半导体制冷技术的发展与应用

*半导体制冷技术的发展与应用湖南大学土木工程学院暖通空调 谢 玲* 汤广发摘 要 不同于传统的制冷，半导体制冷可以打破常规，强行将被制冷物体的温度降到比环境温度还低。

其实现的原理即强行打破热平衡，实现温差效果。

只要充分处理好制冷片热端的散热，即可达到理想的制冷效果。

关键词 半导体制冷；传统方式；温差效应The Development and Application of Semiconductor RefrigerationBy Xie Ling and Tang GuangfaAbstract Different from traditional refrigeration, Makes the temperature of the specified Object lower than that of the environmentle. The principle is to break the thermal balance and effect the temperature difference is used. So an ideal refrigerating effect can be obtained as far as a good method for cooling is used.Keywords semiconductor refrigeration; traditional type; effect of temperature difference＊　HV AC in Civil Engeneering of Hunan University, Changsha, China谢玲，女，1983年生，硕士410082 长沙市湖南大学南校区15幢22室E-mail: Xieling523@ 收稿日期：2007-6-29０ 前言热电制冷又称温差电制冷，由于目前热电制冷采用的材料都是半导体材料，因此热电制冷也被称为半导体制冷。

它是塞贝克效应的逆效应帕尔帖效应在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。

１ 半导体制冷的基本原理如图１所示，其原理是通过半导体材料的温差效应，使直流电通过由两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶对的两端将吸收或放出热量。

如果在放热端安装散热装置，吸热端就能通过热量输送制成简单方便的新型制冷器；当改变直流电方向时，又能达到制热的效果。

２ 半导体制冷技术的历史与现状半导体制冷本是一项古老的技术，早在上世纪50年代就曾掀起过一股热潮。

因为它一通电即能变冷，十分简易方便，大受家电厂家的青睐。

但是由于当时元件性能较差而未能实用化。

近年来，随着科学技术的迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来。

逐渐应用于许多小型家电、设备。

３ 热电制冷的优缺点机械压缩式制冷系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、制冷剂等，而热电制冷系统仅包括冷端、热端、电源、电路等，即它不需要制冷剂。

其次其工质是在固体中传导的电子，无工质泄漏，且无机械运动，无噪声，体积小，可靠性强。

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。

第三，其冷量调节范围宽，冷热转换快。

因此，在某些地方，有着压缩式制冷机无法替代的作用。

第四，半导体制冷. 68 . 洁净与空调技术CC&AC 2008年图1 半导体致冷原理示意图片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

第五，半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

目前，半导体热电堆制冷、发电技术已经在国防、医疗、科研、通讯、航海、农业、动力以及工业生产等各领域得到了广泛的应用。

在日常生活方面也应用于空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。

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力、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。

但是，由于半导体材料，电源和热端散热等方面的影响，热电制冷与常规的压缩制冷相比，仍然存在着制冷效率低等问题。

４ 半导体制冷器的散热方式实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。

系统工作时，制冷片冷、热端面的散热密度可以达到 104W/m 2，因此，系统的有效运行强烈依赖冷、热两端热传递性能的好坏。

而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为q 1，热端散热量为q 2，系统工作消耗的电功为w 0；制冷片接通电源开始工作后，其冷端不断的吸收热源的热量q 1，此即为制冷量，这部分热量连同所消耗的电热需一起不断地从热端散出去，这样才能保证制冷片持续的正常工作，发挥半导体制冷装置的功效。

显然，q 2=q 1+w 0制冷器的效率： 即热端散热量是冷端散热量的（1+1/ε）倍（ε为制冷器的效率）。

所以要提高制冷效率除了其本身的材料选择，制造工艺和良好的结构设计等因素外，主要取决于其散热、传冷量。

因此对于散热器的设计就极为重要。

目前，常见的散热方式主要有：（1）空气冷却。

换热系数约为3~6 W/(m 2·K)（自然对流），26~30 W /(m 2·K)（强迫对流）；（2）液体冷却。

换热系数大约为：100~1000W/(m 2·K)。

此外，还有利用物质熔化热，物质溶解热以及物质热容量进行冷却。

而这些方式均可用于热电堆热端冷却系统。

４．１ 空气冷却4.1.1 空气自然对流散热 在很多小型热电制冷器中，常采用空气自然对流散热的换热系统，它需要一定形式的散热片作为热交换器。

被制冷介质所要移走的热量，通过冷端吸热器与周围空气的热交换吸收热量，然后经过连接片及绝缘层的导热，使这些热量被热电堆冷端吸收，经热电制冷效应又把热量移至热端，再经各层的导热把热量传给热端散热器。

