半導體制冷在投影儀散熱中的應(yīng)用展望

呂玉坤，李艷奇

(華北電力大學 能源與動力工程學院，河北 保定 071000)

溫度對發(fā)光二極管的電學和光譜參數(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，需要對其光源受溫度影響的特性作深入的研究，進而掌握儀器的最佳工作環(huán)境溫度。

半導體制冷，又稱電子制冷、溫差電制冷、熱電制冷或珀爾帖制冷等，是20世紀60年代迅速發(fā)展起來的一項制冷技術(shù)。半導體制冷技術(shù)[3]是一種靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量的固體制冷方式。與普通制冷技術(shù)不同，半導體制冷不采用壓縮機和制冷劑，不依賴制冷劑的相變傳遞熱量，具有體積小、重量輕、無運動部件且可靠性高等特點。因此，對半導體制冷技術(shù)的研究是解決投影儀受溫度影響的基礎(chǔ)。

1 半導體制冷基本原理

熱電效應(yīng)是半導體制冷的最基本依據(jù)，其中最著名的是塞貝爾效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)。1821年，塞貝爾發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導體組成閉合回路中，當2個連接點溫度不同時(T1＜T2)，導體回路就會產(chǎn)生電動勢(電流)，即塞貝爾效應(yīng)，如圖1所示。1834年，法國科學家珀爾帖在此基礎(chǔ)上做了一個相反的實驗：用兩種不同導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，即珀爾帖效應(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 珀爾貼效應(yīng)

2 半導體制冷的材料特性

普通金屬導體的珀爾帖效應(yīng)微弱，制冷效果不佳。例如當時曾用金屬材料中導熱和導電性能最好的銻-鉍(Sb-Bi)熱電偶做成制冷器,但其制冷效率還不到1%，根本沒有實用價值，因此珀爾帖效應(yīng)長時間不受重視。但是隨著材料科學的進一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導體材料的珀爾帖效應(yīng)遠強于普通金屬[4]。

由3塊金屬板和1對電偶臂(由1塊P型半導體和1塊N型半導體構(gòu)成)組成的熱電偶，在通上如圖3所示的電流時，金屬板1會從周圍吸收熱量，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。實驗表明，與普通金屬相比，半導體電路的珀爾帖效應(yīng)明顯增強。圖3中這對電偶制冷量很小，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的性能。

圖3 半導體制冷原理

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

圖4 半導體制冷器實物圖

并非所有半導體材料[5]都能制作半導體制冷器，這里所說的半導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)，而是相對復雜的化合物半導體，如 P型的 Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、Ag-CuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半導體材料熱電性能的系數(shù)用Z表示，稱為優(yōu)值系數(shù)。它是一個與材料的溫差電動勢率、電導率、電阻率、熱導率(包括晶格熱導率、電子熱導率)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 半導體制冷的特點

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，半導體制冷具有以下特點：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)境下運行；制冷系統(tǒng)無機械轉(zhuǎn)動，所以無噪音、無磨損、運行可靠、維護方便；便于通過改變電流方向達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現(xiàn)可控調(diào)節(jié)。

4 半導體制冷應(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)的金屬鹵素燈泡，還是 UHE、UHP等冷光源燈泡，在使用過程中都會發(fā)出很多熱量，而投影儀設(shè)備本身的體積小，熱量很集中，整個投影儀75%的功率都耗散在這個小小的燈泡上。如果長時間地連續(xù)使用，導致燈泡溫度太高。一旦溫度達到該區(qū)域工作臨界點以上，此時投影儀內(nèi)部的保護程序?qū)⒈粏?，自動關(guān)閉投影儀，進入休眠狀態(tài)而無法正常工作。

鑒于半導體制冷的特點，可以研制一種半導體制冷器，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：半導體冷端易結(jié)露和熱端散熱。針對冷端結(jié)露問題將制冷片設(shè)計成特殊的凹槽形狀，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個熱管，保持半導體在正常的溫差下工作。

現(xiàn)在半導體制冷技術(shù)已在軍事、科學、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)濟建設(shè)的快速發(fā)展以及對環(huán)境保護越來越高的要求，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，半導體制冷具有重量輕、尺寸小、無運動部件及可靠性高等優(yōu)點，但也存在制冷系數(shù)低、成本高等問題。正因如此，對半導體制冷的理論與實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，王曉東.溫度和電場對a-SiC：HTFLED發(fā)光亮度的影響[J].半導體光電，2000，21(1)：70-72.

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

[4]吳麗清，陳金燦，嚴子俊.湯姆遜效應(yīng)對半導體制冷器性能的影響[J].半導體學報，1997，18(6)：448-452.

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

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