半导体制冷研究综述

　　1 前言

　　中国是一个能耗大国,如何能降低能耗,实现可持续发展,研究和开发具有环境友好型的技术就成为一种必须。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、无噪音污染和有害物质排放、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,对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义[1]。

　　半导体制冷与其他的制冷方式相比有其优点:

　　(1)没有机械制冷的运动部件,从而没有振动和噪声,也就不用担心液击和磨损。所以工作可靠,维护操作简便。

　　(2)不使用制冷剂,所以不存在配套制冷管路制冷剂泄漏和对环境污染问题。

　　(3)冷热转换方便,只要使电流反向,制冷工况就变成热泵工况。这种变换效能比任何机械式制冷都要方便和可靠,而且热泵制热效率比电热器高。

　　(4)其制冷器件可以做成各种形状,以适应不同特殊场合的要求。

　　(5)半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小,但效率不会因为冷量小而降低。通过串、并联的方法将同类型电堆组合成制冷系统的话,功率就可以做得很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

　　(6)能量调节性能好。调节工作电压或电流就可调节制冷量。能量调节对效率基本没有影响,而且通过温度检测和控制手段容易做到高精度调节。

　　(7)半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,制冷片就能达到最大温差。

　　总之,由于其结构紧凑,体积小,可靠性强,制冷迅速,操作简单,容易实现高精度的温度控制,无环境污染等优点,半导体制冷的应用范围渗透到各个行业,尤其在制冷量不大,又要求装置小型化的场合,更有其优越性,甚至在某些方面,有着压缩式无法替代的能力。在日常生活方面,应用于空调、冷热两用冰箱、饮水机等,在实验室装置方面应用于冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。在医疗方面应用于冷理、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。在军事方面应用于导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导航系统。在专用装置方面,石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。但由于半导体制冷的效率比较低,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[2-4]。

　　2 半导体制冷的工作原理

　　热电制冷是具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时具有制冷功能,由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性,所以人们把热电制冷称为半导体制冷。半导体制冷是建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术。其中,塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的,另外两种效应是热的不可逆效应。