散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中，达到制冷的目的。

空气冷却的散热器有带肋片的散热器，针状散热器等型式。

值得注意的是，在散热过程中，除对流换热外，还有辐射换热。

研究表明，即使在散热片表面温度不高的情况下，散热器表面的辐射换热仍起较重要的作用。

4.1.2 强迫对流换热 强迫对流换热较自然通风，其对流换热系数可大大提高，在相同的散热功率下，散热面积相应地缩小很多倍。

但强迫通风的散热器计算必须考虑许多附加条件，如散热片的结构尺寸、空气流速、表面粗糙度和黑度等，计算过程也较复杂。

４．２ 液体冷却 这种散热方式效率最高，其换热系数比空气自然对流散热大100~1000倍。

从工艺和结构的角度看，最合理的液体冷却系统内，是在热端处建立一个水腔，使水直接进入热端进行冷却。

液体冷却第1期 半导体制冷技术的发展应用 . 69 .12101q q q w q −==ε的水循环系统也可分为自然对流水循环系统和强迫对流水循环系统两种。

若热端散热功率较大，为了增加冷却水与器壁之间的换热系数和增加冷却水的流程，把水箱分隔成若干个流道，中间再加上翅片，强化传热。

４．３ 其它的散热方式4.3.1 利用物质熔化热这种方法是利用物质熔化时在等温下吸热从热电堆热端吸收热量。

物质熔化阶段的等温特性，是保持冷端温度恒定的必要条件。

取熔化阶段的时间为冷端温度恒定的时间。

且由于各物质导热系数不同，传热温差也不一样，导热系数较低的，传热温差较高。

利用物质的熔化潜热吸收热端排出热量的方法，适用于制冷器仅在较短时间内工作或间歇性工作的场合。

4.3.2 利用物质的热容量吸热利用具有大热容量的物质，从热端吸收排出的热量，使其温度升高。

此时，热量的传递是不稳定的。

随着时间的增加，吸热物质的温度升高，热端温度也增高。

同时，吸热物质与周围空气之间的热交换量也随时间而变。

4.3.3 利用物质的汽化潜热散热利用许多液体的大的汽化潜热，进行热端散热。

为了使制冷器达到必要的低温水平，可在制冷器的工作腔外包以绝缘材料，常用的如泡沫塑料等。

4.3.4 导热条导出散热基本上有散热要求的元器件都会直接或间接地与导热条相接触。

在发热功率不高或环境许可时直接以导热条作为散热件，同时导热条起到散热片的作用。

该方法的优点在于其成本低，可靠性高；缺点是要求散热的温度梯度较高。

4.3.5 利用热虹吸管散热热虹吸管是一种在小的温度梯度下就能把热量从一处传往另一处的传热元件。

热虹吸散热器属于“二次换热”，其传热能力主要取决于热媒管与工质之间的热阻，总的传热热阻比常规散热器大，散热能力降低；残存不凝性气体和适当的饱和蒸汽压对热虹吸散热器性能有关键性影响；另外热管的工作温度是由工作液沸点决定，因此工作温度是选择热管要考虑的首要条件。

５ 半导体制冷片的实际应用电脑的中央处理器（C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t），即C P U（见图2）。

它是一个高密度发热体，我们利用半导体制冷片的制冷原理，半导体制冷片的冷端与显示芯片接触，热端则与散热器接触。

接通电源后，冷热端出现温差，热量不断地通过晶格能的传递，从冷端移送到热端，只要热端的热量能有效地散发掉，则冷端就不断的被冷却，使得制冷片的散热效果相当的好。

其实，制冷片实际上是一个热泵，它把芯片发的热一股脑传到了散热器上，所以只有半导体制冷片热端的热量被持续源源不断地散发出去，才能使冷端不断冷却而始终保持良好的制冷效果，显示芯片才能保持在一个相对的恒温状态。

所以普通CPU 的风冷散热装置仍是不可缺少的，即在半导体制冷片的热端，我们依旧配置了散热片和风扇。

在机箱中使用半导体制冷片我们另外还考虑了以下几点：５．１　外接电源与一般的风冷散热相比，半导体制冷片的功率要大得多，一般可以达到36 W到40 W，也就是说，至少需要12V、3A的电源供应。

所以，外接电源是必须的。

一般来说目前电脑的电源还是可以满足的。

５．２ 结露现象结露现象是半导体制冷的致命杀手。

功率较大的半导体制冷片在湿度较高的环境下如果冷端温度过低，空气中的水蒸汽就会在其表面凝结成为水滴，出现结露现象。

如果水滴流到主板或是显示芯片，后果不堪设想。

. 70 . 洁净与空调技术CC&AC 2008年图2 电脑的中央处理器５．３ 风扇的使用我们采用的是轴流风机（也就是最普遍的那种风扇）向下鼓风的形式，这种方式综合效果好且成本低廉。