半导体制冷设计与应用

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1、I刻厶砂丈琴（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM《物理演示实验》结课论文半导体制冷设计与应用学生姓名:学号:专业班级:2013年5月29日半导体制冷设计与应用摘要：介绍了半导体制冷技术的原理及其在工程上的应用，分析了该技术的优势和发展前景，并指出了半导体制冷技术存在的问题。关键字：半导体；制冷；原理；应用；优势；问题引言:半导体制冷作为一种新兴发展起來的制冷技术，是一种具有良好前景的制冷方式。半导体制冷器件是一种利用珀尔帖效应，在冷端吸收热量，产生制冷效果，同时在热端排出大量热量的高热流密度器件。与传统

2、制冷技术相比，半导体制冷器具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等独特优点，符合绿色环保要求，因此，对国民经济的町持续发展具有重要的战略意义。但由于其效率比较低，再加上加工制造工艺比较复杂，在很人程度上限制了半导体制冷的推广和应用。本文系统地介绍了半导体制冷技术的基本原理，结合半导体制冷技术的优势，介绍了半导体制冷技术的T程应用，并分析指出了半导体制冷技术存在的问题和发展趋势。1半导体制冷原理半导体制冷是利用半导体材料组成P—N结，通过两端

3、施加的直流电进行制冷，将电能直接转化为热能的技术。半导体制冷工作原理如图1所示，把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件连接成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移。在上端处，电流方向是N-P,温度下降并吸热，这就是冷端；而在下端处，电流方向是P-N,温度上升并放热，这就是热端。冷端门金属导流条丿热端“陶瓷基板心图1半导体制冷工作原理图2半导体制冷优势半导体制冷黠结构简单，尺寸小，整个制冷器由热电堆和导线组成，无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂,对环境没有污

4、染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作屯压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；热电堆可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，乂可供热，而这只需改变电流的方向；制冷量可在I】】W级到kW级变化，制冷温差可达20°C至150°C范

5、韦

6、。3半导体制冷的应用3.1半导体制冷在物理实验中的应用。3.11半导体制冷型恒温量热器。在热学实验中，温度的控制和测量是一项必不可少的实验环节，但是这个实验环节又是难以控制的，以前教学屮使用的量热器（或保温杯）由于保温性

7、能羞、重复性不好等缺点，造成实验效果不好。而半导体制冷不仅不需要任何制冷剂，没有污染源和机械振动，易于温度控制，而且使用1个器件就可以代替分立的加热和制冷系统，优势是其他任何制冷方式无法比拟的，借助这一优势，可以制成恒温量热器。3.12半导体热电特性实验。半导体材料的热电特性在泊尔帖效应上表现得非常显著，而其电压-温度特性常被用来制作温度传感器。借助于半导体材料的这些特点，设计一些热电特性综合实验，不仅使学生对半导体材料的热电特性有全面了解，而且在实验中半导体既可以作为被测材料，乂可提供实验条件，同时也可与计算机结合，实时采集

8、温度数据。实验不但内容丰富，而月.启发学生思维，是一类很好的综合性和设计性实验项冃。3.2半导体制冷在化工上的应用。3.21用于某些工艺过程制冷。目前化工上的低温获取方法大多是压缩机制冷，这种制冷方法具有噪声大、震动大、质量和尺寸大、安装检修不方便、易成环境污染等缺点。如果采用半导体制冷技术，这些问题都能解决，而且最新的半导体制冷技术的制冷效率甚至高于压缩机制冷，因此还有利于节能。其次，使用半导体技术还有利于温度的精确控制。3・22用于蒸发过程。用于蒸发过程，回收蒸发时产生的二次蒸汽的潜热。加热蒸汽由从加热室出来的冷凝水在半导

9、体制冷片的热端被加热气化产生，二次蒸汽则与半导体制冷片的冷端接触而冷凝，此过程尤其适合于以冋收溶剂为冃的的蒸发过程，将能在一定程度上降低能耗，减小设备体积。3.23用于精懾过程。将再沸器与冷凝器的进行集成，塔顶蒸汽与塔底液体通过半导体制冷片隔开，塔顶蒸汽与半导体制冷片的冷端接触，在此被冷凝为液体；塔底液体与半导体制冷片的热端接触，在此部分气化。此过程如果实现，不仅能够减小设备的休积和投入，而且还能够降低精谓过程的能耗。3.3半导体制冷在其他领域的应用。半导体制冷也在医疗卫生、军事等很多方而得到了广泛的应用。比如在医疗卫生上，它

10、可以对高烧病人进行局部或全身快速降温，外科手术中实施冷冻麻醉等。在军事上，它可应用于导弹、雷达装置中的红外探测器的冷却等。在我们的n常生活中，半导体制冷可用于冰箱、空调，也可以给的电脑CPU散热。在电子设备的散热方面，半导体制冷也有着广泛的应用，对温度反映敏感、使用条件严格的