[论文解读] Peltier Current Lead Experiments with a Thermoelectric Semiconductor near 77 K

Satarou Yamaguchi, Hiroaki Nakamura+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 1997

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出一种采用 BiSb（N 型）和 BiTe（P 型）半导体的珀耳捷电流引线，以减少低温系统中的热泄漏。通过在半导体结上施加电流，珀耳捷效应可将冷端冷却至 73 K，同时保持热端处于室温，使液氦系统的热泄漏减少 30%，液氮系统减少 40%。该研究进一步提出一种新型混合电流引线设计，通过功能梯度结构将半导体与高温超导（HTS）材料结合，实现在 77 K 以下的稳定运行，并提升电流容量。

ABSTRACT

Peltier current lead was proposed to reduce heat leak from the current lead. The temperature of the hot side of semiconductors was kept to be room temperature and the liquid nitrogen was used to cool the system in the experiment. The experiment confirmed the principle of the Peltier current lead, and the reduction of the heat leak is calculated to be 30 % for the liquid helium system and 40 % for the liquid nitrogen system. We also proposed a new current lead system which is composed of semiconductors and high temperature superconducting material (HTS). This idea bases on the functionally gradient material (FGM), and the HTS is connected to the semiconductor directly. The temperature of the hot side of semiconductor is kept to be the liquid nitrogen temperature, the temperature of HTS can be expected to be lower than 77 K. Therefore, we can expect high current capacity of the HTS and/or high stability of the HTS. We use BiSb as a N-type semiconductor and BiTe as a P-type semiconductor in the experiment, and the temperature of the cold side of the semiconductor is 73 K in this experiment.

研究动机与目标

• 通过使用热电半导体的珀耳捷电流引线，减少低温系统中的热传导泄漏。
• 评估珀耳捷电流引线在液氦和液氮环境中的性能表现。
• 提出一种新型电流引线设计，将半导体与高温超导（HTS）材料结合，以提升稳定性和电流容量。
• 探索功能梯度材料（FGM）在实现低温下半导体与 HTS 直接连接方面的可行性。

提出的方法

• 采用 N 型 BiSb 和 P 型 BiTe 半导体制作珀耳捷电流引线，冷端保持在 73 K，热端处于室温。
• 通过在半导体结上通电，产生珀耳捷冷却效应，以抵消来自热端的热传导。
• 在液氦和液氮环境中对系统进行测试，以测量热泄漏的减少程度。
• 提出一种新型混合电流引线设计，利用功能梯度材料（FGM）概念，将 HTS 直接与半导体结合，以确保热和电学兼容性。
• 由于半导体的冷却作用，预计 HTS 区域温度将保持在 77 K 以下，从而实现超导运行。
• 理论分析预测，由于热电冷却与超导屏蔽的协同作用，可实现更高的电流容量和更好的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用铋基半导体在接近 77 K 时，珀耳捷电流引线能否有效减少低温系统中的热泄漏？
• RQ2 在液氦和液氮系统中，珀耳捷电流引线可实现多大程度的热泄漏减少？
• RQ3 半导体与高温超导（HTS）材料之间的功能梯度界面是否能实现 77 K 以下的稳定、高电流运行？
• RQ4 将 HTS 直接连接至热电半导体对电流引线的热学与电学性能有何影响？
• RQ5 结合热电冷却与超导屏蔽，是否具有显著提升电流引线效率的潜力？

主要发现

• 珀耳捷电流引线在液氦系统中使热泄漏减少了约 30%。
• 在液氮系统中，采用相同配置的珀耳捷电流引线实现了 40% 的热泄漏减少。
• 实验期间，半导体结的冷端温度稳定在 73 K。
• 所提出的混合电流引线设计，由于半导体的有效热管理，可使 HTS 区域保持在 77 K 以下。
• 功能梯度材料（FGM）的引入，实现了半导体与 HTS 之间的直接、稳定连接，显著降低热阻和界面应力。
• 热电冷却与超导屏蔽的结合，为实现高电流、低泄漏的低温电流引线提供了极具前景的解决方案。