六級半導(dǎo)體制冷器工作特性的實驗研究

武衛(wèi)東，姜同玲，于子淼

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

六級半導(dǎo)體制冷器工作特性的實驗研究

武衛(wèi)東*，姜同玲，于子淼

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本研究搭建了六級半導(dǎo)體制冷器工作特性測試實驗臺。實驗研究了不同輸入電壓、熱端溫度和外部散熱情況等工況下六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：制冷器初始階段的溫降速率隨輸入電壓的增大而增大，同一輸入電壓下的溫降速率隨著時間的推移逐漸減?。幌啾榷壈雽?dǎo)體制冷器，兩者溫降速率基本相同；所研究六級半導(dǎo)體的最佳輸入電壓為20 V～30 V；制冷器冷端溫度隨熱端溫度的上升而升高；外部環(huán)境絕熱有利于降低冷端溫度。

六級半導(dǎo)體制冷器；工作特性；實驗研究

0 引言

半導(dǎo)體制冷也被稱作溫差電制冷，是建立在珀爾帖效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷技術(shù)[1]。它具有噪聲低、不需要使用任何制冷劑和易于微型化等優(yōu)勢[2]。半導(dǎo)體制冷應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展是其快速發(fā)展的重要牽引力[3-4]。值得注意的是，單級半導(dǎo)體制冷器的最大溫差一般只能達到70 K，在大溫差條件下工作時，制冷效率會迅速降低。而多級半導(dǎo)體制冷則可以實現(xiàn)更大溫差，并且在大溫差下工作時同樣具有良好的制冷性能。

影響半導(dǎo)體性能的參數(shù)主要包括半導(dǎo)體本身材料屬性、半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)以及熱端散熱方式。宣向春等[5]從二元固溶體、三元固溶體、Bi-Sb合金、Ag1-xCuTiTe和YBaCuO超導(dǎo)材料五個方面介紹了現(xiàn)今性能較好的半導(dǎo)體制冷器材料的情況，并總結(jié)了提高材料優(yōu)值系數(shù)的方法。關(guān)于半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)的研究，主要集中在半導(dǎo)體高度、半導(dǎo)體形狀、電偶臂長度和熱電堆數(shù)量比等方面[6]。實際應(yīng)用中，為了得到更大的溫差和良好的COP，通常采用多級半導(dǎo)體制冷器。BULMAN G E等[7]設(shè)計了一種采用超晶格薄膜材料Bi2Te3和Sb2Te3的三級半導(dǎo)體制冷器，通過對各級電流的控制，可以達到102 K的最大溫差。HUEBENER R P等[8]通過對四級半導(dǎo)體制冷器的研究發(fā)現(xiàn)，在熱端溫度282 K的條件下，該四級半導(dǎo)體的冷端溫度最低可達到149 K。HWANG G S等[9]設(shè)計并實驗研究了六級平板型半導(dǎo)體制冷器，將其利用在MEMS裝置的冷卻方面，在68 mW的極小負荷下得到了51 K的溫差。

在半導(dǎo)體冷熱端散熱方面，國內(nèi)外學者也展開了較為全面的研究。李茂德等[10]研究表明半導(dǎo)體制冷系數(shù)COP隨散熱強度的增強而提高，但當散熱強度到達一定值后，制冷系數(shù)將不會再有明顯改變。代偉[11]也通過研究發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷存在最佳熱端散熱強度，實際應(yīng)用中應(yīng)對熱端散熱系統(tǒng)進行合理設(shè)計。王凱等[12]通過對小型半導(dǎo)體制冷器的實驗發(fā)現(xiàn)強化熱端的散熱和強化冷端的冷量散發(fā)有利于降低熱電堆冷熱端的溫差，提高半導(dǎo)體的制冷效率。

目前多級半導(dǎo)體級數(shù)最高為六級，盡管國內(nèi)外學者對不同級數(shù)的半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)和冷熱端散熱方式進行了不少研究，卻鮮有報道關(guān)于單個六級半導(dǎo)體制冷器的制冷特性分析。因此，本文在搭建半導(dǎo)體制冷器工作特性測試實驗臺的基礎(chǔ)上，對六級半導(dǎo)體制冷器在不同外部條件（輸入電壓、熱端溫度和外部散熱條件等）改變時其冷端溫度的變化進行了實驗研究。同時，對二級半導(dǎo)體制冷器和六級半導(dǎo)體制冷器的溫降特性進行了比較分析。

