半導(dǎo)體制冷技術(shù)以及發(fā)展前景

范玉斐　張鳴　鄭學(xué)林

摘 要：半導(dǎo)體制冷又名熱電制冷或溫差電制冷，是一種新型的制冷技術(shù)，主要是珀?duì)柼?yīng)在制冷技術(shù)的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的制冷方式相比，半導(dǎo)體制冷沒有制冷劑和一些復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，它具有無噪音，無振動(dòng)，良好的環(huán)境友好型，應(yīng)用廣泛。由于單個(gè)制冷電偶的制冷效率和能力比較低，所以多級(jí)串聯(lián)和并聯(lián)的熱電堆將具有很大的發(fā)展?jié)摿??；谝陨系姆矫?，本文將從半?dǎo)體制冷原理，多級(jí)半導(dǎo)體制冷技術(shù)以及半導(dǎo)體制冷與傳統(tǒng)制冷技術(shù)的異同方面進(jìn)行介紹，同時(shí)查閱了大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)半導(dǎo)體制冷在工業(yè)技術(shù)，電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)方面的發(fā)展前景進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；帕爾帖效應(yīng)；制冷效率；熱電堆

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上個(gè)世紀(jì)初，人們做了很多電磁的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了金屬材料的熱電效應(yīng)，但是由于這些金屬材料的熱電性能比較差，所以效率是非常低的。直到本世紀(jì)50年代之后，半導(dǎo)體材料發(fā)展迅速，所以致使熱電效率也大幅的增加，從而使熱電制冷也開始發(fā)展。由于半導(dǎo)體材料具有非常好的熱電能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)，將它的這一性質(zhì)在熱電制冷中得到了應(yīng)用，所以把熱電制冷叫做半導(dǎo)體制冷；同時(shí)又由于帕爾帖效應(yīng)與溫差發(fā)電對(duì)應(yīng)，所以又叫做溫差電制冷。這種比較新型的制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)不同，沒有制冷劑和一些制冷設(shè)備，從而在一些特殊的領(lǐng)域中將得到十分廣闊的前景。

熱電效應(yīng)是由塞貝克、珀?duì)柼?、湯姆遜、焦耳和富里葉五種不同的效應(yīng)組成的，其中前三種效應(yīng)電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應(yīng)的熱是不可逆效應(yīng)。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

1.1 半導(dǎo)體制冷的原理

熱電制冷裝置是由熱電制冷效率較好的，熱電效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。如圖1-1所示，把一只N型半導(dǎo)體元件和一個(gè)P型半導(dǎo)體元件組合成的熱電偶，通電之后，就會(huì)在接頭處產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移和溫度差。對(duì)于N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是自由電子，與金屬的價(jià)電子相類似；對(duì)于P型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是空穴，與自由電子的區(qū)別是電荷數(shù)相等而符號(hào)相反。所以，上面的接頭處是冷端，吸熱且溫度下降，電流的方向是N到P；下面的接頭處是熱端，放熱且溫度上升，電流的方向是P到N。其次借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去不斷的吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。

Z代表了熱點(diǎn)材料的一種特性。同時(shí)可以決定制冷元件所能達(dá)到的最大溫差。由上式可以得到，為了提高優(yōu)值系數(shù)Z，就要提高溫差電動(dòng)勢(shì)α，降低電阻率R和導(dǎo)熱系數(shù)K。上式公式也說明熱電材料性能的提高還要有待于半導(dǎo)體材料的發(fā)展，因?yàn)榻饘俚臒犭妱?shì)很低，而半導(dǎo)體靠空穴和電子可以呈現(xiàn)出非常大的溫差電動(dòng)勢(shì)。

其次電偶在熱端放出的熱量：QH=Q0+Q1，其中Q1為一對(duì)電偶的消耗功率，故放熱系數(shù)ε1 = QH/Q1 = 1+ε?？梢钥闯隼脽犭娫碜鰺岜檬呛苡欣?。

