半导体制冷技术和应用

半导体制冷技术和应用

一. 器件介绍

半导体致冷器（TE）也叫热电致冷器，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。

半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的致冷器，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成.

半导体致冷器的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电致冷的温差电效应。

1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）

一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：

ES=S.△T

式中：ES为温差电动势 S为温差电动势率（塞贝克系数）△T 为接点之间的温差

2、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）

一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 为放热或吸热功率 I为工作电流 a为温差电动势

Tc为冷接点温度

3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）

当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率 τ为汤姆逊系数 I为工作电流△T 为温度梯度

以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。

约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体致冷器件。

中国在半导体致冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体致冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体致冷器，因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用。

二. 技术应用

半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1、不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长、安装容易。

2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。

3、半导体致冷器是电流换能型器件，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。

4、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。

5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。

6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

应用领域应用范围

1.军事方面导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、

导行系统

2.医疗方面冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪

等

3.实验室装置方面冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、

各种恒温、高低温实验仪器

4.专用装置方面石油、生化产品低温测试仪、细菌培养

箱、恒温显影槽、电脑等

5.日常生活方面空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱

等。此外，还有其它方面的应用

三. 性能计算

在应用致冷器前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外，还有两个：一个是焦耳热Qj；另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端，另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。

产冷量Qc=Qπ-Qj-Qk 热端散掉

的热Qh

=Qπ+Qj-Qk

=（2p-2n）.Tc.I-1/2j²R-K（Th-Tc）=（2p-

2n）.Th.I+1/2I²R-K（Th-Tc）

式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。

从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是“热泵”的一种：

Qh-Qc=I²R=P

由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。

Qh=P+Qc → Qc=Qh-P

最大致冷功率的计算方法：

A.1 在热端温度Th为27℃±1℃, 温差为△T=0 , I=Imax 时，

最大致冷功率Qcmax(W)按公式（1）计算：Qcmax=0.07NI

(1)式中：N ---器件对数, I ---器件的最大温差电流（A）。

A.2 若热面温度为3~40℃时，最大致冷功率Qcmax（W）应按公式（2）加以修正，

Qcmax∣Th= Qcmax×[1+0.0042(Th--27)]

(2)式中：Qcmax ---热面温度Th=27℃±1℃的最大致冷功率（W），Qcmax∣Th --热面温度Th --3~40℃时的实测温度下的最大致冷功率（W）

四. 应用选择

半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：

1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。

2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最佳的致冷效果，电堆须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏，决