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      半導(dǎo)體制冷技術(shù)及應(yīng)用路徑研究

      2021-06-03 06:40:30劉興龍馬雪峰
      信息記錄材料 2021年4期
      關(guān)鍵詞:品質(zhì)因數(shù)熱端制冷劑

      劉興龍,馬雪峰

      (武威職業(yè)學(xué)院 甘肅 武威 733000)

      1 引言

      科研人員進(jìn)行了大量的科學(xué)研究,最終獲得了當(dāng)前基于半導(dǎo)體制冷的技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體制冷使用的溫差冷卻效果,珀?duì)柼?yīng)是相匹配的,因此半導(dǎo)體制冷也稱為溫差冷卻。相較于傳統(tǒng)的制冷技術(shù),半導(dǎo)體制冷技術(shù)不需要應(yīng)用大量制冷劑和相關(guān)制冷設(shè)備。另外,在整個(gè)制冷過程中不易引起噪聲和振動,所以不會輕易對周圍人群的正常日常生活產(chǎn)生不利影響,應(yīng)用市場前景十分廣闊。

      2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理

      半導(dǎo)體制冷設(shè)備是由具有高效率和良好熱電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料熱阻組成的。如圖1所示,由N型半導(dǎo)體組件和P型半導(dǎo)體組件組成的熱敏電阻在插入后會在接頭處引起熱傳遞和溫差。對于N型半導(dǎo)體,其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是自由電荷,類似于金屬材料地價(jià)電子;對于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是空穴的P型半導(dǎo)體來說,它與自由電子的電荷數(shù)量一致。所以,上接頭為冷端,為吸熱反應(yīng),溫度降低,電流方向?yàn)閺腘到P;下接頭是熱端,為放熱反應(yīng),溫度升高,電流方向?yàn)镻到N。其次,依靠各種熱傳導(dǎo)方法(例如熱交換器)使熱電堆的熱端繼續(xù)散發(fā)熱量并維持一定的溫度,然后將熱電堆的冷端放入工作環(huán)境中,以持續(xù)發(fā)生吸熱反應(yīng)并降低溫度。這是半導(dǎo)體制冷的工作原理[1]。如圖1所示。

      圖1 半導(dǎo)體制冷工作原理

      3 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展

      半導(dǎo)體器件的品質(zhì)因數(shù)指數(shù)Z表示熱電材料的特性,它決定了制冷組件可以實(shí)現(xiàn)的較大溫差。品質(zhì)因數(shù)越高,冷卻特性越好,效率越高。1960年代中后期,優(yōu)點(diǎn)指數(shù)達(dá)到最高水平:P型半導(dǎo)體制冷原料的優(yōu)點(diǎn)指數(shù)Z為3.5×103I/K, N型半導(dǎo)體原材料的優(yōu)點(diǎn)指數(shù)Z為(3~3.2)×103I/K。

      為了更廣泛地使用半導(dǎo)體制冷,必須提高制冷原材料的水平,即品質(zhì)因數(shù)Z。如果要將半導(dǎo)體制冷的高效率與機(jī)械壓縮制冷設(shè)備相比較,品質(zhì)因數(shù)Z必須從3.5×103I/K增加到13×103I/K。然而,到目前為止,半導(dǎo)體器件的品質(zhì)因數(shù)還沒有太大改善。因此,未來的重要創(chuàng)新點(diǎn)還應(yīng)該集中在提高制冷原料的優(yōu)良指標(biāo)上。

      此外,半導(dǎo)體制冷熱端的排熱效果不好會阻礙半導(dǎo)體制冷作用的發(fā)揮。據(jù)第一熱力學(xué)定律解釋,只有當(dāng)熱端被連續(xù)排出且溫度保持在一定位置時(shí),冷端才能繼續(xù)被冷卻。熱端散熱的實(shí)際效果將直接影響制冷器的制冷能力和冷卻效率。因此,熱端排熱方法的選擇對于制冷電堆非常重要。半導(dǎo)體制冷具有以下類型的排熱方法:空氣自然對流,空氣強(qiáng)制熱對流,接觸熱傳遞,熱傳導(dǎo)變化或高熱容物質(zhì)的吸熱反應(yīng),散熱器管的熱傳遞和液體循環(huán)系統(tǒng)制冷。在具體應(yīng)用中,必須根據(jù)半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇,并且進(jìn)行熱端散熱系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),保障熱端良好的散熱狀態(tài)[2]。

      4 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點(diǎn)

      新型環(huán)保電子設(shè)備制冷的關(guān)鍵部件均選自具有高質(zhì)量特性的半導(dǎo)體制冷材料。

      P_Bi2Te3.Sb2Te3, N-Bi2Te3.Bi2Se3準(zhǔn)三元合金具有性能良好的品質(zhì)因數(shù):在半導(dǎo)體制冷與換熱器方面均取得了顯著應(yīng)用效果,且半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率提高了50%以上,產(chǎn)品能耗較低。溫度可根據(jù)不同地點(diǎn),不同情況自行調(diào)節(jié),無需制冷劑,具有環(huán)保、節(jié)能、方便快捷的作用。這種半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

      (1)使用特殊的半導(dǎo)體器件形成PN結(jié),以進(jìn)行冷卻(或加熱),體積較小,重量較輕,且壽命長無噪音影響。

      (2)沒有分子的熱運(yùn)動,快速冷卻,便于形成各種結(jié)構(gòu)和形狀的制冷器。

      (3)空調(diào)的制冷量可以達(dá)到mw級。千瓦級轉(zhuǎn)換,冷卻溫差達(dá)到20~150℃。

      (4)因?yàn)闆]有蒸汽參數(shù),所以不會造成環(huán)境污染,是一臺真正的綠色節(jié)能的制冷器。新型環(huán)保制冷的關(guān)鍵部件是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品,深度契合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保理念。它不需要使用制冷壓縮機(jī)與,氟利昂,該產(chǎn)品已通過測試,其優(yōu)異指數(shù)長期以來一直達(dá)到5.6,遠(yuǎn)高于同行業(yè)產(chǎn)品的優(yōu)值3。

