半导体制冷技术及其应用

０ 引 言
转移 。在 上端 处 ， 流 方 向是 Ｎ— Ｐ 温 度 下 降 并 吸 电 ， 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 ， 就是 热端 。 这
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 、 固 、 坚 可靠 性高 、 定 性 好 等 一 系列 优 点 ， 合 绿 色环 保 要 稳 符
第 ３期 （ 第 １２期 ） 总 ７
２１ ０ ２年 ６月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ＲＩ ０Ｎ
文章 编 号 ： ６ ２ ６ １ （ ０ ２ ０ — ０ — ３ １ ７－ ４ ３ ２ １ ） ３２ ９０
半 导体 制冷 技 术 及 其 应 用 米
收 稿 Ｅ期 ：２ １－ １１ ｝修 回 日期 ；２ １— ４ｌ ｌ ０ ２０ — ２ ０ ２ ０一 Ｏ
作 者 简 介 ｔ徐 昌贵 （ ９ ６） １ ６一 ，男 ，江 西 永 修 人 ， 副 教授 ，硕 士 ，主 要 研 究 方 向 ：机 械 工程 。
・
２Ｏ １ ・
机 械 工 程 与 自 动 化
求， 因此 ， 国民经济 的 可持续 发展具 有重 要 的战略 意 对
义 。半导 体 制 冷 与其 他 的 制 冷 方 式 相 比具 有 以下 优 点 ： 没有 机械 制冷 的 运 动部 件 ； 不 使 用 制 冷剂 ； ① ② ③ 冷、 热端 转换 方便 ， 只要 电流 方 向 转 变 即可 ； 其 制 冷 ④ 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、 联 的方法 将其 组 并 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 ， 过调 节工作 通
徐 昌贵 贾艳 婷 闰献 国 ， ， ， 田志峰 。
（． 北 京 工 商 大 学 机 械 工 程 学 院 ，北 京 １０ ３ ；２ 太 原 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 山 西 太 原 １ ００７ ． ３ 中国 电 子 科技 集 团 第 二研 究 所 ， 山 西 太原 ． ００２） ３ ０ ４ ００２ ； ３０ ４
致使半 导 体制冷 设备 的整 体技术 性能 还不 能与机 械式
制 热时 间短［ 。总之 ， １ ］ 由于半 导 体制冷 结构 紧凑 、 冷 制 迅速、 操作 简单 、 易 实现 高 精 度 的温 度 控 制 等优 点 ， 容
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 ．
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 ， 很 大程 度 上 限 制 了 在 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 ， 电能直 接 转 化 为 热 将
吴兆 琳［ 经 实测 给 出了半 导 体 制 冷 的最 佳 设 计 。 ３ 杨玉顺 分 析 了热 电循 环 中获 得最 大 制 冷 量 、 大制 冷 最 温差 和最 大制冷 系数 的条 件 ， 给 出 了两 种 不 同设 计 并 方法 的最 佳 特性 参 数 选 择 的原 则 。Ｋｅ ｉ ｉ］ 稳 态 ｎｃ ［ 对 ｈ４ 的数值 模 拟方 法 作 了 阐述 。Ｊ Ｇ Ｓｏ ｋ ｏｍ［ 等通 过 ． ． ｔｃ ｈ ｌ ５ 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， 结 出 散热 量 总
摘 要 ：通 过 研 究 国 内外 的相 关 文 献 ，从 理 论 、 材 料 、 结构 设 计 、传 热 方 式 ４个 方 面 对 影 响 半 导 体 制 冷 效 率 的
因素 进行 了综述 ，从 中 总结 了半 导体 制 冷 研 究 的热 点 和 成 就 ． 归纳 出 当前 半 导 体 制 冷 研 究 存 在 的 问题 ， 为 今 后 深 入研 究 半 导体 制 冷 提供 了可 借 鉴 的研 究方 向和 方 法 。 关 键 词 ：半 导体 制 冷 ；工 作 原 理 ｝应 用 中 图分 类 号 ：Ｔ Ｎ３： ６ ＴＢ ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ
电压 或 电流 即可 ； ⑦半 导体 制冷 片热惯 性非 常小 ， 制冷
图 １ 半 导 体 制 冷 工 作 原 理
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 、 艺和 其 他 条件 的 限制 ， 工
能 的技 术［ 。半 导体 制 冷 工作 原 理 如 图 １所 示 ， ２ ］ 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Baidu Nhomakorabea 直流 电源后 ， 在接 头处 就会 产生 温差 和热量
弗 北 京 市教 育 委 员 会 科 技 发 展 计 划 资 助项 目 （ ＫＭ２ １ １０ １ ０ ） ０ ０ ０ １ ０ ７
２１ ０ ２年 第 ３期
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 ， 热端 冷
温 差越 大 ， 制 冷 量 越 小 ， 率 越 低 。从 文献 研 究 来 其 效