1.2 多級(jí)半導(dǎo)體制冷

一個(gè)P型和N型半導(dǎo)體制冷元件與連接片串聯(lián)起來，組成的制冷單元稱為單級(jí)熱電堆。但是由于單個(gè)制冷電偶的制冷效率比較低，如果把電偶進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)起來組成多級(jí)熱電堆，這樣就會(huì)增大制冷溫差，所以制冷效率將會(huì)大大提高。

如下圖所示，圖1-2是常見的二級(jí)堆串聯(lián)電路，圖1-3是常見的二級(jí)堆并聯(lián)電路，圖1-4是常見的串并聯(lián)混合電路。

串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是各級(jí)的電流都相同。級(jí)與級(jí)之間需要一層電絕緣導(dǎo)熱層，（一般用陽級(jí)氧化鋁、氧化鈹?shù)萚1]），同時(shí)為了使每一級(jí)都處于最佳工作電流，上一級(jí)元件的長(zhǎng)度比下一級(jí)元件的長(zhǎng)度要略長(zhǎng)一點(diǎn)，來防止上一級(jí)元件電導(dǎo)率增加引起的電流的偏離。對(duì)于串聯(lián)型多級(jí)熱電堆在同一溫差和承受同一負(fù)載時(shí)要比并聯(lián)型消耗較大的功率。

并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流較大，級(jí)與級(jí)之間無需電絕緣導(dǎo)熱層，因此級(jí)間無有害溫差。同時(shí)各級(jí)的電偶數(shù)與級(jí)數(shù)應(yīng)對(duì)應(yīng)相等，每一級(jí)的兩邊的兩個(gè)元件的截面積應(yīng)比中間的大一些。其次把并聯(lián)型多級(jí)堆各級(jí)的中間部位斷開，在級(jí)與級(jí)之間加上絕緣層之后，用導(dǎo)線連接起來可以成為串聯(lián)多級(jí)電堆。

串并聯(lián)多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)結(jié)合串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)和并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)。

如前所述，熱端的散熱量比冷端產(chǎn)冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，為了得到較大溫差，第一級(jí)元件對(duì)數(shù)比第二級(jí)元件對(duì)數(shù)大許多倍。由于這個(gè)因素以及溫度越低熱電性能越差，所以級(jí)數(shù)不宜過多，一般2到3級(jí)為宜。

1.3 半導(dǎo)體制冷技術(shù)與機(jī)械壓縮制冷技術(shù)的異同

半導(dǎo)體制冷與機(jī)械壓縮制冷相比，在正常工作通入電流時(shí)，自由電子和空穴在電場(chǎng)的作用下，離開熱電堆的冷端向熱端運(yùn)動(dòng)，這一過程相當(dāng)于制冷機(jī)中的壓縮過程，其中熱電堆起壓縮機(jī)的作用。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時(shí)產(chǎn)生空穴—電子對(duì)，這一過程相當(dāng)于在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)過程，其中冷端及其熱交換器起著蒸發(fā)器的作用。在熱電堆的熱端，發(fā)生空穴—電子對(duì)的復(fù)合，同時(shí)通過熱交換器散熱，相當(dāng)于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)，其中熱端及其熱交換器起著冷凝器的作用。

半導(dǎo)體制冷與機(jī)械壓縮制冷的區(qū)別在于：不使用制冷劑，有很好的環(huán)境友好型，消除了制冷劑泄漏對(duì)環(huán)境的危害，所以對(duì)一些特定的場(chǎng)合比較適用；沒有制冷裝置的運(yùn)動(dòng)部件，所以無噪音，無振動(dòng)，工作可靠，維護(hù)比較方便；半導(dǎo)體制冷的尺寸比較小型化，在一些場(chǎng)合可以提現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)；半導(dǎo)體制冷可以通過調(diào)節(jié)工作電壓來改變它的制冷量；半導(dǎo)體制冷一般使用直流電工作，所以對(duì)工作電壓的脈動(dòng)范圍有一定的要求。

基于以上半導(dǎo)體制冷所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，在一些特殊的，不能使用制冷劑的情況中，以及一些小容量等一些制冷條件中，半導(dǎo)體制冷表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，同時(shí)也成為了現(xiàn)代制冷技術(shù)中的一個(gè)重要的組成部分。