半導(dǎo)體制冷元件能效比測(cè)定

1、半導(dǎo)體制冷元件能效比測(cè)定熱能111 許俊洪 201110814124一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握半導(dǎo)體制冷原理，采用熱平衡法測(cè)定半導(dǎo)體制冷片在不同環(huán)境下的 制冷效率；2、結(jié)合電子技術(shù)，體驗(yàn)分析半導(dǎo)體制冷不同接法時(shí)產(chǎn)生的不同效果；3、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察分析能力，提高創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。二、實(shí)驗(yàn)原理：熱電效應(yīng)：熱電制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)。在無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)，它 包括五個(gè)效應(yīng)；導(dǎo)熱，焦耳熱損失，西伯克效應(yīng)，帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N型材料有多余的電 子，有負(fù)溫差電勢(shì)。P型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)；當(dāng)電子從 P型穿 過(guò)結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度降低，其能量必然增加，而

2、且增加的能量相 當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。相反，當(dāng)電子從 N型流至P型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫 度就會(huì)升高。這樣，半導(dǎo)體元件可以用各種不同的連接方法來(lái)滿(mǎn)足使用者 的要求。如圖1所示，把一個(gè)P型半導(dǎo)體元件和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié) 成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。 電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；電流方向是從 P 至N，溫度上升并且放熱，這就是熱端。圖1半導(dǎo)體制冷原理圖三、實(shí)驗(yàn)所用儀器與設(shè)備：實(shí)驗(yàn)設(shè)備由雙路可調(diào)直流電源、半導(dǎo)體制冷試驗(yàn)臺(tái)、電子溫度計(jì)及水泵冷卻 系統(tǒng)等組成。半導(dǎo)體制冷試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖如圖2所示。卷泡材料加熱電阻半導(dǎo)體制冷片導(dǎo)熱鋁塊數(shù)字溫度計(jì)口水冷散熱

3、器圖例圖2半導(dǎo)體制冷試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖根據(jù)半導(dǎo)體的制冷原理接好設(shè)備的電路和冷卻系統(tǒng)，注意：半導(dǎo)體的紅線接電源 正極，黑線接電源負(fù)極。四、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理：1、按照試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)電路，并讓老師檢查后方可進(jìn)行下一步操作。2、連接好裝置，加熱電阻和制冷片連載直流電壓源上，水泵與水冷散熱器 相連，數(shù)字溫度計(jì)的溫度傳感器插進(jìn)測(cè)溫孔里。3、開(kāi)啟水泵，讓水流經(jīng)過(guò)水冷散熱器，確保水泵正常工作，以免散熱器難 以散熱。3、將電壓調(diào)到0V，再接通制冷片的電路，然后緩慢調(diào)高電壓，調(diào)到額定電流時(shí)停止調(diào)壓，等到溫度變化不大時(shí)，記錄下冷面溫度和熱面溫度氣,此時(shí)的電流I0和電壓匕。4、接通加熱電阻的電路，測(cè)出在五個(gè)不同的電壓下的

4、冷面溫度。、熱面溫度t、加熱電阻的電壓V和電流【、制冷片的電壓V和電流1注意：調(diào)節(jié)電21122壓最好在額定電壓以下調(diào)節(jié)，不要超過(guò)額定功率的10%30%，記錄好數(shù)據(jù)。5、實(shí)驗(yàn)做完之后，不要瞬間把電源切斷，要逐漸把電壓調(diào)低，等到設(shè)備的 溫度跟環(huán)境溫度相差不多時(shí)切斷電源，從而保護(hù)設(shè)備，最后關(guān)掉水泵，收拾好裝 置。6、記錄數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格實(shí)驗(yàn)次 數(shù)冷面溫 度L熱面溫 度t2加熱電 流加熱電壓v1制冷電 流I2制冷電 壓V2溫差t效率n1-16.56331.875007.510.848.43802-11.0034.8751.04.07.510.845.8750.04943-0.31336.9372.

5、07.57.511.037.250.18245.68838.4382.59.27.511.032.750.279513.56339.7503.010.97.511.026.1870.3967、計(jì)算溫度差Mt=t2-t1計(jì)算功率PP=UI計(jì)算效率n =P /P(P =I V P =I *V)1211* 12228、根據(jù)數(shù)據(jù)做出n t圖線At/C1）測(cè)出來(lái)來(lái)的溫度會(huì)比理論的要小，因?yàn)闇囟扔?jì)需要通過(guò)導(dǎo)熱片導(dǎo)熱測(cè)出來(lái) 的，在傳熱的過(guò)程中會(huì)有小部分損失。2）讀數(shù)誤差，也就是溫度還沒(méi)達(dá)到平衡時(shí)就讀數(shù)而出現(xiàn)誤差。3）整個(gè)過(guò)程中并不能保證是絕熱的，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都會(huì)有少部分的熱量會(huì)損 失而導(dǎo)致誤差。五、注意事項(xiàng)

6、1、接通電路時(shí)先確保水泵正常工作，即有水流流過(guò)散熱器。2、調(diào)節(jié)電源時(shí)需緩慢調(diào)節(jié)，以免由于電子元件突然功率過(guò)大而燒毀。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，最好使得電壓在額定范圍內(nèi)。3、讀數(shù)時(shí)要等到溫度穩(wěn)定或者變化不大的情況下讀數(shù)，減少誤差4、實(shí)驗(yàn)做完之后小心收拾好裝置，擺放到原來(lái)的位置。六、思考題1、什么是帕爾帖效應(yīng)，半導(dǎo)體制冷原理是什么？答：帕帖爾效應(yīng)是指電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，從外界吸收熱量， 或向外界放出熱量的相像；半導(dǎo)體制冷的原理是把一個(gè)P型半導(dǎo)體元件和 一個(gè)N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就 會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生制冷效果。2、半導(dǎo)體制冷與輸入電壓有什么關(guān)系？答：當(dāng)一

7、塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)成電偶對(duì)時(shí)，在這 個(gè)電路中接通直流電流后，就能發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P 型元件的接頭吸收熱量。成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量。 成為熱端，從而說(shuō)明放熱由電流的方向決定，吸收熱量和放出熱量的大小由 電流大小不決定。3、半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)該考慮哪些影響因素？答：接觸熱阻的影響，對(duì)于制冷器冷端而言，相當(dāng)于增加了器件內(nèi)部的 熱載，使制冷量減小，對(duì)熱端而言，則增加了功耗；冷熱端輻射、對(duì)流換熱 的影響。4、為什么要先開(kāi)水泵并保證有水流過(guò)后才能開(kāi)始實(shí)驗(yàn)？答：先開(kāi)水泵使半導(dǎo)體制冷器中的空氣排出，從而增強(qiáng)制冷器熱端的散 熱效率，提高制冷器制冷效果。同時(shí)避免由于溫度過(guò)高使制冷器喪失制冷效 果。5、為什么可以用加熱器的功率來(lái)表示制冷量？答：制冷器通過(guò)加熱器產(chǎn)生的熱量與制冷量的平衡來(lái)衡量其制冷效果。 也就是說(shuō)，當(dāng)制熱量與制冷量平衡時(shí)，加熱器的功率就等于制冷量。6、如果用風(fēng)冷來(lái)代替水冷會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況？答：由于水冷比風(fēng)冷的冷卻效果好很多，從而能使半導(dǎo)體制冷器快速散 熱。如果使用風(fēng)冷代替水冷，可能會(huì)使半導(dǎo)體制冷器由于不能及時(shí)散熱而降 低制冷效果甚至喪失制冷能力。7、相對(duì)其他制冷設(shè)備來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體制冷片有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：半導(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，