半导体制冷技术及其应用
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第 ３ 期 （总 第 １７２ 期 ） ２０１２ 年 ６ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０３－２０９－０３
Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．
半导体制冷技术及其应用櫜
徐 昌 贵１， 贾 艳 婷２， 闫 献 国２， 田 志 峰３
主要研究对象，由于 其 材 料、工 艺 和 其 他 条 件 的 限 制， 致使半导体制冷设备的整体技术性能还不能与机械式 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
吴兆琳 经 ［３］ 实 测 给 出 了 半 导 体 制 冷 的 最 佳 设 计 。 杨玉顺分析了热电循 环 中 获 得 最 大 制 冷 量、最 大 制 冷 温差和最大制冷系数 的 条 件，并 给 出 了 两 种 不 同 设 计 方法的最 佳 特 性 参 数 选 择 的 原 则。Ｋｅｎｉｃｈｉ［４］对 稳 态 的数值模拟方 法 作 了 阐 述。Ｊ．Ｇ．Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ［５］等 通 过 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，总 结 出 散 热 量
由于半导体制冷的散热量等于其制冷量和输入功 率之和，因此半导体 制 冷 热 端 散 热 效 果 是 影 响 半 导 体 制冷性能的重要因 素。 国 内 外 学 者 在 文 献 ［１２，１３］中 指 出 ，强 化 散 热 的 方 式 有 空 气 自 然 对 流 散 热 、强 迫 对 流 散热、水冷散热、相变 沸 腾 换 热 等 方 式，均 可 以 收 到 良 好的效果。由于散热方式的选择在半导体制冷设计中 很重要，因此选择何 种 方 式 应 综 合 考 虑 半 导 体 制 冷 器 的用途及散热效率。李茂德讨论了散热强度对制冷器 的影响分析［１４］；殷亮对半导体 制 冷 器 进 行 了 瞬 态 的 数 值计算以 及 冷 端 温 度 的 分 析 。 ［１５］ 并 有 学 者 指 出 适 当 提高散热强度可以改 善 半 导 体 制 冷 的 制 冷 性 能，但 是 不能无限制地提高其制冷性能。
国内外学者从不同角度去提高半导体的制冷效率， 可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣向荣的 景象。但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题：
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，将 电 能 直 接 转 化 为 热 能的 技 术 。 ［２］ 半 导 体 制 冷 工 作 原 理 如 图 １ 所 示，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 上 直 流 电 源 后 ，在 接 头 处 就 会 产 生 温 差 和 热 量
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前的理论。最终进行 系 统 的 综 合 分 析 和 研 究，得 到 相 应 的 结 论 ，指 导 生 产 实 际 和 下 一 步 研 究 。 ３ 半 导 体 制 冷 的 热 点 、难 点 及 存 在 的 主 要 问 题 ３．１ 半 导 体 制 冷 的 热 点 和 难 点
通过上文的分析 可 以 看 出，近 年 来 有 关 半 导 体 制 冷的研究得到了国内外学者的广泛关注。其相关的研 究对象包罗万象，几 乎 涉 及 到 所 有 领 域，如 军 事、航 空 航天、工业、农业、医 疗 卫 生、生 化 和 日 常 生 活 用 品 等。 目前的研究水平还局 限 于 半 导 体 制 冷 的 材 料、最 大 制 冷量和最大制冷效率，距 离 实 现 半 导 体 制 冷 的 广 泛 应 用还有较大差距。由于半导体制冷的材料和热端散热 效 果 一 直 是 半 导 体 制 冷 的 热 点 和 难 点 ，目 前 ，国 内 外 学 者对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开 发 、模 块 设 计 制 造 和 系 统 优 化 设 计 等 方 面 。 与 此 同 时 ， 半导体制冷的性能特性优化和系统的散热条件也是半 导体制冷研究的热点，通 过 研 究 半 导 体 制 冷 优 值 系 数 Ｚ、半导体制冷器的制造 工 艺 过 程、设 计 外 部 换 热 方 式 以及优化内部热电偶 结 构，可 为 半 导 体 制 冷 成 熟 理 论 的提出和推广应用提供一定的理论基础。目前半导体 制冷新理论和半导体制冷新技术仍是各国关注的热点 研究课题，不断开发 研 究 新 型 半 导 体 材 料 以 及 努 力 提 高现有半导体材料的性能是目前和今后半导体材料研 究的主要目标。
