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半導(dǎo)體制冷在投影儀散熱中的應(yīng)用展望

2010-05-18 07:28:12呂玉坤李艷奇
關(guān)鍵詞:珀?duì)?/a>金屬板投影儀

呂玉坤,李艷奇

(華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,河北 保定 071000)

溫度對(duì)發(fā)光二極管的電學(xué)和光譜參數(shù)均有較大影響[1-2]。一些采用發(fā)光二極管作為光源的投影儀,為了保證儀器性能并且能正常工作,需要對(duì)其光源受溫度影響的特性作深入的研究,進(jìn)而掌握儀器的最佳工作環(huán)境溫度。

半導(dǎo)體制冷,又稱電子制冷、溫差電制冷、熱電制冷或珀?duì)柼评涞龋?0世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)制冷技術(shù)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)[3]是一種靠空穴和電子在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞熱量的固體制冷方式。與普通制冷技術(shù)不同,半導(dǎo)體制冷不采用壓縮機(jī)和制冷劑,不依賴制冷劑的相變傳遞熱量,具有體積小、重量輕、無運(yùn)動(dòng)部件且可靠性高等特點(diǎn)。因此,對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究是解決投影儀受溫度影響的基礎(chǔ)。

1 半導(dǎo)體制冷基本原理

熱電效應(yīng)是半導(dǎo)體制冷的最基本依據(jù),其中最著名的是塞貝爾效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)。1821年,塞貝爾發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路中,當(dāng)2個(gè)連接點(diǎn)溫度不同時(shí)(T1<T2),導(dǎo)體回路就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(電流),即塞貝爾效應(yīng),如圖1所示。1834年,法國科學(xué)家珀?duì)柼诖嘶A(chǔ)上做了一個(gè)相反的實(shí)驗(yàn):用兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路并通直流電,連接處出現(xiàn)了一端冷、一端熱的現(xiàn)象,即珀?duì)柼?yīng),如圖2所示。顯然其本質(zhì)就是塞貝爾效應(yīng)的逆效應(yīng)。

圖1 塞貝爾效應(yīng)

圖2 珀?duì)栙N效應(yīng)

2 半導(dǎo)體制冷的材料特性

普通金屬導(dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)微弱,制冷效果不佳。例如當(dāng)時(shí)曾用金屬材料中導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能最好的銻-鉍(Sb-Bi)熱電偶做成制冷器,但其制冷效率還不到1%,根本沒有實(shí)用價(jià)值,因此珀?duì)柼?yīng)長時(shí)間不受重視。但是隨著材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于普通金屬[4]。

由3塊金屬板和1對(duì)電偶臂(由1塊P型半導(dǎo)體和1塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成)組成的熱電偶,在通上如圖3所示的電流時(shí),金屬板1會(huì)從周圍吸收熱量,而金屬板2、3則釋放熱量。金屬板1作為工作端可達(dá)到制冷的目的,而將電源極性反過來(即通以反方向電流),金屬板2、3吸收熱量,金屬板1釋放熱量。在這種情況下,若金屬板1作為工作端,則如圖3所示的就是制熱器了。實(shí)驗(yàn)表明,與普通金屬相比,半導(dǎo)體電路的珀?duì)柼?yīng)明顯增強(qiáng)。圖3中這對(duì)電偶制冷量很小,通常只有幾百毫瓦到2~3 W之間,一般不能滿足制冷需要。為了得到更好的制冷效果,通常串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)上述電偶組成制冷電堆,獲得數(shù)瓦到數(shù)千瓦的制冷量。但是決定制冷器性能的主要因素還是熱電對(duì)的性能。

圖3 半導(dǎo)體制冷原理

通常半導(dǎo)體制冷器由許多N型和P型半導(dǎo)體組成,N、P結(jié)之間以一般導(dǎo)體連接成完整線路,通常采用鋁、銅或其他金屬導(dǎo)體,最后像夾心餅干一樣,外夾2片陶瓷片。陶瓷片必須絕緣,而且導(dǎo)熱性能要良好,如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體制冷器實(shí)物圖

