Peltier_帕尔帖_电流引线的原理及进展.pdf

Principle and development of Peltier current lead ——————————————————————————————————————— Peltier(帕尔帖) 电流引线的原理及进展 摘要：对帕尔帖效应及帕尔帖电流引线的原理和结构进行了介绍；分析了与常规电流 引线相比，帕尔帖电流引线的优势；说明了帕尔帖引线优化设计的目标，并给出了直流和交 流条件下帕尔帖电流引线的特性和实现最小漏热的优化设计；介绍了一种新型的帕尔帖电流 引线的研究和实验进展；提出了下一步研究方向的目标和展望。 关键词：帕尔帖；电流引线；优化设计；最小漏热 Principle and Development of Peltier Current Lead Abstract: The principle of Peltier effect is introduced; theory and schematic of the Peltier current lead (PCL) is analyzed. Advantages of PCL are presented compared with conventional current lead (CCL). In order to realize optimization of conduction-cooled PCL, characteristics of PCL system for AC and DC mode are analyzed. Latest research and experiment progress of a new type of PCL is proposed. Key words: Peltier current lead, PCL, optimization, heat leak 1 引言 在超导低温系统中, 电流引线是超导材料与室温器件形成通路的必要结构, 同时也是系 统总漏热的主要途径之一。特别是在直接冷却的超导低温系统中, 电流引线漏热是决定设计 方案的重要参数[1] 。 在减少电流引线的漏热方面有几次技术进步：首先是上世纪 70 年代提出的被称为气体 冷却电流引线的方法[2] 。对于液氦浸泡的超导体, 如果蒸发的气体与金属电流引线可以实现 良好的换热, 则漏热可以从 43mW /A 减小到 0. 93mW /A 。但是这种方法是针对于低温液体 浸泡的冷却方案提出的。80 年代开始, 二元引线逐渐受到关注, 其低温部分采用了高温超导 体(HTS), 在超导态下没有热产, 且热导率比铜低三个量级, 大大减少了制冷系统的负荷。结 合迅速发展的 G-M 制冷机技术, 采用直接冷却方案的低温超导系统开始显出优势。上个世 纪末 Yamaguchi 等人又提出在电流引线的室温处增加 Peltier 段, 并称之为 PCL(Peltier Current Leads) , 被视作又一次技术进步[3] 。热电模块的半导体材料热导率很小, 约为铜的 0. 4% , 加载电流时还具有制冷作用, 使得铜段的温度跨度减小, 从而减小了漏热。 2 帕尔帖电流引线的原理 1834 年法国科学家帕尔帖发现了热电致冷和致热现象，即温差电效应。由 n 、p 型材料 组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产 生吸热和放热现象，称这种现象为帕尔帖效应。 2.1 帕尔帖效应 对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的 材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低 能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。 当热电模块充当电流回路的一部分时，它会将热量从一个接触面“泵” 向另一个接触面 [4] 。对n型热电偶来说，热量泵的方向与电流方向平行；对p型热电偶来说，热量泵的方向与 电流方向反向（图1(a)）。通常情况下，n型和p型热电偶成对使用用于制冷，如图1(b)所示。 Yamaguchi提出，在低温超导