半导体制冷技术及其应用

半导体制冷技术及其应用

摘要：制冷，是使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度，并保持在规定低温状态的一门科学技术，它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。半导体制冷技术就是人们对制冷技术的一次有益探索。半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，与传统的制冷技术相比有独特的优势。半导体制冷技术的发展大致经历了温差电流现象和温度反常现象、热电发电和热电制冷进入工程实践、半导体的热电制冷的性能进一步开发热电制冷的应用领域三个阶段。半导体制冷推动了制冷技术的发展，解决了许多特殊场合的制冷难题，具有独特的优点。在信息、国防、工业、农业、商业、医疗和日常生活等领域都获得广泛应用。

关键词：半导体制冷、温差效应、技术特点、应用。

正文：人们在人类历史的的发展长河中，在一年四季气候的变化中就在不停寻找、探索制冷的方法和技术。而当今制冷的方法和技术不仅用在家电行业的冰箱、小型旅行电冰箱、冷暖饮水机、空调等家用电器；还可用于低温医疗器具(冰帽、冰垫、冰刀、白内障摘除器)，当然其最重要的应用是在信息技术领域，另外在导弹、卫星、雷达等国防重点工程也有应用；与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷是靠电子在运动中直接传递热量来实现的，具有一系列优点，是近年来国际上迅速发展的一项高新技术，在国内只有极少数企业初步掌握该项技术，特别是在信息产业领域里的应用非常少见。

一、半导体制冷简介及其技术优势

电子制冷也叫温差制冷、热电制冷或半导体制冷，是根据法国物理学家珀尔帖发现的珀尔帖效应的基础上发展起来的人工制冷技术。半导体电子制冷是近年来国际上迅速发展的一项高新技术，其原理是利用半导体材料的温差效应，当直流电通过两种不同的半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，如果在放热端安装散熟装置，吸热端就能通过热量输运制成简单的新型制冷器，利用这一原理，利用半导体材料的热电特性，就能制成一个温度变化范围为一50～800摄氏度，工作容积可大可小，具有冷藏、降温、恒温等功能，并能实现温度逐点控制的制冷器。

电子制冷与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷是靠电子(空穴)在运动中直接传递热量来实现的，因而有如下优点：(1)它没有压缩机和介质管道等机械制冷环节，无机械传动部件，结构简单，没有机械磨损，因此，它无噪声、冷熟转换快、操作简单、可靠性高、寿命长，能在任意位置中正常工作；(2)它无任何化学制冷剂，不会释放任何其他有害物质，因此无环境污染，

清洁卫生；(3)它是固体化电子器件，热电堆可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变，占有空间小，可小型化，微型化，致冷加热可互易。(4)通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活；调节电压或电流时，易于实现高精度的温控，即使频繁通断电，也不影响工作质量和使用寿命。

二、技术特点

新型环保电子制冷核心器件采用性能优良的半导体热电制冷材料

P_Bi2Te3．Sb2Te3、N—Bi2Te3．Bi2Se3准三元合金，它们具有较好的优值系数：在半导体制冷及热交换方面取得了重大突破，使半导体制冷系统的转换率提高了50％以上，产品的能源消耗低。可根据不同场合及不同需要自行调节温度，不需要任何制冷剂，具有环保、节能、便捷的功效。这种半导体制冷技术具有以下特点：

1、利用特种半导体材料组成PN结进行制冷(或制热)，体积小、重量轻、寿命长、无噪音。

2、无机械运动、制冷迅速，便于组成各种结构、形状的制冷器。

3、制冷量可在mw级．kw级变化，制冷温差可达20—150℃范围。

4、由于无气体工质，不会污染环境，是一种真正的绿色制冷器。新型环保电子制冷核心器件是适应于当前能源结构紧张的一种节能环保的产品，不需要运用压缩机和氟里昂，该产品在安徽省信息产业厅进行检测，其优值系数已经达到5．6，比同类产品的优值3高的多。

