半導體制冷技術及應用路徑研究

劉興龍，馬雪峰

（武威職業學院 甘肅 武威 733000）

1 引言

科研人員進行了大量的科學研究，最終獲得了當前基于半導體制冷的技術。根據半導體制冷使用的溫差冷卻效果，珀爾帖效應是相匹配的，因此半導體制冷也稱為溫差冷卻。相較于傳統的制冷技術，半導體制冷技術不需要應用大量制冷劑和相關制冷設備。另外，在整個制冷過程中不易引起噪聲和振動，所以不會輕易對周圍人群的正常日常生活產生不利影響，應用市場前景十分廣闊。

2 半導體制冷技術原理

半導體制冷設備是由具有高效率和良好熱電效應的半導體材料熱阻組成的。如圖1所示，由N型半導體組件和P型半導體組件組成的熱敏電阻在插入后會在接頭處引起熱傳遞和溫差。對于N型半導體，其導電結構是自由電荷，類似于金屬材料地價電子；對于導電結構是空穴的P型半導體來說，它與自由電子的電荷數量一致。所以，上接頭為冷端，為吸熱反應，溫度降低，電流方向為從N到P；下接頭是熱端，為放熱反應，溫度升高，電流方向為P到N。其次，依靠各種熱傳導方法（例如熱交換器）使熱電堆的熱端繼續散發熱量并維持一定的溫度，然后將熱電堆的冷端放入工作環境中，以持續發生吸熱反應并降低溫度。這是半導體制冷的工作原理[1]。如圖1所示。

圖1 半導體制冷工作原理

3 半導體制冷技術的發展

半導體器件的品質因數指數Z表示熱電材料的特性，它決定了制冷組件可以實現的較大溫差。品質因數越高，冷卻特性越好，效率越高。1960年代中后期，優點指數達到最高水平：P型半導體制冷原料的優點指數Z為3.5×103I/K, N型半導體原材料的優點指數Z為（3～3.2）×103I/K。

為了更廣泛地使用半導體制冷，必須提高制冷原材料的水平，即品質因數Z。如果要將半導體制冷的高效率與機械壓縮制冷設備相比較，品質因數Z必須從3.5×103I/K增加到13×103I/K。然而，到目前為止，半導體器件的品質因數還沒有太大改善。因此，未來的重要創新點還應該集中在提高制冷原料的優良指標上。

此外，半導體制冷熱端的排熱效果不好會阻礙半導體制冷作用的發揮。據第一熱力學定律解釋，只有當熱端被連續排出且溫度保持在一定位置時，冷端才能繼續被冷卻。熱端散熱的實際效果將直接影響制冷器的制冷能力和冷卻效率。因此，熱端排熱方法的選擇對于制冷電堆非常重要。半導體制冷具有以下類型的排熱方法：空氣自然對流，空氣強制熱對流，接觸熱傳遞，熱傳導變化或高熱容物質的吸熱反應，散熱器管的熱傳遞和液體循環系統制冷。在具體應用中，必須根據半導體制冷器結構和應用標準進行選擇，并且進行熱端散熱系統的可靠性設計，保障熱端良好的散熱狀態[2]。

4 半導體制冷技術的特點

新型環保電子設備制冷的關鍵部件均選自具有高質量特性的半導體制冷材料。

P_Bi2Te3.Sb2Te3, N-Bi2Te3.Bi2Se3準三元合金具有性能良好的品質因數：在半導體制冷與換熱器方面均取得了顯著應用效果，且半導體制冷系統的轉換率提高了50%以上，產品能耗較低。溫度可根據不同地點，不同情況自行調節，無需制冷劑，具有環保、節能、方便快捷的作用。這種半導體制冷技術具有以下特點。

（1）使用特殊的半導體器件形成PN結，以進行冷卻（或加熱），體積較小，重量較輕，且壽命長無噪音影響。

（2）沒有分子的熱運動，快速冷卻，便于形成各種結構和形狀的制冷器。

（3）空調的制冷量可以達到mw級。千瓦級轉換，冷卻溫差達到20～150℃。

（4）因為沒有蒸汽參數，所以不會造成環境污染，是一臺真正的綠色節能的制冷器。新型環保制冷的關鍵部件是一種綠色環保產品，深度契合現階段可持續發展的綠色環保理念。它不需要使用制冷壓縮機與，氟利昂，該產品已通過測試，其優異指數長期以來一直達到5.6，遠高于同行業產品的優值3。