并非所有半導(dǎo)體材料[5]都能制作半導(dǎo)體制冷器,這里所說的半導(dǎo)體材料不是人們熟悉和常見的制造二極管、三極管等電子器件的硅(Si)或鍺(Ge),而是相對(duì)復(fù)雜的化合物半導(dǎo)體,如 P型的 Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、Ag-CuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半導(dǎo)體材料熱電性能的系數(shù)用Z表示,稱為優(yōu)值系數(shù)。它是一個(gè)與材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率、電導(dǎo)率、電阻率、熱導(dǎo)率(包括晶格熱導(dǎo)率、電子熱導(dǎo)率)相關(guān)的綜合參數(shù),其量綱為K-1。上述幾種材料的Z值在3×10-3K-1左右。Z值越大,說明材料的熱電性能越好,制作的制冷器在相同條件下的制冷效率就越高。此外,同種半導(dǎo)體材料的Z值還與溫度有關(guān),溫度不同Z值也不同,即:同種半導(dǎo)體材料在常溫下可做制冷材料,而在低溫下則不可行。

3 半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式、蒸氣噴射式和吸收式制冷等技術(shù)相比,半導(dǎo)體制冷具有以下特點(diǎn):不使用制冷劑、不污染環(huán)境,綠色環(huán)保;體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、容易操作;可只冷卻某一專門元件或指定空間;可在失重或超重等極端環(huán)境下運(yùn)行;制冷系統(tǒng)無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),所以無噪音、無磨損、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便;便于通過改變電流方向達(dá)到冷卻和加熱的不同目的;具有發(fā)電能力,在制冷組件兩面建立溫差可產(chǎn)生直流電;冷卻速度不僅快,而且便于通過工作電流大小實(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié)。

4 半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于投影儀展望

投影儀產(chǎn)生的熱量最主要來自于燈泡。無論是傳統(tǒng)的金屬鹵素?zé)襞?,還是 UHE、UHP等冷光源燈泡,在使用過程中都會(huì)發(fā)出很多熱量,而投影儀設(shè)備本身的體積小,熱量很集中,整個(gè)投影儀75%的功率都耗散在這個(gè)小小的燈泡上。如果長時(shí)間地連續(xù)使用,導(dǎo)致燈泡溫度太高。一旦溫度達(dá)到該區(qū)域工作臨界點(diǎn)以上,此時(shí)投影儀內(nèi)部的保護(hù)程序?qū)⒈粏?dòng),自動(dòng)關(guān)閉投影儀,進(jìn)入休眠狀態(tài)而無法正常工作。

鑒于半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn),可以研制一種半導(dǎo)體制冷器,將其放置在投影儀的燈泡底部或側(cè)面。

考慮的主要問題有:半導(dǎo)體冷端易結(jié)露和熱端散熱。針對(duì)冷端結(jié)露問題將制冷片設(shè)計(jì)成特殊的凹槽形狀,延展了制冷片的面積,即使制冷片有輕微結(jié)露,也能很快被燈泡和供電元件散發(fā)出的熱量迅速蒸發(fā)掉。熱端可以附加1個(gè)熱管,保持半導(dǎo)體在正常的溫差下工作。

現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷技術(shù)已在軍事、科學(xué)、航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生化和日常生活用品等許多領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用,特別是隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展以及對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越高的要求,逐步禁止污染大氣、破壞臭氧層的氟利昂作為制冷劑,使半導(dǎo)體制冷技術(shù)呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景[6]。

與常規(guī)蒸氣壓縮制冷相比,半導(dǎo)體制冷具有重量輕、尺寸小、無運(yùn)動(dòng)部件及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但也存在制冷系數(shù)低、成本高等問題。正因如此,對(duì)半導(dǎo)體制冷的理論與實(shí)踐的研究有著廣闊的空間。

研制一種小型制冷裝置,以解決投影儀光源等核心部件因超溫睡眠而無法正常工作的技術(shù)前景是可行的。

[1]ACHARYA Y B.Effect of temperature dependence of band gap and device constant on I-V characteristics of junctiondiode[J].Solid-State Elect ronics, 2001,45:1115-1119.

[2]周亞訓(xùn),王曉東.溫度和電場對(duì)a-SiC:HTFLED發(fā)光亮度的影響[J].半導(dǎo)體光電,2000,21(1):70-72.

[3]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].第2版.上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

[4]吳麗清,陳金燦,嚴(yán)子俊.湯姆遜效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體制冷器性能的影響[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),1997,18(6):448-452.

[5]劉華軍,李來風(fēng).半導(dǎo)體熱電制冷材料的研究進(jìn)展[J].低溫工程,2004(1):32-38.

[6]倪美琴,陳興華.關(guān)注半導(dǎo)體制冷與發(fā)展[J].制冷與空調(diào),2001(2).

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