半導(dǎo)體制冷元件特性參數(shù)測(cè)量

半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm3的制冷器；重量輕，微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數(shù)克；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪音，無(wú)液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過(guò)載條件下，能夠正常地工作；通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過(guò)切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。

半導(dǎo)體制冷模塊單元

半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)比金屬材料的帕爾貼強(qiáng)得多。因而，得到實(shí)際應(yīng)用電-熱制冷器件都是半導(dǎo)體制成的。一個(gè)電-熱制冷單元就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的制冷器件，它可以用下圖來(lái)說(shuō)明。

半導(dǎo)體制冷單元

它是由n型和p型半導(dǎo)體材料組成的半導(dǎo)體制冷的電偶，電偶之間利用導(dǎo)電的金屬片焊接而成。當(dāng)直流電從n型半導(dǎo)體流向p型半導(dǎo)體時(shí)，則在金屬片2和3上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，這端就稱為冷端，而在金屬片1和4便產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，這端就稱為熱端。如果切換電流方向，冷、熱端就會(huì)相互轉(zhuǎn)換，原來(lái)的熱端就變成冷端，原來(lái)的冷端就變成熱端。

由于單個(gè)電偶產(chǎn)生的電-熱效應(yīng)較小，實(shí)際上都是將若干個(gè)電偶串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)，這便構(gòu)成半導(dǎo)體制冷模塊（帕爾貼模塊）。

制冷模塊的性能參數(shù)

制冷模塊的性能參數(shù)包括：

最佳工作電流I（A），最佳工作電壓U（V），交流內(nèi)阻R（Ω），制冷效率n，制冷量Q0（W）和散熱功率Qn（W）。

制冷模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括，元件尺寸，器件散量，級(jí)數(shù)，冷端工作面積，熱端散熱面積，外形尺寸，重量，使用壽命，可靠性等。

國(guó)內(nèi)在制冷模塊標(biāo)準(zhǔn)化方面做了不少工作，例如國(guó)產(chǎn)CT1型模塊已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，共分為14個(gè)品種。主要技術(shù)性能指標(biāo)，以達(dá)到目前國(guó)外市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品的水平。CT1系列模塊，就其主要特征而言，屬微型半導(dǎo)體制冷器，為陶瓷平板型一級(jí)制冷模塊。下表列出了這種制冷模塊的參數(shù)。

CT1型制冷模塊參數(shù)表

半導(dǎo)體制冷元件的特性參數(shù)

表征半導(dǎo)體制冷性能的重要參數(shù)是優(yōu)值系數(shù)Z，單位為K^-1，它決定了半導(dǎo)體制冷元件所能達(dá)到的最大溫差，也直接影響制冷系數(shù)（COP）

式中：Α為溫差電動(dòng)勢(shì);R為電阻;Kt為總的導(dǎo)熱系數(shù)。半導(dǎo)體P2N結(jié)點(diǎn)在一定的溫度和電流下，溫差電動(dòng)勢(shì)越大，該結(jié)點(diǎn)從周?chē)橘|(zhì)中吸收的熱量越多，制冷效果就越明顯。電阻則越低越好，否則產(chǎn)生的焦耳熱使制冷效果不明顯，甚至無(wú)法產(chǎn)生制冷量。導(dǎo)熱系數(shù)也要低，這樣才能在半導(dǎo)體制冷元件冷熱結(jié)點(diǎn)之間維持一個(gè)大的溫差。本文設(shè)計(jì)籌建的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置主要用于測(cè)量分析Α，R，Kt，Z.

半導(dǎo)體制冷元件特性參數(shù)測(cè)量方法

利用半導(dǎo)體材料熱電制冷過(guò)程電學(xué)和熱力學(xué)基本公式，代入測(cè)得的Η、U、R和I基本物理量，就可以算出半導(dǎo)體制冷元件的特性參數(shù)：

制冷元件上的電壓降

輸入功率

冷端產(chǎn)冷量

熱端散熱量

定義制冷系數(shù)

需要測(cè)得的特性參數(shù)是半導(dǎo)體制冷元件的溫差電動(dòng)勢(shì)?。╒?°C-1）、導(dǎo)熱系數(shù)K（W?°C-1）和電阻R（8）。這些參數(shù)都是溫度的函數(shù)，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量它們?cè)谥评湓錈岫怂阈g(shù)平均溫度Ηm在0～50°C內(nèi)變化時(shí)的值。首先測(cè)的是Α和Kt，它們可在同一個(gè)測(cè)試過(guò)程中得到。給電加熱塊通上一定的電流，忽略通過(guò)保溫材料的傳熱，將電加熱塊的發(fā)熱量看作半導(dǎo)制冷元件的制冷負(fù)荷。在調(diào)溫用的元件兩電極通上直流電，一方面可調(diào)節(jié)被測(cè)元件的熱端溫度，從而調(diào)節(jié)被測(cè)元件的Ηm從0～50°C變化;另一方面，可以增加冷熱端之間的溫差，減小測(cè)溫誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，冷熱端維持的溫差小于15°C時(shí)，所得的特性參數(shù)有較大的偏差。

測(cè)量塞貝克系數(shù)時(shí)，利用式（2），令I(lǐng)=0，調(diào)節(jié)加熱塊功率和調(diào)溫元件電流，使制冷元件在不同的Ηm下其冷熱端維持一個(gè)溫差，同時(shí)測(cè)出半導(dǎo)體制冷元件的塞貝克電動(dòng)勢(shì)，就可得出不同Ηm下的塞貝克系數(shù)。在測(cè)量Α的同時(shí)，利用式（4），令I(lǐng)=0，根據(jù)不同制冷負(fù)荷和冷熱端溫差，計(jì)算出Kt.

測(cè)量元件電阻時(shí)，利用式（2）和已測(cè)得的塞貝克系數(shù)，給被測(cè)元件的兩端通上不同電流，同時(shí)和上述方法一樣，控制Ηm，測(cè)出冷熱端溫度和被測(cè)元件電流和兩端電壓，就可得出元件不同Ηm下的電阻值.