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半导体制冷元件特性参数测量

发布时间:2019-05-20 15:56 来源:未知 编辑:admin

  半导体制冷器的尺寸小,可以制成体积不到1cm的制冷器;重量轻,微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克;无机械传动部分,工作中无噪音,无液态、气态工作介质,因而不污染环境,制冷参数不受空间方向以及重力影响,在大的机械过载条件下,能够正常地工作;通过调节工作电流的大小,可方便调节制冷速率;通过切换电流方向,可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态;作用速度快,使用寿命长,且易于控制。

  半导体材料的帕尔贴效应比金属材料的帕尔贴强得多。因而,得到实际应用电-热制冷器件都是半导体制成的。一个电-热制冷单元就是一个最简单的制冷器件,它可以用下图来说明。

  它是由n型和p型半导体材料组成的半导体制冷的电偶,电偶之间利用导电的金属片焊接而成。当直流电从n型半导体流向p型半导体时,则在金属片2和3上产生吸热现象,这端就称为冷端,而在金属片1和4便产生放热现象,这端就称为热端。如果切换电流方向,冷、热端就会相互转换,原来的热端就变成冷端,原来的冷端就变成热端。

  由于单个电偶产生的电-热效应较小,实际上都是将若干个电偶串联、并联或串并联,这便构成半导体制冷模块(帕尔贴模块)。

  最佳工作电流I(A),最佳工作电压U(V),交流内阻R(),制冷效率n,制冷量Q0(W)和散热功率Qn(W)。

  制冷模块的结构参数包括,元件尺寸,器件散量,级数,冷端工作面积,热端散热面积,外形尺寸,重量,使用寿命,可靠性等。

  国内在制冷模块标准化方面做了不少工作,例如国产CT1型模块已实现了产品的系列化,共分为14个品种。主要技术性能指标,以达到目前国外市场上同类产品的水平。CT1系列模块,就其主要特征而言,属微型半导体制冷器,为陶瓷平板型一级制冷模块。下表列出了这种制冷模块的参数。

  表征半导体制冷性能的重要参数是优值系数Z,单位为K^-1,它决定了半导体制冷元件所能达到的最大温差,也直接影响制冷系数(COP)

  式中:为温差电动势;R为电阻;Kt为总的导热系数。半导体P2N结点在一定的温度和电流下,温差电动势越大,该结点从周围介质中吸收的热量越多,制冷效果就越明显。电阻则越低越好,否则产生的焦耳热使制冷效果不明显,甚至无法产生制冷量。导热系数也要低,这样才能在半导体制冷元件冷热结点之间维持一个大的温差。本文设计筹建的实验测量装置主要用于测量分析,R,Kt,Z.

  利用半导体材料热电制冷过程电学和热力学基本公式,代入测得的、U、R和I基本物理量,就可以算出半导体制冷元件的特性参数:

  需要测得的特性参数是半导体制冷元件的温差电动势(V・C-1)、导热系数K(W・C-1)和电阻R(8)。这些参数都是温度的函数,本实验测量它们在制冷元件冷热端算术平均温度m在0~50C内变化时的值。首先测的是和Kt,它们可在同一个测试过程中得到。给电加热块通上一定的电流,忽略通过保温材料的传热,将电加热块的发热量看作半导制冷元件的制冷负荷。在调温用的元件两电极通上直流电,一方面可调节被测元件的热端温度,从而调节被测元件的m从0~50C变化;另一方面,可以增加冷热端之间的温差,减小测温误差对测试结果的影响。实验表明,冷热端维持的温差小于15C时,所得的特性参数有较大的偏差。

  测量塞贝克系数时,利用式(2),令I=0,调节加热块功率和调温元件电流,使制冷元件在不同的m下其冷热端维持一个温差,同时测出半导体制冷元件的塞贝克电动势,就可得出不同m下的塞贝克系数。在测量的同时,利用式(4),令I=0,根据不同制冷负荷和冷热端温差,计算出Kt.

  测量元件电阻时,利用式(2)和已测得的塞贝克系数,给被测元件的两端通上不同电流,同时和上述方法一样,控制m,测出冷热端温度和被测元件电流和两端电压,就可得出元件不同m下的电阻值.

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