通过优化设计半 导 体 制 冷 模 块，减 小 半 导 体 制 冷 模块的理想性能系数 和 实 际 性 能 系 数 间 的 差 值，提 高 半导体 制 冷 器 的 实 际 制 冷 性 能。 Ｍ．Ｙａｍａｎａｓｈｉ［９］提 出了半导体制冷 系 统 优 化 设 计 的 新 方 法，Ｔａｙｌｏｒ［１０］建 立了半导体制冷设备非稳态温度场的简单模型。王宏 杰和陈金灿对耦合半导体制冷系统性能特性进行了优 化分析，导出了多级 制 冷 最 大 制 冷 系 数 和 制 冷 率 的 公 式、最大工作电流的 范 围 和 两 级 半 导 体 元 件 的 最 佳 比 的 取 值 范 围 。 文 献 ［１１］指 出 加 工 工 艺 对 半 导 体 制 冷 的 影响因素有：附加传 热 温 差、焊 缝 电 阻、散 热 交 换 和 原 件性能。 ２．４ 传 热 方 式
櫜 北京市教育委员会科技发展计划资助项目 （ＫＭ２０１０１００１１００７） 收 稿 日 期 ：２０１２－０１－１２； 修 回 日 期 ：２０１２－０４－１０ 作者简介：徐昌贵 （１９６６－），男，江西永修人，副教授，硕士，主要研究方向：机械工程。
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第３期
通过对半导体制 冷 的 影 响 因 素 分 析，总 结 出 的 研 究 方 法 有 ：理 论 研 究 、计 算 分 析 、实 验 、对 比 分 析 。 通 过 对半导体以及半导体 制 冷 的 原 理 研 究，可 以 提 供 理 论 基 础 ，从 中 得 到 的 计 算 公 式 可 以 得 出 理 论 最 优 值 ，为 以 后的工作奠定基础和方向。通过对具体的工况进行实 验 ，可 以 找 到 其 中 的 内 在 联 系 和 相 互 影 响 ，并 且 纠 正 之
（１．北京工商大学 机械工程学院，北京 １０００３７；２．太 原 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 山 西 太 原 ０３００２４； ３．中国电子科技集团 第二研究所，山西 太原 ０３００２４）
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 ：ＴＮ３∶ＴＢ６６ 文 献 标 识 码 ：Ａ
关 注 热 点 的 同 时 ，也 面 临 诸 多 难 点 。 首 先 ，半 导 体 制冷材料性 能 的 优 劣 取 决 于 其 半 导 体 制 冷 优 值 系 数 Ｚ。其次，半导体制冷是 一 个 参 数 多、工 况 变 化 复 杂 的 过程，几何 结 构 参 数、散 热 传 热 条 件 等 对 其 影 响 都 很 大 ，采 用 常 规 的 针 对 性 实 验 方 法 难 以 满 足 多 种 需 要 ，并 且在进行优化设计的参数选择时需要实验对比不同工 况从而选择最优方案，所 以 如 何 选 择 和 设 计 研 究 过 程 和 方 案 就 显 得 十 分 重 要 。 再 次 ，根 据 传 热 学 原 理 、热 力 学 定 律 以 及 帕 尔 帖 效 应 可 知 ，半 导 体 制 冷 过 程 中 冷 、热 端的温度差对半导体制冷的热量和冷量的传递有极大 的 影 响 ，两 端 换 热 性 能 差 ，就 会 大 幅 度 地 减 小 同 等 功 率 下 的 制 冷 能 力 ，若 热 端 散 热 效 果 差 ，往 往 达 不 到 设 计 要 求，因而冷、热端散热 也 是 半 导 体 制 冷 的 又 一 个 困 难。 总而言之，半 导 体 制 冷 的 难 点 在 于：高 优 值 系 数 的 材 料 、复 杂 的 多 参 数 以 及 冷 热 端 散 热 的 设 计 。 ３．２ 半 导 体 制 冷 当 前 存 在 的 主 要 问 题
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 ，冷 热 端 温差越大，其 制 冷 量 越 小，效 率 越 低。 从 文 献 研 究 来 看 ，半 导 体 制 冷 技 术 的 理 论 研 究 基 本 成 熟 。 ２．２ 半 导 体 材 料
