半導體制冷試驗儀
半導體制冷試驗儀
一、實驗目的
1. 了解帕爾帖效應和半導體制冷原理；2. 學習半導體制冷特性和應用，計算半導體制冷系統制冷系數；
3. 演示驗證帕爾帖效應。
二、實驗設備
THQBZ-1型半導體制冷試驗儀。三、實驗原理
1. 帕爾帖效應1834年，法國科學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發生了吸放熱現象。
當直流電通過兩種不同導電材料構成的回路時，結點上將產生吸熱或放熱現象，具體視電流方向而定，這種熱電致冷和致熱現象被稱為帕爾帖效應。
由帕爾貼效應產生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號QP表示。吸熱或放熱量由電流的大小來決定。
QP=aTcI (1)
式（1）中，QP為吸熱或放熱功率，a為溫差電動勢率；Tc為冷結點處的溫度，單位為K；I為流經導體的工作電流。
對帕爾帖效應的物理解釋是：點和載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。
材料的帕爾帖效應強弱用它相對于某參考材料的帕爾帖系數π表示，帕爾帖系數π與溫差電動勢率a之間存在下述關系
π=aTc (2)
對于P型半導體和N型半導體組成的電偶，其帕爾帖系數πPN為
πPN=πP-πN (3)
2. 半導體制冷原理
半導體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，它是利用電熱效應的一種制冷方法
半導體制冷的基本原理是帕爾帖效應，半導體制冷時帕爾帖效應在工程技術上的具體應用。
圖1 半導體制冷原理示意圖
半導體制冷的原理如圖1所示。n型材料有多余的電子，有負溫差電勢；p型材料電子不足，有正溫差電勢。當電子從p型穿過節點至n型時，其能量必然增加，而且增加的能量相當于節點消耗的能量，相反，當電子從n型流至p型材料時，結點的溫度就會升高。把一只n型半導體元件和一只p型半導體元件連結成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。上面的一個接頭處，電流方向是n→p，溫度下降并且吸熱，為冷端。而下面的一個接頭處，電流方向為p→n，溫度上升并且放熱，為熱端。在電流的作用下，由于帕爾帖效應，熱量由Tc轉向Th，使Tc溫度降低，成為冷端，Th溫度升高，為熱端。借助于散熱器等各種傳熱手段，是熱端的熱量不斷散發，將冷端 置于工作室中去吸熱降溫，即形成制冷。
半導體制冷模型示意圖如圖2所示。按圖示接上直流電源后，這個熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是半導體制冷的工作原理。
圖2 半導體制冷模型示意圖
半導體制冷材料是對特殊半導體材料了，通過摻入雜質改變其溫差電動勢率、導電率和熱導率，使其滿足致冷要求的材料。溫差電致冷組件就是由這種特殊的P型和N型半導體制成的。
可供制冷用的半導體材料有很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTez等。衡量半導體材料制冷效率高低的一個主要參數為優值系數Z，Z越大，則效率越高。
(4)式（4）中a為溫差電動勢，k為熱導率，
為電阻率。3. 半導體制冷片
半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電制冷器-半導體制冷片。半導體制冷片包含多組PN結，用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線起導電的作用，采用陶瓷封裝制成，側面引出兩條導線，加上電壓后，當電流由半導體PN結的N型半導體流向P型半導體時，形成電子空穴對而吸收熱量，相反，電子空穴對結合而釋放熱量。如果電流方向相反，那么結點處的冷熱作用互易。如圖3所示是一個半導體制冷片的典型結構，由很多N型和P型半極體之顆?；ハ嗯帕卸?，而P、N之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最后用兩片陶瓷片象漢堡包一樣夾起來。
