半導體制冷技術以及發展前景

摘 要：半導體制冷又名熱電制冷或溫差電制冷，是一種新型的制冷技術，主要是珀爾帖效應在制冷技術的應用。與傳統的制冷方式相比，半導體制冷沒有制冷劑和一些復雜的機械設備，它具有無噪音，無振動，良好的環境友好型，應用廣泛。由于單個制冷電偶的制冷效率和能力比較低，所以多級串聯和并聯的熱電堆將具有很大的發展潛力。基于以上的方面，本文將從半導體制冷原理，多級半導體制冷技術以及半導體制冷與傳統制冷技術的異同方面進行介紹，同時查閱了大量的國內外文獻，對半導體制冷在工業技術，電子技術和自動控制技術方面的發展前景進行介紹。

關鍵詞：半導體制冷；帕爾帖效應；制冷效率；熱電堆

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上個世紀初，人們做了很多電磁的實驗，發現了金屬材料的熱電效應，但是由于這些金屬材料的熱電性能比較差，所以效率是非常低的。直到本世紀50年代之后，半導體材料發展迅速，所以致使熱電效率也大幅的增加，從而使熱電制冷也開始發展。由于半導體材料具有非常好的熱電能量轉換性質，將它的這一性質在熱電制冷中得到了應用，所以把熱電制冷叫做半導體制冷；同時又由于帕爾帖效應與溫差發電對應，所以又叫做溫差電制冷。這種比較新型的制冷技術與傳統的制冷技術不同，沒有制冷劑和一些制冷設備，從而在一些特殊的領域中將得到十分廣闊的前景。

熱電效應是由塞貝克、珀爾帖、湯姆遜、焦耳和富里葉五種不同的效應組成的，其中前三種效應電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應的熱是不可逆效應。

1 半導體制冷技術

1.1 半導體制冷的原理

熱電制冷裝置是由熱電制冷效率較好的，熱電效應比較明顯的半導體熱電偶構成的。如圖1-1所示，把一只N型半導體元件和一個P型半導體元件組合成的熱電偶，通電之后，就會在接頭處產生熱量的轉移和溫度差。對于N型半導體，其導電機構是自由電子，與金屬的價電子相類似；對于P型半導體，其導電機構是空穴，與自由電子的區別是電荷數相等而符號相反。所以，上面的接頭處是冷端，吸熱且溫度下降，電流的方向是N到P；下面的接頭處是熱端，放熱且溫度上升，電流的方向是P到N。其次借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環境中去不斷的吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。

Z代表了熱點材料的一種特性。同時可以決定制冷元件所能達到的最大溫差。由上式可以得到，為了提高優值系數Z，就要提高溫差電動勢α，降低電阻率R和導熱系數K。上式公式也說明熱電材料性能的提高還要有待于半導體材料的發展，因為金屬的熱電勢很低，而半導體靠空穴和電子可以呈現出非常大的溫差電動勢。

其次電偶在熱端放出的熱量：QH=Q0+Q1，其中Q1為一對電偶的消耗功率，故放熱系數ε1 = QH/Q1 = 1+ε。可以看出利用熱電原理做熱泵是很有利的。

1.2 多級半導體制冷

一個P型和N型半導體制冷元件與連接片串聯起來，組成的制冷單元稱為單級熱電堆。但是由于單個制冷電偶的制冷效率比較低，如果把電偶進行串聯或并聯起來組成多級熱電堆，這樣就會增大制冷溫差，所以制冷效率將會大大提高。

如下圖所示，圖1-2是常見的二級堆串聯電路，圖1-3是常見的二級堆并聯電路，圖1-4是常見的串并聯混合電路。

串聯型多級熱電堆的特點是各級的電流都相同。級與級之間需要一層電絕緣導熱層，（一般用陽級氧化鋁、氧化鈹等[1]），同時為了使每一級都處于最佳工作電流，上一級元件的長度比下一級元件的長度要略長一點，來防止上一級元件電導率增加引起的電流的偏離。對于串聯型多級熱電堆在同一溫差和承受同一負載時要比并聯型消耗較大的功率。