目前世界上大多数的半导体材料的无量纲值在１ 左右，还远小于由固 体 理 论 模 型 和 较 为 实 际 的 数 据 计 算所得的上限 ４，故 对 材 料 领 域 的 研 究 仍 有 很 长 的 路 要 走 ，这 是 半 导 体 制 冷 技 术 能 否 取 得 突 破 的 关 键 所 在 。 Ｍｉｎ．Ｇ，Ｄ Ｍ Ｒｏｗｅ和 Ｋｏｎｔｏｓｔａｖｌａｋｉｓ Ｋ 等 还 ［６］ 探 讨 了在大温差下材料 优 值 系 数 的 变 化 问 题。 宜 向 春、蔡 德坡和吴雄等在考察半导体制冷材料发展的基础上， 详细分析了影响 半 导 体 材 料 优 值 系 数 的 几 个 因 素 。 ［７］ Ｍｏｌｅ等［８］认为，减少 声 子 传 导 率，即 可 大 大 提 高 半 导 体制冷堆的优值系数。半导体材料的优值系数除与电 极 材 料 有 关 ，也 与 电 极 的 截 面 和 长 度 有 关 。 ２．３ 结 构 设 计
转移。在上 端 处，电 流 方 向 是 Ｎ→Ｐ，温 度 下 降 并 吸 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 ，这 就 是 热 端 。
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
０ 引 言 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 、坚 固 、 可靠性高、稳 定 性 好 等 一 系 列 优 点，符 合 绿 色 环 保 要 求 ，因 此 ，对 国 民 经 济 的 可 持 续 发 展 具 有 重 要 的 战 略 意 义。半导体 制 冷 与 其 他 的 制 冷 方 式 相 比 具 有 以 下 优 点：①没有机械制冷 的 运 动 部 件；② 不 使 用 制 冷 剂；③ 冷、热端转换方便，只 要 电 流 方 向 转 变 即 可；④ 其 制 冷 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 、并 联 的 方 法 将 其 组 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 ，通 过 调 节 工 作 电 压 或 电 流 即 可 ；⑦ 半 导 体 制 冷 片 热 惯 性 非 常 小 ，制 冷 制热时间短 。 ［１］ 总之，由于半导体制冷结构紧凑、制 冷 迅速、操作简单、容易 实 现 高 精 度 的 温 度 控 制 等 优 点， 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，在 很 大 程 度 上 限 制 了 半导体制冷的推广和应用。 １ 半 导 体 制 冷 的 工 作 原 理
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０３－２０９－０３
Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．
半导体制冷技术及其应用櫜
徐 昌 贵１， 贾 艳 婷２， 闫 献 国２， 田 志 峰３
主要研究对象，由于 其 材 料、工 艺 和 其 他 条 件 的 限 制， 致使半导体制冷设备的整体技术性能还不能与机械式 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
吴兆琳 经 ［３］ 实 测 给 出 了 半 导 体 制 冷 的 最 佳 设 计 。 杨玉顺分析了热电循 环 中 获 得 最 大 制 冷 量、最 大 制 冷 温差和最大制冷系数 的 条 件，并 给 出 了 两 种 不 同 设 计 方法的最 佳 特 性 参 数 选 择 的 原 则。Ｋｅｎｉｃｈｉ［４］对 稳 态 的数值模拟方 法 作 了 阐 述。Ｊ．Ｇ．Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ［５］等 通 过 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，总 结 出 散 热 量
由于半导体制冷的散热量等于其制冷量和输入功 率之和，因此半导体 制 冷 热 端 散 热 效 果 是 影 响 半 导 体 制冷性能的重要因 素。 国 内 外 学 者 在 文 献 ［１２，１３］中 指 出 ，强 化 散 热 的 方 式 有 空 气 自 然 对 流 散 热 、强 迫 对 流 散热、水冷散热、相变 沸 腾 换 热 等 方 式，均 可 以 收 到 良 好的效果。由于散热方式的选择在半导体制冷设计中 很重要，因此选择何 种 方 式 应 综 合 考 虑 半 导 体 制 冷 器 的用途及散热效率。李茂德讨论了散热强度对制冷器 的影响分析［１４］；殷亮对半导体 制 冷 器 进 行 了 瞬 态 的 数 值计算以 及 冷 端 温 度 的 分 析 。 ［１５］ 并 有 学 者 指 出 适 当 提高散热强度可以改 善 半 导 体 制 冷 的 制 冷 性 能，但 是 不能无限制地提高其制冷性能。