圖3 半導體制冷片結構
半導體內部結構如圖4所示
圖4 半導體制冷片內部結構圖
半導體制冷片的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大制冷量使用。但由于它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領域或有特殊要求的用冷場所。在實際應用中，當一級制冷不能達到所需的工作溫度時，可用二級或多級制冷進行工作。
4. 半導體制冷制熱系統（熱泵系統）
冷、熱端溫差對半導體制冷的效率有很大的影響，通過強化熱端散熱方法能使半導體制冷系統性能得到很大的改善。只有半導體制冷片熱端的熱量被持續源源不斷地散發出去，才能使冷端不斷冷卻而始終保持良好的制冷效果，冷端才能保持在一個相對的恒溫狀態。另外，半導體制冷片本身也有一定的正常工作溫度，如果半導體制冷片熱端沒有良好的散熱而超出了熱度承受極限，就會燒毀損壞。所以，半導體制冷片的熱端一定要加裝散熱系統，保持良好的散熱效果。利用半導體制冷片的制冷原理，可以使半導體制冷片工作在熱泵狀態，構成半導體制冷制熱系統，如圖5所示。
圖5 半導體制冷片作為熱泵構成制冷制熱系統實驗結構圖
1.傳熱鋁板，2.半導體制冷片（帕爾帖），3.散熱銅片，5.風扇，
6.PID智能溫度調節器。
在圖5中，半導體制冷片（帕爾帖）、傳熱鋁板、散熱銅片、風扇組、成熱泵系統。制冷片冷端與傳熱鋁板、熱端與散熱銅片均用導熱硅脂良好接觸，表面平整，在半導體制冷片正負極之間加0～14V直流電，冷熱端出現溫差，熱量不斷地通過晶格能的傳遞，從冷端移送到熱端，制冷片冷端（上表面傳熱鋁板）制冷，熱端（下表面散熱銅板）制熱。散熱銅板的熱量傳給散熱銅片，散熱銅片下方的風扇降溫，將熱量散發到空氣當中，熱量源源不斷從冷端傳送到熱端，傳送鋁板溫度不斷降低，用溫度傳感器熱電阻Pt100測溫，溫度可以達到零下。
改變制冷片正負極間直流電極性，制冷片冷端制熱，熱端制冷。改變制冷片正負極間直流電大小，可以通過測量冷熱端溫度，研究熱泵系統制冷效果與通直流電大小關系。半導體制冷片在溫度較高的環境下如果冷端溫度過低，空氣中的水蒸氣就會在其表面凝結成為水滴，出現結露現象。在冷端傳熱鋁板中加水，可以觀察到結冰現象。只要熱端能量有效的散發掉，則冷端就不斷的被冷卻，制冷片的制冷效果就很好。此熱泵系統可以長時間可靠運行。
5. 半導體制冷技術的應用與特點
使用半導體制冷系統時，既要考慮其制冷量，又要考慮其制冷率。半導體制冷系統在制冷量下工作，耗電量，理論上可獲得的降溫；在制冷效率下工作，其效率當然，理論上可獲得的溫度。一般半導體制冷系統到底在制冷量下工作，還是在制冷效率下工作，視使用要求而定。
半導體制冷應用成功的關鍵是散熱，當通過以一定電壓的直流電時，芯片就會一端制熱，一端制冷。制冷片制冷端向空間吸收熱量，制熱端通過散熱器將從制冷端吸收的熱量散發到空間。由于散發到空間的熱量除從制冷端吸收的外，還有半導體自身的電阻效應等，所以熱功率大于電功率。輸入電流太小，熱電堆制冷率不夠；輸入電流太大，焦耳熱增加，制冷效果反而不好。要達到理想的制冷效果，除熱端有良好的散熱條件，使兩端的熱量及時傳遞外，還要選用合適的輸入電壓電流。
半導體制冷技術具有以下特點：
（1）利用特種半導體材料組成PN結進行制冷（或制熱），體積小、重量輕，改變直流電源的極性，可實現制冷和制熱兩種功能，而且還能反向使用即溫差發電。
（2）高可靠性，無機械運動、制冷迅速，便于組成各種結構、形狀的制冷器，壽命大于二十萬小時。
（3）制冷量可在mW級～kW級變化，制冷溫差可達20～150℃范圍。
（4）由于無氣體工質，工作時不產生噪音，不會污染環境，是一種真正的綠色制冷器。
（5）用于制冷時，其效率較低。但用于制熱時，其效率相當高。因此綜合起來評估時，其效率還是較高。
