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制冷散热技术[1]:温差制冷之于电子器件冷却

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发表于 2021-6-18 14:09:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
   温差制冷,也称半导体制冷或者热电制冷,是基于热电效应(温差和电压之间的直接转换)而发展起来的一种制冷方式。热电效包括西伯克(Seebeck)效应、帕尔贴(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应。热电制冷器的基本单元是半导体热电偶。组成热电偶的材料一个是P型半导体(空穴型),一个是N型半导体(电子型)。取它们作热电制冷的材料是由于其帕尔贴效应比普通的金属电偶强得多,能够在冷结点处表现出明显的制冷效应。
图1 基本热电偶.png
图1 基本热电偶
    温差制冷工作原理是:当热电装置两侧的温度不同时,产生电压;反之,则产生温差。热电效应可用于产生电流、测量温度或改变物体温度。由于热流的大小随电压值变化,且热流方向随电压的极性而变,故热电装置是有效的温度控制器。与常规制冷方式相比,热电制冷具有无运动部件、无噪声、无制冷剂、寿命长且可灵活转换冷热端、调温精确迅速、微型化能力好等多方面优势。
图2 温差制热应用领域.png
图2 温差制冷应用领域
    鉴于温差制冷的独特优势,温差制冷片可用作电子器件的冷却器,广泛应用于空间、极地、深海、地下等前沿科技领域(见图2) 。
对温度反应敏感的电子元器件,必须保证它们在低温或恒定的温度条件下工作,才能发挥其性能。例如,红外探测器在低温下才能有高灵敏度和探测率。硫化铅、硒化铅红外探测器在-10℃时的响应比20℃时的响应要高出几倍;在-78℃时,其探测率可以提高一个数量级。为此用途的热电制冷器,一种由4级电堆组成,在真空中输入功率10W,达到-95℃的低温,而制冷器本身仅750g,连散热器、电风扇加在一起的体积也只有322cm3。另一种是二级电堆组成,耗电6W,冷却硫化铅红外探测器,使其信噪比提高许多倍。
    许多电子元件要求在恒温条件下工作,例如电阻、电容、电感、晶体管、石英晶体管等。用热电制冷的方法制作恒温器,为它们提供恒温工作条件。各种小型热电式恒温器容积从2.5cm3到300cm3。采用热电制冷方式使恒温器的温度控制简单、精确。用热敏电阻作感温件,他们的温控精度可达±0.05℃。在标准电器(电池、电容)标定测量中,需要超级恒温槽。采用热电制冷,其恒温控制精度可达±0.005℃。
石英晶体振荡器用的温差制冷型恒温器在外界温度变化幅度为45℃到-15℃时,工作室内温度可以稳定在10±0.5℃,所配备的热电堆功率30W,其结构如图3所示。多路通信机用的恒温器结构如图4所示。它使用的热电制冷器工作电流为3A;功率为5W;实际效率为36%。采用空气自然对流的散热方式,散热片面积0.3m2。当外界环境温度在之间变化时,恒温室内温度可以稳定在25±1℃。
    原子物理、天文学等科技领域中广泛使用的光学倍增管,其暗电流、噪声、灵敏度等参数主要取决于光电阴极的温度。用二级热电制冷器为它提供低温,可以有效地降低其噪声和暗电流,提高灵敏度。又如,美国的M14010型4级微型半导体制冷器,用在手提式热观察仪上。热端温度300K时,冷端温度195K,制冷量50mW,输入电功率7.2W。
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图3 石英晶体振荡器用恒温器
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图4 多路通信机用恒温器
    伴随温差制冷技术的逐渐成熟,在电子器件冷却领域的应用将越来越广泛,我们将拭目以待。



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