国内外学者从不同角度去提高半导体的制冷效率， 可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣向荣的 景象。但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题：
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，将 电 能 直 接 转 化 为 热 能的 技 术 。 ［２］ 半 导 体 制 冷 工 作 原 理 如 图 １ 所 示，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 上 直 流 电 源 后 ，在 接 头 处 就 会 产 生 温 差 和 热 量
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前的理论。最终进行 系 统 的 综 合 分 析 和 研 究，得 到 相 应 的 结 论 ，指 导 生 产 实 际 和 下 一 步 研 究 。 ３ 半 导 体 制 冷 的 热 点 、难 点 及 存 在 的 主 要 问 题 ３．１ 半 导 体 制 冷 的 热 点 和 难 点
通过上文的分析 可 以 看 出，近 年 来 有 关 半 导 体 制 冷的研究得到了国内外学者的广泛关注。其相关的研 究对象包罗万象，几 乎 涉 及 到 所 有 领 域，如 军 事、航 空 航天、工业、农业、医 疗 卫 生、生 化 和 日 常 生 活 用 品 等。 目前的研究水平还局 限 于 半 导 体 制 冷 的 材 料、最 大 制 冷量和最大制冷效率，距 离 实 现 半 导 体 制 冷 的 广 泛 应 用还有较大差距。由于半导体制冷的材料和热端散热 效 果 一 直 是 半 导 体 制 冷 的 热 点 和 难 点 ，目 前 ，国 内 外 学 者对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开 发 、模 块 设 计 制 造 和 系 统 优 化 设 计 等 方 面 。 与 此 同 时 ， 半导体制冷的性能特性优化和系统的散热条件也是半 导体制冷研究的热点，通 过 研 究 半 导 体 制 冷 优 值 系 数 Ｚ、半导体制冷器的制造 工 艺 过 程、设 计 外 部 换 热 方 式 以及优化内部热电偶 结 构，可 为 半 导 体 制 冷 成 熟 理 论 的提出和推广应用提供一定的理论基础。目前半导体 制冷新理论和半导体制冷新技术仍是各国关注的热点 研究课题，不断开发 研 究 新 型 半 导 体 材 料 以 及 努 力 提 高现有半导体材料的性能是目前和今后半导体材料研 究的主要目标。
通过优化设计半 导 体 制 冷 模 块，减 小 半 导 体 制 冷 模块的理想性能系数 和 实 际 性 能 系 数 间 的 差 值，提 高 半导体 制 冷 器 的 实 际 制 冷 性 能。 Ｍ．Ｙａｍａｎａｓｈｉ［９］提 出了半导体制冷 系 统 优 化 设 计 的 新 方 法，Ｔａｙｌｏｒ［１０］建 立了半导体制冷设备非稳态温度场的简单模型。王宏 杰和陈金灿对耦合半导体制冷系统性能特性进行了优 化分析，导出了多级 制 冷 最 大 制 冷 系 数 和 制 冷 率 的 公 式、最大工作电流的 范 围 和 两 级 半 导 体 元 件 的 最 佳 比 的 取 值 范 围 。 文 献 ［１１］指 出 加 工 工 艺 对 半 导 体 制 冷 的 影响因素有：附加传 热 温 差、焊 缝 电 阻、散 热 交 换 和 原 件性能。 ２．４ 传 热 方 式
櫜 北京市教育委员会科技发展计划资助项目 （ＫＭ２０１０１００１１００７） 收 稿 日 期 ：２０１２－０１－１２； 修 回 日 期 ：２０１２－０４－１０ 作者简介：徐昌贵 （１９６６－），男，江西永修人，副教授，硕士，主要研究方向：机械工程。
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第３期
通过对半导体制 冷 的 影 响 因 素 分 析，总 结 出 的 研 究 方 法 有 ：理 论 研 究 、计 算 分 析 、实 验 、对 比 分 析 。 通 过 对半导体以及半导体 制 冷 的 原 理 研 究，可 以 提 供 理 论 基 础 ，从 中 得 到 的 计 算 公 式 可 以 得 出 理 论 最 优 值 ，为 以 后的工作奠定基础和方向。通过对具体的工况进行实 验 ，可 以 找 到 其 中 的 内 在 联 系 和 相 互 影 响 ，并 且 纠 正 之
（１．北京工商大学 机械工程学院，北京 １０００３７；２．太 原 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 山 西 太 原 ０３００２４； ３．中国电子科技集团 第二研究所，山西 太原 ０３００２４）