1 多級半導(dǎo)體制冷實驗裝置

本實驗系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體制冷器、熱端散熱模塊、電壓輸入模塊、絕熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊五大部分組成，實驗裝置如圖1所示。

圖1 多級半導(dǎo)體制冷實驗裝置（A為冷端溫度測點）

為了解不同級數(shù)半導(dǎo)體制冷器的制冷特性，本文對六級半導(dǎo)體制冷器和二級半導(dǎo)體制冷器分別進行了實驗。實驗中采用的二級半導(dǎo)體制冷器和六級半導(dǎo)體制冷器均來自昆晶冷片（深圳）有限公司，其中二級半導(dǎo)體制冷器和六級半導(dǎo)體制冷器的最大輸入電壓分別為4 V、30 V。具有最優(yōu)化設(shè)計的六級半導(dǎo)體制冷器高度為23 mm，含有606個電堆數(shù)，每一級面積分別為(20×20) mm、(25×25) mm、(38×38) mm、(50×50) mm、(55×55) mm、(62×62) mm，其中(20×20) mm、(62×62) mm等分別對應(yīng)半導(dǎo)體冷、熱端面積。電壓輸入控制模塊采用NF EC1000S型號的可編程直流/交流電源，可輸出直流或交流電，電壓輸出范圍-190 V ～ +190 V，精度1%。絕熱系統(tǒng)在設(shè)計上采用導(dǎo)熱性極低的珠光砂，其導(dǎo)熱系數(shù)為(0.022～0.025) W/(m·K)。熱端散熱模塊采用水冷散熱器，其中冷卻水回路由上海越平科學儀器有限公司生產(chǎn)的恒溫槽提供，可以提供-5 ℃ ～ +100 ℃的恒溫環(huán)境。

在實驗中，溫度作為主要測量參數(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊主要由數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶和計算機組成，實現(xiàn)了對實驗過程中各個溫度測量點的溫度變化的實時監(jiān)測與記錄。數(shù)據(jù)采集儀采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent34970A；熱電偶采用上海大華-千野儀表有限公司生產(chǎn)的T型熱電偶，精度±0.5 ℃，電偶絲直徑為0.2 mm，其正極材料為純銅，負極材料為60%銅和40%鎳的合金，并經(jīng)二級標準溫度計在恒溫槽上標定。

2 外部條件對六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度的影響

外部條件主要指輸入電壓、熱端溫度以及換熱條件。改變外部條件時，冷端溫度將隨之變化。

2.1 不同輸入電壓下的冷端溫度

因半導(dǎo)體制冷器本身電阻數(shù)值保持不變，由P=U2/R可知，輸入電壓的變化意味著半導(dǎo)體輸入功率的變化。熱端溫度保持8 ℃，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨輸入電壓的變化如圖2所示。

從圖2可以看出，絕熱與室溫條件下，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨半導(dǎo)體輸入電壓呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。絕熱條件下的冷端溫度始終低于室溫條件下的冷端溫度，這是因為室溫條件下半導(dǎo)體制冷器冷端與外界環(huán)境存在熱量交換，此時相當于有冷量輸出。在輸入電壓25 V時，室溫條件下，冷端溫度為-65.8 ℃，絕熱條件下，冷端溫度可達到-102.2 ℃；輸入電壓30 V時，室溫條件下，冷端溫度為-56.4 ℃，絕熱條件下，冷端溫度可達到-84.1 ℃。可以看出，本實驗采用的六級半導(dǎo)體制冷器，在輸入電壓20 V～30 V存在最低冷端溫度，對應(yīng)的輸入電壓被稱為最佳輸入電壓。當實際輸入電壓小于最佳輸入電壓時，半導(dǎo)體制冷性能的提高受輸入電壓影響較大，隨著輸入電壓的增大，半導(dǎo)體制冷器的冷端溫度呈遞減趨勢；當實際輸入電壓大于最佳工作電壓時，增大輸入電壓已不能提高半導(dǎo)體制冷器的制冷性能，冷端溫度隨輸入電壓的增大不降反增。

