作 可
。
,
获得 最大 的 降 温 但耗 电大 ; 在最 大制冷效率 下工 作 其效 率
,
,
卫
电 子 世 界
诊
。。 ・。R L・ 2 。 ・ ・ 9
一
跟 我学 电子
! 决
,
・
光 打 板
诸 赞仁
・
L ) 液晶显示器 ( C D 的最 大优 点是 耗 电极少 因 此应 用 于大 多数便 携 式 电子产 品 中 但 L D 有 一个 缺点 就是在黑 暗 的环 C
,
光效应
更均匀
。
。
,
。
有 机玻 璃顶部 做成 微 珠粒状 可 使 整 个 发 光 面 的 光线 有机玻璃 的顶部有 一 层 乳 白色透 明 塑料膜 1 可使 发
,
,
发 光二极 管 ( D 背 光灯板 是 与 扰 D 显 比) 示 配套 的 它可 以 发 出柔 和 的 亮 光在 夜 间 照亮 L C D 显示器 LE D 背光灯 板 的形 状与 尺 寸 因 L D 显示 板 的形 状 及 尺 寸 C
境中不 能 进 行 显示
,
。
出的 光更 为柔 和
,
。
背光灯板 两 侧边 用 银色遮光胶带 3 封住
。 。
。
。
两排 L D 的电 路 图 如图 l (d 所示 每 一 列有 两个 串联 的 ) E 二极 管 若 干 列组成 L D 阵列 ( 背光灯 板
的长度而定 ) 印制 视 E 板右 端 凸 出处为 引线部分 2 底 部发 光 结 构
,
不同而 各 异 现 D 背光灯板 基本 上 是长方 形或长 条 形 的 它有 侧 部 发光及 底部发光两 种 基 本 结构 侧部 发光 的 结构 主 要 用 于 狭 长 条 形的 背光灯板 (一 般 长度大 于 2 倍 的 宽度 ) ; 而 底部发
。 。 。
A
为正极
,
K
为 负极
。
底部发光结构 的背 光 灯板外形 图如 图 2 ( 所 示 ) a
层乳 白色半透 明膜 后 的 内部结构如 图 ( ) b e d 图 2 ( )所 示 电路 图如 图 2 ( )所示
, 。
,
去掉 上
光 结构 主 要用 于 长度 与宽度 相 差 不多的背光灯板 1 侧 部发 光 结构
.
。
2
所示
,
其横剖 面 如
侧部发光的 L E D 背光灯板 的外形如 图 1 ( 所 示 其横 剖 ) a 。 面 如 图 1 ( 所 示 图 1 ( )是 底 部 的 印制 板 在 印制板上焊 了 两 ) b
, , ,
排 比 D 管芯 图 1 ( 为其 电路 图 发光 二 极 管点亮时 光线射 ) d
,
,
。
人透 明有机玻 璃
2
,
使整 个 发光 面 都 可 以 看 到 亮光
l一
,
这 称 为边
; ’j 赫 : : ::狡
1一
3一 LE D
乳 白色 半透明膜
乳白色半 透明 膜 管芯 今 框
( )
e
冬 导 光胶 冬 印制板
2 透明有 翻 璃 减 倾部有微 粒状 ) 3 一 银 色遮光 胶带 4 L E D 管芯
5一
L ED
印制板
0
0 0 0 0
管芯 阵列
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0
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’
‘
’
“
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・ ・
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图
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与图
1
在结构上 的差 别 是 焊 接 在 印制板
,
上 的发光
印制板
¹
二极 管管 芯 匀 分布
。
3 直 接 向发光 面 发 射 光线
。
并有 导 光胶
使光 线均
其 它部 分 相 同
当然 最 高
。
一 般 半 导 体制冷设备 到 底 在最 大 制冷 量 下 工 作 还
, 。
度
.
,
包 含 散 热器 及 风 扇在 内的 整 个 冷却器 的 重 量 只 有
。
是 在 最 大制 冷 效率 下工 作 视 使 用要 求 而定
。
例如 家 用 冰箱
,
0 7 5 kg
应在最大 制 冷 效率 下 工 作 ; 而 医 学 冷冻设 备 应在最大制 冷 量 下工作 图 6 为 国外将 半 导 体 制冷技术 用 于红 外制 导 的 空 对 空 导
图 t R
Z
7
为一种半 导 体 制冷小冰箱 ( 5 升 ) 的温 控 电路
,
。
t R
l
、
t 为热敏 电 阻 R
,
l
置 于 散热器 内 R t
, ,
Z
。
置 于冷 藏 室 内
。
、 A l AZ
构成 两 个具有 回 差 特 性 的电压 比 较器
AZ vT I
,
冷藏 室温 度 高 于 设 定
,
,
弹 红 外 探测器
探头冷 却器
一
8 7 ℃ 的 温度
。
它使用 三级 半 导 体制冷器 可 得到 一 5 如 使 用 四 级 制冷 单 元 则 可 得到 9 ℃ 的温
,
。
,
值时 输 出低电平 截 止 K 常闭触 点保持 接 通 冰箱 0 制冷 ; 冷 藏 室 温 度到 达设 定 值后 A Z 输 出 高 电平 V I 导通 冰 T
1
,
,
箱停 止 制冷
。
A l
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,
l
用
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鉴
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于 检 测 散热 器温 度 散 热
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输 出低 电平
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,
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进
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.
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,
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时
,
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,
输 出高 电平
,
,
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“
‘
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。
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,
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塑 1 洗
¿
以下
A l
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才 允许 冰 *
箱进行制冷
电子 世 界
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。
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,
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、
。
半 导 体 制 冷 技术 的 工 作 原 理 和 特 点
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, ,
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,
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。
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材料
体 制 冷是 帕 尔 帖 效
应 在 工 程 技术 上 的
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,
具 体 应 用 可 供制 冷 用 的 半 导 体材 料 有 很 多
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。
、 ,
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。
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,
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, , ,
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,
,
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,
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、
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。
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,
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。 ,
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, , , 。 ,
。
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。 ,
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。
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, ,
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,
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,
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。
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,
不同而 各 异 现 D 背光灯板 基本 上 是长方 形或长 条 形 的 它有 侧 部 发光及 底部发光两 种 基 本 结构 侧部 发光 的 结构 主 要 用 于 狭 长 条 形的 背光灯板 (一 般 长度大 于 2 倍 的 宽度 ) ; 而 底部发
。 。 。
A
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,
K
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。
底部发光结构 的背 光 灯板外形 图如 图 2 ( 所 示 ) a
层乳 白色半透 明膜 后 的 内部结构如 图 ( ) b e d 图 2 ( )所 示 电路 图如 图 2 ( )所示
, 。
,
去掉 上
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.
。
2
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,
其横剖 面 如
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。
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。
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。
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。
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,
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,
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