半導體制冷在投影儀散熱中的應用展望

呂玉坤，李艷奇

(華北電力大學 能源與動力工程學院，河北 保定 071000)

溫度對發光二極管的電學和光譜參數均有較大影響[1-2]。一些采用發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，進而掌握儀器的最佳工作環境溫度。

半導體制冷，又稱電子制冷、溫差電制冷、熱電制冷或珀爾帖制冷等，是20世紀60年代迅速發展起來的一項制冷技術。半導體制冷技術[3]是一種靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量的固體制冷方式。與普通制冷技術不同，半導體制冷不采用壓縮機和制冷劑，不依賴制冷劑的相變傳遞熱量，具有體積小、重量輕、無運動部件且可靠性高等特點。因此，對半導體制冷技術的研究是解決投影儀受溫度影響的基礎。

1 半導體制冷基本原理

熱電效應是半導體制冷的最基本依據，其中最著名的是塞貝爾效應和珀爾帖效應。1821年，塞貝爾發現在用兩種不同導體組成閉合回路中，當2個連接點溫度不同時(T1＜T2)，導體回路就會產生電動勢(電流)，即塞貝爾效應，如圖1所示。1834年，法國科學家珀爾帖在此基礎上做了一個相反的實驗：用兩種不同導體組成閉合回路并通直流電，連接處出現了一端冷、一端熱的現象，即珀爾帖效應，如圖2所示。顯然其本質就是塞貝爾效應的逆效應。

圖1 塞貝爾效應

圖2 珀爾貼效應

2 半導體制冷的材料特性

普通金屬導體的珀爾帖效應微弱，制冷效果不佳。例如當時曾用金屬材料中導熱和導電性能最好的銻-鉍(Sb-Bi)熱電偶做成制冷器,但其制冷效率還不到1%，根本沒有實用價值，因此珀爾帖效應長時間不受重視。但是隨著材料科學的進一步發展，人們發現半導體材料的珀爾帖效應遠強于普通金屬[4]。

由3塊金屬板和1對電偶臂(由1塊P型半導體和1塊N型半導體構成)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。實驗表明，與普通金屬相比，半導體電路的珀爾帖效應明顯增強。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、并聯、混聯上述電偶組成制冷電堆，獲得數瓦到數千瓦的制冷量。但是決定制冷器性能的主要因素還是熱電對的性能。

圖3 半導體制冷原理

通常半導體制冷器由許多N型和P型半導體組成，N、P結之間以一般導體連接成完整線路，通常采用鋁、銅或其他金屬導體，最后像夾心餅干一樣，外夾2片陶瓷片。陶瓷片必須絕緣，而且導熱性能要良好，如圖4所示。

圖4 半導體制冷器實物圖

并非所有半導體材料[5]都能制作半導體制冷器，這里所說的半導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)，而是相對復雜的化合物半導體，如 P型的 Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、Ag-CuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半導體材料熱電性能的系數用Z表示，稱為優值系數。它是一個與材料的溫差電動勢率、電導率、電阻率、熱導率(包括晶格熱導率、電子熱導率)相關的綜合參數，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，同種半導體材料的Z值還與溫度有關，溫度不同Z值也不同，即：同種半導體材料在常溫下可做制冷材料，而在低溫下則不可行。

3 半導體制冷的特點

與傳統的蒸氣壓縮式、蒸氣噴射式和吸收式制冷等技術相比，半導體制冷具有以下特點：不使用制冷劑、不污染環境，綠色環保；體積小、重量輕、結構簡單、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境下運行；制冷系統無機械轉動，所以無噪音、無磨損、運行可靠、維護方便；便于通過改變電流方向達到冷卻和加熱的不同目的；具有發電能力，在制冷組件兩面建立溫差可產生直流電；冷卻速度不僅快，而且便于通過工作電流大小實現可控調節。

4 半導體制冷應用于投影儀展望

投影儀產生的熱量最主要來自于燈泡。無論是傳統的金屬鹵素燈泡，還是 UHE、UHP等冷光源燈泡，在使用過程中都會發出很多熱量，而投影儀設備本身的體積小，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。如果長時間地連續使用，導致燈泡溫度太高。一旦溫度達到該區域工作臨界點以上，此時投影儀內部的保護程序將被啟動，自動關閉投影儀，進入休眠狀態而無法正常工作。

鑒于半導體制冷的特點，可以研制一種半導體制冷器，將其放置在投影儀的燈泡底部或側面。

考慮的主要問題有：半導體冷端易結露和熱端散熱。針對冷端結露問題將制冷片設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露，也能很快被燈泡和供電元件散發出的熱量迅速蒸發掉。熱端可以附加1個熱管，保持半導體在正常的溫差下工作。

現在半導體制冷技術已在軍事、科學、航空航天、工業、農業、醫療衛生、生化和日常生活用品等許多領域得到較廣泛的應用，特別是隨著我國經濟建設的快速發展以及對環境保護越來越高的要求，逐步禁止污染大氣、破壞臭氧層的氟利昂作為制冷劑，使半導體制冷技術呈現廣闊的應用前景[6]。

與常規蒸氣壓縮制冷相比，半導體制冷具有重量輕、尺寸小、無運動部件及可靠性高等優點，但也存在制冷系數低、成本高等問題。正因如此，對半導體制冷的理論與實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前景是可行的。

[1]ACHARYA Y B.Effect of temperature dependence of band gap and device constant on I-V characteristics of junctiondiode[J].Solid-State Elect ronics， 2001，45：1115-1119.

[2]周亞訓，王曉東.溫度和電場對a-SiC：HTFLED發光亮度的影響[J].半導體光電，2000，21(1)：70-72.

[3]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].第2版.上海：上海交通大學出版社，1999.

[4]吳麗清，陳金燦，嚴子俊.湯姆遜效應對半導體制冷器性能的影響[J].半導體學報，1997，18(6)：448-452.

[5]劉華軍，李來風.半導體熱電制冷材料的研究進展[J].低溫工程，2004(1)：32-38.

[6]倪美琴，陳興華.關注半導體制冷與發展[J].制冷與空調，2001(2).