半導(dǎo)體制冷在投影儀散熱中應(yīng)用的前景

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。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?，半?dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機(jī)械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質(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)械過載條件下，能夠正常地工作；通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過切換電流方向，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，且易于控制。

　　1 半導(dǎo)體制冷基本原理

　　所謂的熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子（洞），因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower（Q）的參數(shù)來測量，其定義為Q=E/-dT（E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度）。

　　半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I[A]成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)。

　　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個連接點(diǎn)溫度不同時（T1<T2），導(dǎo)體回路就會產(chǎn)生電動勢（電流），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。

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　　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，例如當(dāng)時曾用金屬材料中導(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)用價值，因此珀?duì)柼?yīng)長時間不受重視。

　　由3塊金屬板和1對電偶臂組成的熱電偶，在通上如圖3所示的電流時，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，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。

　　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。[!--empirenews.page--]

　　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。

　　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，整個投影儀75％的功率都耗散在這個小小的燈泡上。如果長時間地連續(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。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。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。