半导体制冷技术及其应用

　　0　引言

　　半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术，是一种具有良好前景的制冷方式。由于半导体制冷具有清洁、无噪声污染和无有害物质排放、寿命长、坚固、可靠性高、稳定性好等一系列优点，符合绿色环保要求，因此，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。半导体制冷与其他的制冷方式相比具有以下优点：①没有机械制冷的运动部件;②不使用制冷剂;③冷、热端转换方便，只要电流方向转变即可;④其制冷器件可以做成各种形状;⑤半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但可以通过串、并联的方法将其组合成制冷系统，这样功率就可以做的很大，因此制冷功率范围区间比较大;⑥能量调节性能好，通过调节工作电压或电流即可;⑦半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间短[1]。总之，由于半导体制冷结构紧凑、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制等优点，其应用范围渗透到各个行业。但由于其效率比较低，再加上加工制造工艺比较复杂，在很大程度上限制了半导体制冷的推广和应用。

　　1　半导体制冷的工作原理

　　半导体制冷是利用半导体材料组成P-N结，通过两端施加的直流电进行制冷，将电能直接转化为热能的技术[2]。半导体制冷工作原理如图1所示，把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件连接成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移。在上端处，电流方向是N→P，温度下降并吸热，这就是冷端;而在下端处，电流方向是P→N，温度上升并放热，这就是热端。

　　2　半导体制冷技术研究现状

　　半导体制冷一直是半导体工业和材料工业领域的主要研究对象，由于其材料、工艺和其他条件的限制，致使半导体制冷设备的整体技术性能还不能与机械式制冷相抗衡。研究者们已经做了许多工作，并且取得了很大的成果。

　　2.1　理论方面

　　吴兆琳[3]经实测给出了半导体制冷的最佳设计。杨玉顺分析了热电循环中获得最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系数的条件，并给出了两种不同设计方法的最佳特性参数选择的原则。Kenichi[4]对稳态的数值模拟方法作了阐述。J.G.Stockholm[5]等通过建立数学模型，从热力学和传热学角度对半导体制冷过程作了深入的理论讨论。在实验中，总结出散热量等于其制冷量与输入功率之和，散热问题对制冷效率的提高起到了至关重要的作用，热端温度越高，冷热端温差越大，其制冷量越小，效率越低。从文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究基本成熟。