半导体制冷技术原理与应用

池桂君(香河东方电子有限公司 065400）

半导体制冷技术原理与应用

池桂君
(香河东方电子有限公司 065400）

半导体制冷技术的出现与广泛的应用是基于半导体材料的快速发展及相关技术研究的成熟。半导体制冷技术相比传统的制冷方式，具有环保、稳定性好、使用寿命长。为加深人们对半导体制冷技术的了解，本文就其制冷技术的原理与应用进行详细阐述。

半导体；制冷技术；原理；应用

引言

与传统制冷技术相比，半导体制冷技术具有以下优势：（1）环保，该技术不使用制冷剂，不会产生对大气层破坏的物质；（2）无噪声，因该技术不需要专门的机械制冷部件，在运行时自然也就不会发生震动，产生噪音；（3）半导体制冷器件能够制作成任何需要的样子，且其冷、热端也可以通过改变电流的方向进行改变；（4）虽然单个的半导体制冷片的功率小，但可以通过并联或串联的方式扩大，这有助于精密的控制制冷温度；（5）半导体制冷片的冷热惯性小，不需要太多时间就可以完成制冷[1]。由此可见，半导体制冷技术具备很好的环保性和市场性，已经成为目前主要的制冷技术。

1.半导体制冷技术的原理

半导体技术的原理是基于帕尔帖原理，该原理是在1834年由法国科学家J.A.C帕尔帖发现的。帕尔贴原理又称为帕尔贴效益，是指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。而这种效益的所引起的现象是可逆的，即改变电流方向时，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，如此便出公式： Qab=Iπab。其中πab是作为导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V],。当πab为正值时，表示该导体开始吸热；当πab为负数时，则表示该导体开始放热。由于该原理具有可逆性，因此当πab=－πab时，其系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度；当πab的数值可以由赛贝克系数αab和接头处的绝对温度T得出，那么πab=αabT与塞贝克效应相和，由此推出帕尔帖系也具有加和性，公式可以演变为：Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I，因此绝对帕尔帖系数符合πab=πa － πb条件[2]。

因为金属材料的帕尔帖效应比较的弱，而半导体材料的帕尔帖效应则强很多，因此半导体成为该原理制冷的主要材料。但需要注意的是，由于大多数的半导体材料的无量纲值在1左右，远远低于固体理论模型和较为实际数据计算的上限4，因此关于半导体材料仍需要进一步的研究与探索。

2.半导体制冷技术的应用

半导体制冷技术在医学、工业和日常生活都得到了广泛的应用。更为具体的来说，半导体制冷技术已经成为现代制冷机械的必要配置，如冰箱、空调及其他的电子冷却器等。

半导体冰箱几乎是使用该技术最为常见的机器。根据不同客户的需求，按照要求将不同数量的半导体制冷片并联或串联起来，放置在合适的位置，满足不同种类冰箱的不同要求。如上世纪五十年代前苏联研发了一款容量只有10L的小型冰箱，该冰箱因体积较小，方便携带。日本研发了一种只用于存放红酒的冰箱，因此对其温度的就比较严格了。随着社会的不断发展，人们对生活品质的不断追求，人们对于冰箱也不再仅仅满足于制冷的要求，对于冰箱温度要求更为精准，对于其便携性也会更高。有研究发现，半导体冰箱相较于传统冰箱的耗电量降低20%，是非常具有环保意义[3]。

半导体空调最早并没有在日常生活中的空调中得到应用，而是被大量的应用在飞机机舱、潜水艇等特殊的场所。因为这些场所要求制冷技术需要很好的稳定性，且能够实现快速制冷，半导体制冷技术均能满足。最近美国一些公司发现，将半导体制冷技术应用在活性剂电池中，能够保证该电力可以连续工作八个小时以上，成为汽车制冷设备中的重要功能。

此外在农业领域、天文领域、医学领域也开始应用半导体制冷技术。在农业中，温室大棚的温度对农作物的生长起着决定性的作用，尤其是一些非常名贵的植物对于环境的要求非常敏感，要求也非常感。而由于半导体制冷技术的原理具有可逆性，因此其可制热。将红外探测技术与半导体制冷技术相结合，就能够准确的控制温室大棚内的温度变化。在天文方面，美国军方发现周围的温度每升高1℃，电子设备的失效率就上升2%～3%，因此必须对电子设备实现在短时间内的降温，且要保持降温的稳定性，能在小体积、小功率的环境中正常运行，而半导体制冷技术则是不二的选择[4]。

3.关于目前半导体制冷技术的难点和问题

3.1 半导体制冷技术的难点

半导体制冷的过程是一个涉及参数较多、工况复杂多变的过程，任何一个几何参数、结构参数、散热条件对其最终的制冷效果都有着很大的影响，而这些影响在实验室研究中很难得到满足。其原因是因为实验室研究具有针对性和目的性，无法对所有的影响因素进行有效的讨论与探究。

半导体制冷技术是基于帕尔贴效应所建立的，具有可逆性。如此在制冷的过程中半导体的冷、热两端温度差过大就会影响其制冷的效果[5]。所以如何设计半导体的冷、热段的散热也是该技术中的一项难点。

3.2 半导体制冷技术的问题

半导体制冷技术是上世纪五十年代才开始被研究被应用，虽然目前关于半导体制冷技术的研究已经有了很大的发展，但还是存在以下问题：（1）半导体材料的优质系数始终无法得到进一步的提升，从而限制了该技术的进一步发展；（2）目前关于冷、热端散热系统的优化设计仍停留在理论阶段，世界上相关的研究也比较少，致使半导体制冷技术效果无法得到进一步的提升；（3）半导体制冷技术对于其他领域或相关领域中的相关技术使用太少，关于该技术的研究没有在新的研究理念或新的方向得到很好的拓展；（4）随着市场的要求不断提升和科学技术的发展，半导体制冷技术需要考虑因素日渐增多。重视半导体制冷技术在不同因素环境下稳定发挥效果，是今后该技术研究的重要方向[6]。

结论

半导体的材料与相关技术的发展和应用的时间并不长，但已经获得了很好的进步。半导体制冷技术也被广泛的运用在各个领域中。尽管半导体制冷技术具有环保性、无噪声、稳定性好、可处于小功率的环境中工作、温度控制的精度高等，但进一步提升其材质的优质系数，解决半导体冷、热两端的散热问题已经成为限制该项技术发展的重要难点。随着半导体应用的领域不断扩展，市场对其要求越来越高，半导体制冷技术仍需要进一步的研究与完善。

[1]贾艳婷,徐昌贵,闫献国,田志峰. 半导体制冷研究综述[J]. 制冷,2012,01: 49-55.

[2]徐昌贵,贾艳婷,闫献国,田志峰. 半导体制冷技术及其应用[J]. 机械工程与自动化,2012,03:209-211.

[3]王丹.半导体制冷器件原理及其应用[J].河南科技,2015,07:36-39.

[4]Yamanashi M,A new approach to aptimum design in thermoelectric cooling system[J].Appl Phys,2011,80:549-502.

[5]陈军,田芳,蒙德慈,贾旭,高昂,王明,李娜,李莉莎,倪士峰. 新型制冷技术研究进展[J]. 宁夏农林科技,2011,06:67-70.

[6]张国文. 制冷技术的发展与应用[J]. 赤峰学院学报(自然科学版),2014, 08:21 -23.

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1007-6344（2016）06-0313-01