半导体制冷技术及其应用

半导体制冷技术及其应用

发表时间：2011-03-24T09:46:40.620Z 来源：《学园》2011年01月中期供稿作者：朱倩刘玉超张强蔡存金

[导读] 本文提出了一种新型的制冷技术

朱倩刘玉超张强蔡存金中国人民解放军徐州空军学院

【摘要】本文提出了一种新型的制冷技术–?半导体制冷技术，分析了半导体制冷的内在原因和热电效应，并对基于此技术的新型半导体制冷器进行了介绍，最后对半导体制冷技术在军事、航空以及医用等领域的应用前景进行了展望。

【关键词】半导体制冷热电堆应用前景

【中图分类号】T1366 【文献标识码】A 【文章编号】1674－4810（2011）01－0031－02

一半导体制冷概述

半导体制冷又称温差电制冷。热电效应比较显著、半导体制冷效率比较高的半导体材料，在通过直流电时具有制冷功能，因此又称为半导体制冷。半导体制冷器是由半导体所组成的一种制冷装置，于1960年左右出现，其理论基础可追溯到19世纪。

半导体制冷建立在热电效应的基础上，总的热电效应由同时发生的五种不同效应组成，其中塞贝克、帕尔帖和汤姆逊效应表明热和电能相互转换是直接可逆的，焦耳效应和傅立叶效应是热的不可逆效应。

1．塞贝克效应

1821年，塞贝克发现当两种不同的金属1和2组成一个闭合回路时，如果在两金属的接头处温度T1、T2不相等，则在闭合回路中将产生电流，其温差电动势E与两接头的温差ΔT和金属的温差电动势率α满足下列关系，E＝αΔT，这就是塞贝克效应。

2．帕尔帖效应

法国物理学家帕尔帖在1834年发现，当有外加直流电流流过由两种不同金属组成的闭合回路时，在两接头之一会有热量Q的吸收，而在另一接头上会有热量Q的放出。这种吸收或放出的热量称为帕尔帖热，帕尔帖效应的示意图如图1所示。

接通电源之后，冷端的热量被移到热端，冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应。这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是半导体制冷器的发明。

3．汤姆逊效应

帕尔帖效应发现数十年后，汤姆逊发现，当电流流过有温度梯度ΔT/ΔX的导体时，除了产生与电阻有关的焦耳热外，还要吸收或放出热量Q，这就是汤姆逊效应。Q称为汤姆逊热量，由干在半导体中这种效应较弱，可以忽略不计。

4．焦耳效应

单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积：

式中QJ是由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热；I是通过导体的电流；R是导体的电阻；ρ是导体的电阻率；l是导体长度；S是导体截面积。

5．傅立叶效应

单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

式中：k、K分别是导体的热导率和总热导；Th是热端绝对温度；Tc是冷端绝对温度。

由此可见，半导体制冷虽是以上五种效应共同作用的结果，但起主要作用的还是帕尔帖效应。

二半导体制冷器的结构

半导体制冷器是随着半导体材料的发展而逐步发展起来的，图2是半导体制冷器的示意图。

半导体制冷器由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，而N、P结之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由上下两片陶瓷片夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。

半导体制冷材料不仅需要具备N型和P型半导体特性，还要根据需要掺入杂质来改变半导体的温差电动势率、导电率和导热率，从而使这种特殊半导体能作为制冷的材料。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3－Sb2Te3，N型是Bi2Te3－Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

三半导体制冷的应用

由于半导体制冷技术有其独特的优点，因此在科研、军事、航空、医疗等部门具有广阔的应用前景。

1．热电空调器

半导体空调器特点是不用制冷剂、噪音低，改变直流电流方向可以从制冷转到加热工况运行，因此适用于特殊环境的空调，如不允许制冷剂泄漏的潜水艇、电子通讯车等。

2．热电恒温器

采用半导体制冷的恒温器，其特点是容量小、温度控制精度高，可在要求较高的仪表和实验装置中应用。如作为半导体热电堆测量基准的半导体零点仪、半导体恒温水浴等，温度控制精度可达0.01K。 3．半导体制冷饮水机采用半导体制冷的饮水机，其特点是不用制冷剂，制冷系统结构紧凑，适宜于不允许制冷剂泄漏，要求制冷器重量轻、尺寸小的各种场合使用，如波音飞机中就使用半导体制冷饮水机。 4．医用半导体制冷器采用半导体制冷的医疗器械，其特点是结构紧凑，使用方便。如冷冻切片机、冷冻麻醉褥、白内障摘除器、皮肤病冷疗器等。 5．热电除湿机

采用半导体制冷的空气除湿机，不用制冷剂，噪音低，适用于特殊环境的除湿。如军事仓库，要求低噪音的潜水艇及不允许制冷剂泄漏的水下高压舱等。 6．热电热泵

采用半导体制冷的热泵，其特点是热惯性小、工况转换方便。一般的半导体空调器或半导体恒温器均可按照热泵工况运行。参考文献

［1］徐德胜.半导体制冷与应用技术［M］.上海：上海交通大学出版社，1999：181～182 ［2］张华俊、董晓俊、陶文铨等.风冷式热电空调器的研制［J］.半导体学报，2001.2:56 ［3］金刚善.太阳能半导体制冷/制热实验研究［D］.北京：清华大学热能工程系，2004.6（12）〔责任编辑：李锦雯〕