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 ：ＴＮ３∶ＴＢ６６ 文 献 标 识 码 ：Ａ
关 注 热 点 的 同 时 ，也 面 临 诸 多 难 点 。 首 先 ，半 导 体 制冷材料性 能 的 优 劣 取 决 于 其 半 导 体 制 冷 优 值 系 数 Ｚ。其次，半导体制冷是 一 个 参 数 多、工 况 变 化 复 杂 的 过程，几何 结 构 参 数、散 热 传 热 条 件 等 对 其 影 响 都 很 大 ，采 用 常 规 的 针 对 性 实 验 方 法 难 以 满 足 多 种 需 要 ，并 且在进行优化设计的参数选择时需要实验对比不同工 况从而选择最优方案，所 以 如 何 选 择 和 设 计 研 究 过 程 和 方 案 就 显 得 十 分 重 要 。 再 次 ，根 据 传 热 学 原 理 、热 力 学 定 律 以 及 帕 尔 帖 效 应 可 知 ，半 导 体 制 冷 过 程 中 冷 、热 端的温度差对半导体制冷的热量和冷量的传递有极大 的 影 响 ，两 端 换 热 性 能 差 ，就 会 大 幅 度 地 减 小 同 等 功 率 下 的 制 冷 能 力 ，若 热 端 散 热 效 果 差 ，往 往 达 不 到 设 计 要 求，因而冷、热端散热 也 是 半 导 体 制 冷 的 又 一 个 困 难。 总而言之，半 导 体 制 冷 的 难 点 在 于：高 优 值 系 数 的 材 料 、复 杂 的 多 参 数 以 及 冷 热 端 散 热 的 设 计 。 ３．２ 半 导 体 制 冷 当 前 存 在 的 主 要 问 题
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 ，冷 热 端 温差越大，其 制 冷 量 越 小，效 率 越 低。 从 文 献 研 究 来 看 ，半 导 体 制 冷 技 术 的 理 论 研 究 基 本 成 熟 。 ２．２ 半 导 体 材 料
目前世界上大多数的半导体材料的无量纲值在１ 左右，还远小于由固 体 理 论 模 型 和 较 为 实 际 的 数 据 计 算所得的上限 ４，故 对 材 料 领 域 的 研 究 仍 有 很 长 的 路 要 走 ，这 是 半 导 体 制 冷 技 术 能 否 取 得 突 破 的 关 键 所 在 。 Ｍｉｎ．Ｇ，Ｄ Ｍ Ｒｏｗｅ和 Ｋｏｎｔｏｓｔａｖｌａｋｉｓ Ｋ 等 还 ［６］ 探 讨 了在大温差下材料 优 值 系 数 的 变 化 问 题。 宜 向 春、蔡 德坡和吴雄等在考察半导体制冷材料发展的基础上， 详细分析了影响 半 导 体 材 料 优 值 系 数 的 几 个 因 素 。 ［７］ Ｍｏｌｅ等［８］认为，减少 声 子 传 导 率，即 可 大 大 提 高 半 导 体制冷堆的优值系数。半导体材料的优值系数除与电 极 材 料 有 关 ，也 与 电 极 的 截 面 和 长 度 有 关 。 ２．３ 结 构 设 计
转移。在上 端 处，电 流 方 向 是 Ｎ→Ｐ，温 度 下 降 并 吸 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 ，这 就 是 热 端 。
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
０ 引 言 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 、坚 固 、 可靠性高、稳 定 性 好 等 一 系 列 优 点，符 合 绿 色 环 保 要 求 ，因 此 ，对 国 民 经 济 的 可 持 续 发 展 具 有 重 要 的 战 略 意 义。半导体 制 冷 与 其 他 的 制 冷 方 式 相 比 具 有 以 下 优 点：①没有机械制冷 的 运 动 部 件；② 不 使 用 制 冷 剂；③ 冷、热端转换方便，只 要 电 流 方 向 转 变 即 可；④ 其 制 冷 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 、并 联 的 方 法 将 其 组 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 ，通 过 调 节 工 作 电 压 或 电 流 即 可 ；⑦ 半 导 体 制 冷 片 热 惯 性 非 常 小 ，制 冷 制热时间短 。 ［１］ 总之，由于半导体制冷结构紧凑、制 冷 迅速、操作简单、容易 实 现 高 精 度 的 温 度 控 制 等 优 点， 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，在 很 大 程 度 上 限 制 了 半导体制冷的推广和应用。 １ 半 导 体 制 冷 的 工 作 原 理