半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理與應(yīng)用

池桂君(香河?xùn)|方電子有限公司 065400）

半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理與應(yīng)用

池桂君
(香河?xùn)|方電子有限公司 065400）

半導(dǎo)體制冷技術(shù)的出現(xiàn)與廣泛的應(yīng)用是基于半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)研究的成熟。半導(dǎo)體制冷技術(shù)相比傳統(tǒng)的制冷方式，具有環(huán)保、穩(wěn)定性好、使用壽命長。為加深人們對半導(dǎo)體制冷技術(shù)的了解，本文就其制冷技術(shù)的原理與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

半導(dǎo)體；制冷技術(shù)；原理；應(yīng)用

引言

與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）環(huán)保，該技術(shù)不使用制冷劑，不會產(chǎn)生對大氣層破壞的物質(zhì)；（2）無噪聲，因該技術(shù)不需要專門的機(jī)械制冷部件，在運(yùn)行時自然也就不會發(fā)生震動，產(chǎn)生噪音；（3）半導(dǎo)體制冷器件能夠制作成任何需要的樣子，且其冷、熱端也可以通過改變電流的方向進(jìn)行改變；（4）雖然單個的半導(dǎo)體制冷片的功率小，但可以通過并聯(lián)或串聯(lián)的方式擴(kuò)大，這有助于精密的控制制冷溫度；（5）半導(dǎo)體制冷片的冷熱慣性小，不需要太多時間就可以完成制冷[1]。由此可見，半導(dǎo)體制冷技術(shù)具備很好的環(huán)保性和市場性，已經(jīng)成為目前主要的制冷技術(shù)。

1.半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理

半導(dǎo)體技術(shù)的原理是基于帕爾帖原理，該原理是在1834年由法國科學(xué)家J.A.C帕爾帖發(fā)現(xiàn)的。帕爾貼原理又稱為帕爾貼效益，是指利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量。而這種效益的所引起的現(xiàn)象是可逆的，即改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度 I[A]成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)，如此便出公式： Qab=Iπab。其中πab是作為導(dǎo)體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為[V],。當(dāng)πab為正值時，表示該導(dǎo)體開始吸熱；當(dāng)πab為負(fù)數(shù)時，則表示該導(dǎo)體開始放熱。由于該原理具有可逆性，因此當(dāng)πab=－πab時，其系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度；當(dāng)πab的數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab和接頭處的絕對溫度T得出，那么πab=αabT與塞貝克效應(yīng)相和，由此推出帕爾帖系也具有加和性，公式可以演變?yōu)椋篞ac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I，因此絕對帕爾帖系數(shù)符合πab=πa － πb條件[2]。

因?yàn)榻饘俨牧系呐翣柼?yīng)比較的弱，而半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)則強(qiáng)很多，因此半導(dǎo)體成為該原理制冷的主要材料。但需要注意的是，由于大多數(shù)的半導(dǎo)體材料的無量綱值在1左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體理論模型和較為實(shí)際數(shù)據(jù)計算的上限4，因此關(guān)于半導(dǎo)體材料仍需要進(jìn)一步的研究與探索。

2.半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷技術(shù)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和日常生活都得到了廣泛的應(yīng)用。更為具體的來說，半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代制冷機(jī)械的必要配置，如冰箱、空調(diào)及其他的電子冷卻器等。

半導(dǎo)體冰箱幾乎是使用該技術(shù)最為常見的機(jī)器。根據(jù)不同客戶的需求，按照要求將不同數(shù)量的半導(dǎo)體制冷片并聯(lián)或串聯(lián)起來，放置在合適的位置，滿足不同種類冰箱的不同要求。如上世紀(jì)五十年代前蘇聯(lián)研發(fā)了一款容量只有10L的小型冰箱，該冰箱因體積較小，方便攜帶。日本研發(fā)了一種只用于存放紅酒的冰箱，因此對其溫度的就比較嚴(yán)格了。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的不斷追求，人們對于冰箱也不再僅僅滿足于制冷的要求，對于冰箱溫度要求更為精準(zhǔn)，對于其便攜性也會更高。有研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體冰箱相較于傳統(tǒng)冰箱的耗電量降低20%，是非常具有環(huán)保意義[3]。