（6）目前成本較高，但隨著技術的發展及生產工藝的改進，成本會進一步下降。
四、實驗內容與步驟
1、半導體制冷特性測試實驗（1）將實驗儀后面板電源開光打到開，實驗儀上電。
（2）將半導體制冷片工作方式切換到熱泵,將制冷片輸入電壓極性切換到正，此時半導體制冷片工作在熱泵制冷狀態。
（3）將直流數字電壓表電壓顯示切換到輸入電壓，并根據輸入電壓大小通過琴鍵選擇合適的量程。
（4）調節制冷片輸入電壓調節電位器，改變輸入電壓大小，當輸入電壓為某一值時，，經過一段時間制冷，半導體制冷系統穩定在某一制冷狀態。
（5）實驗過程中可以用手小心觸摸傳熱鋁板、散熱銅板、感覺冷熱端溫度變化。
（6）記錄輸入電壓為1V、2V、3V、···、14V時穩態時輸入電流大小和方向；將PID智能溫度調節器功能選擇控溫，測半導體制冷片上表面（冷端）溫度，選擇測溫，測下表面（熱端）溫度，記錄穩態時冷端溫度TC、熱端溫度TH。
2.半導體制冷結露、結冰現象演示實驗
（1）調節制冷片輸入電壓調節電位器，使輸入電壓大小為實驗1中半導體制冷片冷端溫度時的輸入電壓值，經過一段時間制冷，觀察冷端結露現象。用注射器在冷端傳熱鋁板中加適量水，觀察結冰現象。
（2）將半導體制冷片工作方式切換到熱機或將輸入電壓調到0，半導體制冷片迅速停止制冷，冷端溫度上升，熱端溫度下降，傳熱鋁板中冰塊融化，將傳熱鋁板上的水清理干凈。
3.半導體制冷特性測試實驗
半導體制冷片正在工作時不得瞬間通反向電壓，冷熱交換時必須待兩端面恢復到室溫時，一般須在5分鐘之后方可進行，否則有可能損壞半導體制冷片。
半導體制冷片在正常工作情況下，熱端（含改變電流方向冷端變成熱端）的溫度必須低于80℃。否則由于熱端溫度太高有可能損壞半導體制冷片。
五、實驗數據
1.半導體制冷片負載特性測試實驗用萬用表測試半導體制冷片靜態電阻，不準確，只可供參考?？梢酝ㄟ^實驗測試半導體制冷片負載特性，將實驗內容與步驟1中穩態時輸入電流大小和方向記錄在表1，用作圖法作半導體制冷片U-I負載特性曲線。
表1半導體制冷片負載特性測試記錄表
| 輸入電壓U（V） | 1.00 | 2.00 | 3.00 | 4.00 | ··· | 11.00 | 12.00 | 13.00 | 14.00 |
| 輸入電流I（A) |
將實驗內容與步驟1中輸入電壓為1V、2V、3V、···、14V時穩態時輸入電流I（A)大小和方向、冷端溫度Tc、熱端溫度
、溫差
記錄在表2中，用作圖法作半導體制冷
-U、
、
特性曲線，研究半導體制冷與輸入電壓（電流）關系，找出冷端溫度輸入電壓（電流）、溫差電壓（電流）。表2半導體制冷特性測試記錄表
| 輸入電壓U(V) | 1.00 | 2.00 | 3.00 | 4.00 | ··· | 11.00 | 12.00 | 13.00 | 14.00 |
| 輸入電流I（A） | |||||||||
| 冷端溫度Tc（℃） | |||||||||
| 熱端溫度TH（℃） | |||||||||
| 溫差ΔT（℃） |
熱泵的制冷系數只取決于系統的冷熱端溫度。
（5）式（5）中Tc、
單位用K表示。根據表2中記錄實驗數據，計算熱泵的制冷系數
。4.半導體制熱特性測試實驗
將實驗內容與步驟3中輸入電壓為-1V、-2V、-3V、···時穩態時輸入電流I(A)大小和方向、冷端溫度Tc、熱端溫度TH、溫差ΔT記錄在表3中,用作圖法作半導體制熱
-U、
、
特性曲線，研究半導體制熱與輸入電壓（電流）關系，分析半導體制冷制熱系統應用中的影響因素。表3半導體制冷特性測試記錄表
| 輸入電壓U(V) | -1.00 | -2.00 | -3.00 | -4.00 | -5.00 | -6.00 | |
| 輸入電流I（A） | |||||||
| 冷端溫度Tc（℃） | |||||||
| 熱端溫度TH（℃） | |||||||
| 溫差ΔT（℃） |
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