      半導(dǎo)體制冷具有很多優(yōu)點(diǎn)并且被廣泛使用,所以可以滿足不同場合、不同人群的需求。因此,在現(xiàn)階段,它在制冷領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,有著非常廣闊的市場前景。

      5 半導(dǎo)體制冷技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

      半導(dǎo)體制冷帶動了制冷技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā),并解決了許多關(guān)于制冷的難題,具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。如今,制冷技術(shù)不僅用于家用電器行業(yè)的冰箱,中小型旅游家用冰箱,冷熱立式飲水機(jī),中央空調(diào)和其他電器產(chǎn)品中;它也可以用于超低溫醫(yī)療設(shè)備(冰帽,冰墊,冰刀,白內(nèi)障摘除器)。除了在治療行業(yè)以及生活行業(yè)中使用半導(dǎo)體制冷技術(shù)外,它還可以用于農(nóng)業(yè)[3]。

      5.1 醫(yī)療領(lǐng)域

      半導(dǎo)體制冷設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域。醫(yī)療熱電冷卻裝置中有多種形式的制冷設(shè)備,例如固定式冰箱,移動式冷凍機(jī),血細(xì)胞分析儀,甘精胰島素冷藏設(shè)備和用于存儲生物組織的實(shí)驗(yàn)儀器。在生物醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域中,半導(dǎo)體制冷設(shè)備的制冷速度更快,效率更高,可以減少制冷時(shí)間,提高工作效率。且操作容易,方法簡單,對人體沒有不良反應(yīng),可以儲存各種人體器官和生物組織,從而使生物細(xì)胞可以充分發(fā)揮必要的診斷和醫(yī)療研發(fā)的作用。半導(dǎo)體制冷在臨床治療中的應(yīng)用更為常見。

      5.2 生活領(lǐng)域

      半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有環(huán)保無氣味,體積小,壽命長,冷熱轉(zhuǎn)化速率快,易于操作等優(yōu)勢,如今半導(dǎo)體制冷技術(shù)已被用于中小型冷凍機(jī)的研發(fā),例如便攜式的車載空調(diào),酒店使用的小型冰箱,半導(dǎo)體空調(diào)的特征在于它不需要制冷劑并且噪音低,通過改變直流電流的方向,可以實(shí)現(xiàn)從冷卻到加熱運(yùn)行。因此,它適用于獨(dú)特環(huán)境中的空調(diào),例如不允許制冷劑泄漏的潛水艇,電子通信車輛等。半導(dǎo)體制冷的恒溫器具有體積小,溫度控制精度高的特點(diǎn),可用于要求較為精密的儀表測試設(shè)備。例如,以半導(dǎo)體零點(diǎn)儀器與半導(dǎo)體恒溫水浴為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),精確測量半導(dǎo)體材料的熱電堆,溫度線性度可達(dá)到0.01K。

      具有半導(dǎo)體制冷的立式飲水機(jī)的特點(diǎn)是不需要制冷劑,制冷單元結(jié)構(gòu)緊湊,適用于不允許制冷劑泄漏的應(yīng)用,并且所需的制冷器重量更輕,尺寸更小,例如在空客飛機(jī)上使用的半導(dǎo)體制冷立式飲水機(jī)。

      5.3 . 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

      近年來,隨著我國農(nóng)牧業(yè)布局的逐步調(diào)整和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們對于生態(tài)旅游的需求也越來越強(qiáng)烈。觀光旅游農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展凸顯出生態(tài)旅游農(nóng)業(yè)的新奇獨(dú)特的發(fā)展思路。無土栽培技術(shù)可以基于旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)方案和季節(jié)的變化調(diào)整作物種植措施,以達(dá)到意想不到的目標(biāo)。深液水培技術(shù)由于管理方法便捷,適應(yīng)性強(qiáng),養(yǎng)分利用率高,環(huán)境污染小等特點(diǎn),在我國已獲得快速發(fā)展。針對深液養(yǎng)殖中液溫控制的相對過時(shí)的技術(shù),選擇了節(jié)能環(huán)保,調(diào)節(jié)靈活,方便快捷的半導(dǎo)體制冷技術(shù)來控制液溫。通過對半導(dǎo)體制冷技術(shù)工作原理的分析,建立了用于控制作物(深液水培)培養(yǎng)液的半導(dǎo)體材料溫度控制設(shè)備的恒定分析模型,結(jié)合設(shè)施園藝的具體情況,整合生產(chǎn)高性價(jià)比目標(biāo),在當(dāng)前農(nóng)作物生長模式下,針對不同生產(chǎn)規(guī)模,制定培養(yǎng)液溫度自動控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

      6 結(jié)語

      現(xiàn)如今,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體制冷技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微生物學(xué)、國防、工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)服務(wù)、醫(yī)療、日常生活、通信等行業(yè)。它具有體積小,零污染,低噪音,可控的優(yōu)點(diǎn),逐步填補(bǔ)了傳統(tǒng)制冷設(shè)備在制冷研發(fā)和應(yīng)用中的不足,大大提高了各種設(shè)備和裝置的運(yùn)行特性和效率,促進(jìn)了我國技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,為社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

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