半導(dǎo)體空調(diào)最早并沒有在日常生活中的空調(diào)中得到應(yīng)用，而是被大量的應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)艙、潛水艇等特殊的場所。因?yàn)檫@些場所要求制冷技術(shù)需要很好的穩(wěn)定性，且能夠?qū)崿F(xiàn)快速制冷，半導(dǎo)體制冷技術(shù)均能滿足。最近美國一些公司發(fā)現(xiàn)，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用在活性劑電池中，能夠保證該電力可以連續(xù)工作八個小時以上，成為汽車制冷設(shè)備中的重要功能。

此外在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、天文領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也開始應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)。在農(nóng)業(yè)中，溫室大棚的溫度對農(nóng)作物的生長起著決定性的作用，尤其是一些非常名貴的植物對于環(huán)境的要求非常敏感，要求也非常感。而由于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理具有可逆性，因此其可制熱。將紅外探測技術(shù)與半導(dǎo)體制冷技術(shù)相結(jié)合，就能夠準(zhǔn)確的控制溫室大棚內(nèi)的溫度變化。在天文方面，美國軍方發(fā)現(xiàn)周圍的溫度每升高1℃，電子設(shè)備的失效率就上升2%～3%，因此必須對電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)在短時間內(nèi)的降溫，且要保持降溫的穩(wěn)定性，能在小體積、小功率的環(huán)境中正常運(yùn)行，而半導(dǎo)體制冷技術(shù)則是不二的選擇[4]。

3.關(guān)于目前半導(dǎo)體制冷技術(shù)的難點(diǎn)和問題

3.1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的難點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷的過程是一個涉及參數(shù)較多、工況復(fù)雜多變的過程，任何一個幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、散熱條件對其最終的制冷效果都有著很大的影響，而這些影響在實(shí)驗(yàn)室研究中很難得到滿足。其原因是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室研究具有針對性和目的性，無法對所有的影響因素進(jìn)行有效的討論與探究。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是基于帕爾貼效應(yīng)所建立的，具有可逆性。如此在制冷的過程中半導(dǎo)體的冷、熱兩端溫度差過大就會影響其制冷的效果[5]。所以如何設(shè)計半導(dǎo)體的冷、熱段的散熱也是該技術(shù)中的一項難點(diǎn)。

3.2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的問題

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是上世紀(jì)五十年代才開始被研究被應(yīng)用，雖然目前關(guān)于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但還是存在以下問題：（1）半導(dǎo)體材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)始終無法得到進(jìn)一步的提升，從而限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；（2）目前關(guān)于冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計仍停留在理論階段，世界上相關(guān)的研究也比較少，致使半導(dǎo)體制冷技術(shù)效果無法得到進(jìn)一步的提升；（3）半導(dǎo)體制冷技術(shù)對于其他領(lǐng)域或相關(guān)領(lǐng)域中的相關(guān)技術(shù)使用太少，關(guān)于該技術(shù)的研究沒有在新的研究理念或新的方向得到很好的拓展；（4）隨著市場的要求不斷提升和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)需要考慮因素日漸增多。重視半導(dǎo)體制冷技術(shù)在不同因素環(huán)境下穩(wěn)定發(fā)揮效果，是今后該技術(shù)研究的重要方向[6]。

結(jié)論

半導(dǎo)體的材料與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的時間并不長，但已經(jīng)獲得了很好的進(jìn)步。半導(dǎo)體制冷技術(shù)也被廣泛的運(yùn)用在各個領(lǐng)域中。盡管半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有環(huán)保性、無噪聲、穩(wěn)定性好、可處于小功率的環(huán)境中工作、溫度控制的精度高等，但進(jìn)一步提升其材質(zhì)的優(yōu)質(zhì)系數(shù)，解決半導(dǎo)體冷、熱兩端的散熱問題已經(jīng)成為限制該項技術(shù)發(fā)展的重要難點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，市場對其要求越來越高，半導(dǎo)體制冷技術(shù)仍需要進(jìn)一步的研究與完善。

[1]賈艷婷,徐昌貴,閆獻(xiàn)國,田志峰. 半導(dǎo)體制冷研究綜述[J]. 制冷,2012,01: 49-55.

[2]徐昌貴,賈艷婷,閆獻(xiàn)國,田志峰. 半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程與自動化,2012,03:209-211.

[3]王丹.半導(dǎo)體制冷器件原理及其應(yīng)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]陳軍,田芳,蒙德慈,賈旭,高昂,王明,李娜,李莉莎,倪士峰. 新型制冷技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 寧夏農(nóng)林科技,2011,06:67-70.

[6]張國文. 制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014, 08:21 -23.

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