半导体制冷元件能效比测定

1、半导体制冷元件能效比测定热能111 许俊洪 201110814124一、实验目的：1、掌握半导体制冷原理，采用热平衡法测定半导体制冷片在不同环境下的 制冷效率；2、结合电子技术，体验分析半导体制冷不同接法时产生的不同效果；3、培养学生实验观察分析能力，提高创新学习能力。二、实验原理：热电效应：热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在无外磁场存在时，它 包括五个效应；导热，焦耳热损失，西伯克效应，帕尔贴效应和汤姆逊效应。半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电 子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从 P型穿 过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而

2、且增加的能量相 当于结点所消耗的能量。相反，当电子从 N型流至P型材料时，结点的温 度就会升高。这样，半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者 的要求。如图1所示，把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结 成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。 电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；电流方向是从 P 至N，温度上升并且放热，这就是热端。图1半导体制冷原理图三、实验所用仪器与设备：实验设备由双路可调直流电源、半导体制冷试验台、电子温度计及水泵冷却 系统等组成。半导体制冷试验台系统图如图2所示。卷泡材料加热电阻半导体制冷片导热铝块数字温度计口水冷散热

3、器图例图2半导体制冷试验台系统图根据半导体的制冷原理接好设备的电路和冷却系统，注意：半导体的红线接电源 正极，黑线接电源负极。四、实验步骤和数据处理：1、按照试验要求，设计电路，并让老师检查后方可进行下一步操作。2、连接好装置，加热电阻和制冷片连载直流电压源上，水泵与水冷散热器 相连，数字温度计的温度传感器插进测温孔里。3、开启水泵，让水流经过水冷散热器，确保水泵正常工作，以免散热器难 以散热。3、将电压调到0V，再接通制冷片的电路，然后缓慢调高电压，调到额定电流时停止调压，等到温度变化不大时，记录下冷面温度和热面温度气,此时的电流I0和电压匕。4、接通加热电阻的电路，测出在五个不同的电压下的

4、冷面温度。、热面温度t、加热电阻的电压V和电流【、制冷片的电压V和电流1注意：调节电21122压最好在额定电压以下调节，不要超过额定功率的10%30%，记录好数据。5、实验做完之后，不要瞬间把电源切断，要逐渐把电压调低，等到设备的 温度跟环境温度相差不多时切断电源，从而保护设备，最后关掉水泵，收拾好装 置。6、记录数据试验数据记录表格实验次 数冷面温 度L热面温 度t2加热电 流加热电压v1制冷电 流I2制冷电 压V2温差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、计算温度差Mt=t2-t1计算功率PP=UI计算效率n =P /P(P =I V P =I *V)1211* 12228、根据数据做出n t图线At/C1）测出来来的温度会比理论的要小，因为温度计需要通过导热片导热测出来 的，在传热的过程中会有小部分损失。2）读数误差，也就是温度还没达到平衡时就读数而出现误差。3）整个过程中并不能保证是绝热的，在实验过程中都会有少部分的热量会损 失而导致误差。五、注意事项

6、1、接通电路时先确保水泵正常工作，即有水流流过散热器。2、调节电源时需缓慢调节，以免由于电子元件突然功率过大而烧毁。在调节过程中，最好使得电压在额定范围内。3、读数时要等到温度稳定或者变化不大的情况下读数，减少误差4、实验做完之后小心收拾好装置，摆放到原来的位置。六、思考题1、什么是帕尔帖效应，半导体制冷原理是什么？答：帕帖尔效应是指电流流过两种不同导体的界面时，从外界吸收热量， 或向外界放出热量的相像；半导体制冷的原理是把一个P型半导体元件和 一个N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就 会产生温差和热量的转移，从而产生制冷效果。2、半导体制冷与输入电压有什么关系？答：当一

7、块N型半导体材料和一块P型半导体材料联成电偶对时，在这 个电路中接通直流电流后，就能发生能量的转移，电流由N型元件流向P 型元件的接头吸收热量。成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量。 成为热端，从而说明放热由电流的方向决定，吸收热量和放出热量的大小由 电流大小不决定。3、半导体制冷制热系统应用中应该考虑哪些影响因素？答：接触热阻的影响，对于制冷器冷端而言，相当于增加了器件内部的 热载，使制冷量减小，对热端而言，则增加了功耗；冷热端辐射、对流换热 的影响。4、为什么要先开水泵并保证有水流过后才能开始实验？答：先开水泵使半导体制冷器中的空气排出，从而增强制冷器热端的散 热效率，提高制冷器制冷效果。同时避免由于温度过高使制冷器丧失制冷效 果。5、为什么可以用加热器的功率来表示制冷量？答：制冷器通过加热器产生的热量与制冷量的平衡来衡量其制冷效果。 也就是说，当制热量与制冷量平衡时，加热器的功率就等于制冷量。6、如果用风冷来代替水冷会出现什么样的情况？答：由于水冷比风冷的冷却效果好很多，从而能使半导体制冷器快速散 热。如果使用风冷代替水冷，可能会使半导体制冷器由于不能及时散热而降 低制冷效果甚至丧失制冷能力。7、相对其他制冷设备来说，半导体制冷片有哪些优点？答：半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，