半导体制冷符合人们在特种场合的需要，由于具备很多的优点、应用广泛，因此，在目前的制冷行业中占有越来越重要的地位。有着十分广阔的前景。

三、国内外现状和技术发展趋势

从半导体制冷的发展历史来看，半导体制冷技术大致经历了三个阶段。第一个阶段是指自塞贝克和珀尔帖先后发现温差电流现象和温度反常现象，进行热电发电和热电制冷的研究到20世纪50年代，由于使用的金属材料的热电性能较差，能量转换的效率很低，无实用价值，热电效应没有得到实质应用。第二阶段是20世纪50年代初到80年代，主要是通过半导体材料的广泛应用，发现半导体材料具有良好的热电性能，并使热电效应的效率大大提高，从而使热电发电和热电制冷进入工程实践。第三阶段是80年代以后，主要是努力提高半导体的热电制冷的性能，进一步开发热电制冷的应用领域。

西方发达国家一直十分重视半导体制冷技术研究及应用。为了争夺未来的市场，西方各大电器公司投入了不少力量进行技术和工艺研究。GE、WH等四家大公司同时对美国海军提出的核潜艇空调和制冷系统热电化进行了不同类型和系统的样机研制，大大推进了半导体制冷技术在这方面的发展。同时，前苏联也进行

了船用热电空调器和半导体冰箱的研制工作。西方国家还发展了各种便携式的半导体制冷器、小冰箱和经济食品箱等，当前，国外专门从事半导体制冷器生产的厂家以MARLOW、MELCOR、CAMBION三家公司最具代表性。

在发达国家，半导体制冷已用于汽车(或手提式)冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调器、红外制导空对空导弹的红外探测器探头冷却器、照相显影液恒温冷却器、宇航员及坦克乘员的空调服等方面。此外，国际上有些国家开发了许多新的应用领域，如法国开发了火车和飞机上的空调。

我国在20世纪50～60年代开始对半导体制冷进行了研究，并生产出性能良好的半导体制冷材料。当时在国际上也是比较早的研究国家之一。20世纪60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，20世纪60年代末至80年代初是我国半导体制冷器技术发展的一个台阶，在此期间，一方面研究半导体制冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域，产品以车用小型冷热箱为主，外形与内部结构主要模仿国外同类产品；我国在20世纪90年代，开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低温测试设备以及半导体去湿系列产品，国内市场上已有数十种应用产品。此外，在医疗及保健产品方面出现了冰帽、冰垫、冰刀，白内障摘除器等。在中国科学院半导体研究所投入了大量的人力与物力，获得了半导体制冷器。因而才有了现在的半导体制冷器的生产及其二次产品的开发和应用。目前，半导体制冷器的生产除了在中国外，还有日本、美国、俄罗斯等少数国家。

中国在半导体制冷器的生产数量上居世界首位，主要原因是半导体制冷器的原材料在中国储存量最多和在应用开发上有较大的成功。我国半导体制冷组件的主要性能指标已达到国外20世纪90年代水平，因此在国际市场上已有很高声誉。大部分厂家的产品主要出口国外，按照国外用户的质量要求组织生产，单片组件的热电参数比较稳定，最大温差已达到70℃，最大温差时电流离散率及内阻防散率比较低，而且一致性较好。近年来又相继开发出防潮密封的组件，可在水中连续工作，且工作温度可达到125"(2。与常规压缩机制冷方式相比，热电制冷技术具有无环境污染，体积小、寿命长、冷热转换快、操作简单等优点，已较成熟地用于特殊场合的小型冷藏箱，如便携式、车载的冷暖箱，星级宾馆用的小冰箱等。随着经济高速发展，许多领域有待于用半导体制冷技术去进一步开拓。

四、对产业发展的作用和影响

与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷在国内只有极少数企业初步掌握该项技术，特别是在信息产业领域里的应用非常少见。企业经过多年研究，已经开发出了可以应用于信息产业领域的新型环保电子制冷核心器件，并取得了专利，通过实现企业技术升级，扩大该系列产品产量，同时积极研发新