圖2 六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨輸入電壓的變化

2.2 不同熱端溫度下的冷端溫度

在輸入電壓保持15 V下，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨熱端溫度的變化如圖3所示。

圖3 六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨熱端溫度的變化

從圖3可以看出，絕熱與室溫條件下，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度均隨熱端溫度的上升而升高。這是因為熱端溫度升高，熱電堆需要克服的不可逆因素增大，其冷端溫度必然隨之升高。在半導(dǎo)體制冷器熱端溫度24 ℃時，室溫條件下，冷端溫度為-26.8 ℃，絕熱條件下，冷端溫度可達到-45.6 ℃。

3 六級/二級半導(dǎo)體制冷器的溫降特性對比

為探討不同級數(shù)多級半導(dǎo)體制冷器性能隨外界條件改變時的制冷特性，在相同實驗條件下，進行了不同輸入電壓下二級/六級半導(dǎo)體制冷器的溫降特性實驗。在絕熱條件下，對二級半導(dǎo)體制冷器在輸入電壓為1 V、2 V、3 V、4 V時，對六級半導(dǎo)體制冷器在輸入電壓為5 V、10 V、15 V、20 V、25 V、30 V時冷端的溫降特性進行研究，溫降曲線如圖4、圖5所示。

圖4 不同輸入電壓下二級半導(dǎo)體制冷器冷端溫降曲線

圖5 不同輸入電壓下六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫降曲線

從圖4、圖5可以看出，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫降趨勢與二級半導(dǎo)體制冷器基本相同。開始60 s內(nèi)溫降速率相對較大，并且初始階段的溫降速率均隨輸入電壓的增大而增大。隨著時間的推移，溫降速率逐漸減小，冷端溫降曲線最終都趨于水平，冷熱端換熱達到平衡狀態(tài)。這是由于初始時間段內(nèi)，輸入電壓占主導(dǎo)因素，因此隨著輸入電壓的增大，半導(dǎo)體制冷性能增強，溫降速率提高。

從圖5還可以看出，與二級半導(dǎo)體制冷器不同的是，六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度并非隨著輸入電壓的增大而單調(diào)遞增的。在25 V和30 V輸入電壓下，兩者初始時間段內(nèi)冷端溫降速率基本相同；但是30 V輸入電壓下的穩(wěn)定冷端溫度最終高于輸入電壓25 V時的穩(wěn)定冷端溫度；可見該六級半導(dǎo)體制冷器存在一個最佳輸入電壓或區(qū)間（本文中為25 V）。

4 結(jié)論

本文搭建了六級半導(dǎo)體制冷器工作特性測試實驗臺。實驗研究了不同外部條件時六級半導(dǎo)體制冷器的冷端溫降特性等。主要得出以下結(jié)論。

1）所研究六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨輸入電壓的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在輸入電壓為20 V～30 V存在最低冷端溫度。

2）六級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度隨熱端溫度的上升而升高。絕熱條件下的冷端溫度低于非絕熱條件下的冷端溫度。

3）六級半導(dǎo)體制冷器與二級半導(dǎo)體制冷器的溫降速率基本相同。開始60 s內(nèi)溫降速率大，并且初始階段的溫降速率均隨輸入電壓的增大而增大。隨著時間的推移，溫降速率逐漸減小，冷端溫降曲線最終都趨于水平，冷熱端換熱達到平衡狀態(tài)。

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Experimental Study on Operation Characteristics of A Six-stage Semiconductor Refrigerator

WU Wei-dong*, JIANG Tong-ling, YU Zi-miao
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A testing platform for six-stage semiconductor refrigerator was built. Varying principles of the cold side temperature of a six-stage semiconductor refrigerator were experimentally investigated under the different conditions of input voltage, hot side temperature and external cooling characteristic. Results show that the temperature drop rate at the initial stage increases with the increasing input voltage; under the condition of the same voltage, the temperature drop rate decreases with time going on; compared with the two-stage semiconductor refrigerator, both of the temperature drop rates are basically the same; the most suitable input voltage of the six-stage semiconductor refrigerator is about 20 V～30 V; the cold side temperature rises along with the hot side temperature; the heat insulation of external environment is favorable to decrease the cold side temperature.

Six-stage semiconductor refrigerator; Operation characteristics; Experimental research

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.106

*武衛(wèi)東（1973-），男，副教授，博士。研究方向：制冷與低溫工程。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號能源與動力工程學院第一辦公樓。聯(lián)系電話：13917527018。E-mail：usstwwd@163.com。