半導體制冷具有很多優點并且被廣泛使用，所以可以滿足不同場合、不同人群的需求。因此，在現階段，它在制冷領域發揮著越來越重要的作用，有著非常廣闊的市場前景。

5 半導體制冷技術在現實中的應用

半導體制冷帶動了制冷技術的進一步研發，并解決了許多關于制冷的難題，具有獨特的應用優勢。如今，制冷技術不僅用于家用電器行業的冰箱，中小型旅游家用冰箱，冷熱立式飲水機，中央空調和其他電器產品中；它也可以用于超低溫醫療設備（冰帽，冰墊，冰刀，白內障摘除器）。除了在治療行業以及生活行業中使用半導體制冷技術外，它還可以用于農業[3]。

5.1 醫療領域

半導體制冷設備已廣泛應用于生物醫學和制藥領域。醫療熱電冷卻裝置中有多種形式的制冷設備，例如固定式冰箱，移動式冷凍機，血細胞分析儀，甘精胰島素冷藏設備和用于存儲生物組織的實驗儀器。在生物醫學和制藥領域中，半導體制冷設備的制冷速度更快，效率更高，可以減少制冷時間，提高工作效率。且操作容易，方法簡單，對人體沒有不良反應，可以儲存各種人體器官和生物組織，從而使生物細胞可以充分發揮必要的診斷和醫療研發的作用。半導體制冷在臨床治療中的應用更為常見。

5.2 生活領域

半導體制冷技術具有環保無氣味，體積小，壽命長，冷熱轉化速率快，易于操作等優勢，如今半導體制冷技術已被用于中小型冷凍機的研發，例如便攜式的車載空調，酒店使用的小型冰箱，半導體空調的特征在于它不需要制冷劑并且噪音低，通過改變直流電流的方向，可以實現從冷卻到加熱運行。因此，它適用于獨特環境中的空調，例如不允許制冷劑泄漏的潛水艇，電子通信車輛等。半導體制冷的恒溫器具有體積小，溫度控制精度高的特點，可用于要求較為精密的儀表測試設備。例如，以半導體零點儀器與半導體恒溫水浴為實驗標準，精確測量半導體材料的熱電堆，溫度線性度可達到0.01K。

具有半導體制冷的立式飲水機的特點是不需要制冷劑，制冷單元結構緊湊，適用于不允許制冷劑泄漏的應用，并且所需的制冷器重量更輕，尺寸更小，例如在空客飛機上使用的半導體制冷立式飲水機。

5.3 . 農業領域

近年來，隨著我國農牧業布局的逐步調整和農業經濟的高速發展，人們對于生態旅游的需求也越來越強烈。觀光旅游農業的快速發展凸顯出生態旅游農業的新奇獨特的發展思路。無土栽培技術可以基于旅游景點設計方案和季節的變化調整作物種植措施，以達到意想不到的目標。深液水培技術由于管理方法便捷，適應性強，養分利用率高，環境污染小等特點，在我國已獲得快速發展。針對深液養殖中液溫控制的相對過時的技術，選擇了節能環保，調節靈活，方便快捷的半導體制冷技術來控制液溫。通過對半導體制冷技術工作原理的分析，建立了用于控制作物（深液水培）培養液的半導體材料溫度控制設備的恒定分析模型，結合設施園藝的具體情況，整合生產高性價比目標，在當前農作物生長模式下，針對不同生產規模，制定培養液溫度自動控制系統的標準。

6 結語

現如今，隨著科學技術的發展，半導體制冷技術已廣泛應用于微生物學、國防、工業生產、商業服務、醫療、日常生活、通信等行業。它具有體積小，零污染，低噪音，可控的優點，逐步填補了傳統制冷設備在制冷研發和應用中的不足，大大提高了各種設備和裝置的運行特性和效率，促進了我國技術產業的快速發展，為社會經濟的進一步發展奠定了堅實的應用基礎。