半导体制冷在投影仪散热中应用的前景

温度对发光二极管的电学和光谱参数均有较大影响。一些采用发光二极管作为光源的投影仪，为了保证仪器性能并且能正常工作，需要对其光源受温度影响的特性作深入的研究，进而掌握仪器的最佳工作环境温度。

　　半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，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，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

　　1 半导体制冷基本原理

　　所谓的热电效应，是当受热物体中的电子（洞），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower（Q）的参数来测量，其定义为Q=E/-dT（E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度）。

　　半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。

　　热电效应是半导体制冷的最基本依据，其中最着名的是塞贝尔效应和珀尔帖效应。1821年，塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当2个连接点温度不同时（T1<T2），导体回路就会产生电动势（电流），如图1所示。1834年，法国科学家珀尔帖在此基础上做了一个相反的实验：用两种不同导体组成闭合回路并通直流电，连接处出现了一端冷、一端热的现象，即珀尔帖效应，如图2所示。

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　　2 半导体制冷的材料特性

　　普通金属导体的珀尔帖效应微弱，例如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋（Sb-Bi）热电偶做成制冷器，但其制冷效率还不到1%，根本没有实用价值，因此珀尔帖效应长时间不受重视。

　　由3块金属板和1对电偶臂组成的热电偶，在通上如图3所示的电流时，金属板1会从周围吸收热量，而金属板2、3则释放热量。金属板1作为工作端可达到制冷的目的，而将电源极性反过来（即通以反方向电流），金属板2、3吸收热量，金属板1释放热量。在这种情况下，若金属板1作为工作端，则如图3所示的就是制热器了。实验表明，与普通金属相比，半导体电路的珀尔帖效应明显增强。图3中这对电偶制冷量很小，通常只有几百毫瓦到2~3 W之间，为了得到更好的制冷效果，通常串联、并联、混联上述电偶组成制冷电堆，获得数瓦到数千瓦的制冷量。

　　通常半导体制冷器由许多N型和P型半导体组成，N、P结之间以一般导体连接成完整线路，通常采用铝、铜或其他金属导体，最后像夹心饼干一样，外夹2片陶瓷片。陶瓷片必须绝缘，而且导热性能要良好，如图4所示。[!--empirenews.page--]

　　并非所有半导体材料[5]都能制作半导体制冷器，这里所说的半导体材料不是人们熟悉和常见的制造二极管、三极管等电子器件的硅（Si）或锗（Ge），而是相对复杂的化合物半导体，如P型的Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、AgCuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半导体材料热电性能的系数用Z表示，称为优值系数。它是一个与材料的温差电动势率、电导率、电阻率、热导率（包括晶格热导率、电子热导率）相关的综合参数，其量纲为K-1。上述几种材料的Z值在3×10-3K-1左右。Z值越大，说明材料的热电性能越好，制作的制冷器在相同条件下的制冷效率就越高。此外，同种半导体材料的Z值还与温度有关，温度不同Z值也不同。

　　3 半导体制冷的特点

　　与传统的蒸气压缩式、蒸气喷射式和吸收式制冷等技术相比，半导体制冷具有以下特点：不使用制冷剂、不污染环境，绿色环保；体积小、重量轻、结构简单、容易操作；可只冷却某一专门元件或指定空间；可在失重或超重等极端环境下运行；制冷系统无机械转动，所以无噪音、无磨损、运行可靠、维护方便；便于通过改变电流方向达到冷却和加热的不同目的；具有发电能力，在制冷组件两面建立温差可产生直流电；冷却速度不仅快，而且便于通过工作电流大小实现可控调节。

　　4 半导体制冷应用于投影仪展望

　　投影仪产生的热量最主要来自于灯泡。无论是传统的金属卤素灯泡，还是UHE、UHP等冷光源灯泡，在使用过程中都会发出很多热量，而投影仪设备本身的体积小，热量很集中，整个投影仪75％的功率都耗散在这个小小的灯泡上。如果长时间地连续使用，导致灯泡温度太高。一旦温度达到该区域工作临界点以上，此时投影仪内部的保护程序将被启动，自动关闭投影仪，进入休眠状态而无法正常工作。

　　鉴于半导体制冷的特点，可以研制一种半导体制冷器，将其放置在投影仪的灯泡底部或侧面。

　　考虑的主要问题有：半导体冷端易结露和热端散热。针对冷端结露问题将制冷片设计成特殊的凹槽形状，延展了制冷片的面积，即使制冷片有轻微结露，也能很快被灯泡和供电元件散发出的热量迅速蒸发掉。热端可以附加1个热管，保持半导体在正常的温差下工作。

　　现在半导体制冷技术已在军事、科学、航空航天、工业、农业、医疗卫生、生化和日常生活用品等许多领域得到较广泛的应用，特别是随着我国经济建设的快速发展以及对环境保护越来越高的要求，逐步禁止污染大气、破坏臭氧层的氟利昂作为制冷剂，使半导体制冷技术呈现广阔的应用前景。与常规蒸气压缩制冷相比，半导体制冷具有重量轻、尺寸小、无运动部件及可靠性高等优点，但也存在制冷系数低、成本高等问题。研制一种小型制冷装置，以解决投影仪光源等核心部件因超温睡眠而无法正常工作的技术前景是可行的。