摘 要： 介紹了一種不同于傳統(tǒng)制冷的半導(dǎo)體制冷技術(shù)的工作原理、材料特性和制冷特點(diǎn)及其取代傳統(tǒng)制冷的優(yōu)勢，對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)前景和關(guān)鍵問題進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體制冷；投影儀；制冷系數(shù)；優(yōu)值系數(shù)
溫度對發(fā)光二極管的電學(xué)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(jìn)而掌握儀器的最佳工作環(huán)境溫度。
半導(dǎo)體制冷，又稱電子制冷、溫差電制冷、熱電制冷或珀?duì)柼评涞龋?0世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)制冷技術(shù)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)[3]是一種靠空穴和電子在運(yùn)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(dǎo)體制冷不采用壓縮機(jī)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(yùn)動部件且可靠性高等特點(diǎn)。因此，對半導(dǎo)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(dǎo)體制冷基本原理
熱電效應(yīng)是半導(dǎo)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?duì)柼?yīng)。1821年，塞貝爾發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路中，當(dāng)2個(gè)連接點(diǎn)溫度不同時(shí)(T1<T2)，導(dǎo)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(xué)家珀?duì)柼诖嘶A(chǔ)上做了一個(gè)相反的實(shí)驗(yàn)：用兩種不同導(dǎo)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?duì)柼?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)。
2 半導(dǎo)體制冷的材料特性
普通金屬導(dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)微弱，制冷效果不佳。例如當(dāng)時(shí)曾用金屬材料中導(dǎo)熱和導(dǎo)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(shí)用價(jià)值，因此珀?duì)柼?yīng)長時(shí)間不受重視。但是隨著材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)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(dǎo)體和1塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成)組成的熱電偶，在通上如圖3所示的電流時(shí)，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(dá)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(shí)驗(yàn)表明，與普通金屬相比，半導(dǎo)體電路的珀?duì)柼?yīng)明顯增強(qiáng)。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。
通常半導(dǎo)體制冷器由許多N型和P型半導(dǎo)體組成，N、P結(jié)之間以一般導(dǎo)體連接成完整線路，通常采用鋁、銅或其他金屬導(dǎo)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(dǎo)熱性能要良好，如圖4所示。
并非所有半導(dǎo)體材料[5]都能制作半導(dǎo)體制冷器，這里所說的半導(dǎo)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(fù)雜的化合物半導(dǎo)體，如P型的Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、AgCuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半導(dǎo)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(gè)與材料的溫差電動勢率、電導(dǎo)率、電阻率、熱導(dǎo)率(包括晶格熱導(dǎo)率、電子熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體制冷的特點(diǎn)
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(dǎo)體制冷具有以下特點(diǎn)：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(yùn)行；制冷系統(tǒng)無機(jī)械轉(zhuǎn)動，所以無噪音、無磨損、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便；便于通過改變電流方向達(dá)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(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié)。
4 半導(dǎo)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?zé)襞?，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(gè)投影儀75％的功率都耗散在這個(gè)小小的燈泡上。如果長時(shí)間地連續(xù)使用，導(dǎo)致燈泡溫度太高。一旦溫度達(dá)到該區(qū)域工作臨界點(diǎn)以上，此時(shí)投影儀內(nèi)部的保護(hù)程序?qū)⒈粏?，自動關(guān)閉投影儀，進(jìn)入休眠狀態(tài)而無法正常工作。
鑒于半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)，可以研制一種半導(dǎo)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(dǎo)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(jì)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(gè)熱管，保持半導(dǎo)體在正常的溫差下工作。
現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷技術(shù)已在軍事、科學(xué)、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(jì)建設(shè)的快速發(fā)展以及對環(huán)境保護(hù)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(dǎo)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(dǎo)體制冷具有重量輕、尺寸小、無運(yùn)動部件及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在制冷系數(shù)低、成本高等問題。正因如此，對半導(dǎo)體制冷的理論與實(shí)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。
參考文獻(xiàn)
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