并聯型多級熱電堆的特點是工作電流較大，級與級之間無需電絕緣導熱層，因此級間無有害溫差。同時各級的電偶數與級數應對應相等，每一級的兩邊的兩個元件的截面積應比中間的大一些。其次把并聯型多級堆各級的中間部位斷開，在級與級之間加上絕緣層之后，用導線連接起來可以成為串聯多級電堆。

串并聯多級熱電堆的特點結合串聯型多級熱電堆的特點和并聯型多級熱電堆的特點。

如前所述，熱端的散熱量比冷端產冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，為了得到較大溫差，第一級元件對數比第二級元件對數大許多倍。由于這個因素以及溫度越低熱電性能越差，所以級數不宜過多，一般2到3級為宜。

1.3 半導體制冷技術與機械壓縮制冷技術的異同

半導體制冷與機械壓縮制冷相比，在正常工作通入電流時，自由電子和空穴在電場的作用下，離開熱電堆的冷端向熱端運動，這一過程相當于制冷機中的壓縮過程，其中熱電堆起壓縮機的作用。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時產生空穴—電子對，這一過程相當于在蒸發器中的吸熱和蒸發過程，其中冷端及其熱交換器起著蒸發器的作用。在熱電堆的熱端，發生空穴—電子對的復合，同時通過熱交換器散熱，相當于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結，其中熱端及其熱交換器起著冷凝器的作用。

半導體制冷與機械壓縮制冷的區別在于：不使用制冷劑，有很好的環境友好型，消除了制冷劑泄漏對環境的危害，所以對一些特定的場合比較適用；沒有制冷裝置的運動部件，所以無噪音，無振動，工作可靠，維護比較方便；半導體制冷的尺寸比較小型化，在一些場合可以提現出它的優勢；半導體制冷可以通過調節工作電壓來改變它的制冷量；半導體制冷一般使用直流電工作，所以對工作電壓的脈動范圍有一定的要求。

基于以上半導體制冷所表現出來的特點，在一些特殊的，不能使用制冷劑的情況中，以及一些小容量等一些制冷條件中，半導體制冷表現出了它的優越性，同時也成為了現代制冷技術中的一個重要的組成部分。

2 半導體制冷技術的發展前景

2.1 半導體制冷在工業技術的應用

半導體制冷在工業上的應用也是非常廣泛的，一些產品的生產工藝及產品的性能的測試都離不開半導體制冷；一些變電站的除濕問題也需要通過半導體制冷解決；潤滑油等一些液體的恒溫控制，通過半導體制冷都能很方便的解決。其次半導體制冷在真空技術中也有非常重要的應用。所以，半導體制冷技術的發展對工業技術具有非常大的意義。

2.2 半導體制冷在電子技術的應用

半導體制冷在電子技術的發展中是一項不可缺少的先進技術，在一些大規模的集成電路，功率元件和一些設備冷卻方面，半導體都提現了它獨一無二的功能。同時，隨著現代技術的進步，對各類電子元器件的溫度性能要求越來越高，而利用熱電制冷器的正反向工作特性，就能早就一個合適的高低溫條件，而且工作容積非常小，使用方便，應用范圍也非常廣泛。

2.3 半導體制冷在測溫技術的應用

隨著現代制冷技術的進步，半導體制冷技術在測溫技術方面也表現出了它極大的優勢。例如半導體制冷零點儀的出現，改變了一般習慣上使用冰作為電熱偶測溫零度基準點的傳統，并且操作簡單，零點準確，在測溫技術中是一個重大的創新。由此可見半導體制冷在測溫技術中的應用是其他制冷技術所不能代替的。

3 結論

（1）半導體制冷技術雖然在制冷過程中表現出了它獨特的優勢，但是其制冷效率還是比較低的，所以現在提高半導體的優值系數Z顯得尤為重要。

（2）相比與單級制冷熱電堆，多級制冷熱電堆可以獲得更大的溫差和更低的溫度，所以大大提高了制冷效率，同時也更加實用。

（3）半導體制冷在一些特殊行業和環境中的應用以及考慮節能等因素，表現出了它的重要性，對半導體制冷技術的深入研究是非常必要的。

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作者簡介：范玉斐（1991-），男，在讀研究生，研究方向：制冷與低溫。