半导体制冷技术及应用路径研究

刘兴龙，马雪峰

（武威职业学院 甘肃 武威 733000）

1 引言

科研人员进行了大量的科学研究，最终获得了当前基于半导体制冷的技术。根据半导体制冷使用的温差冷却效果，珀尔帖效应是相匹配的，因此半导体制冷也称为温差冷却。相较于传统的制冷技术，半导体制冷技术不需要应用大量制冷剂和相关制冷设备。另外，在整个制冷过程中不易引起噪声和振动，所以不会轻易对周围人群的正常日常生活产生不利影响，应用市场前景十分广阔。

2 半导体制冷技术原理

半导体制冷设备是由具有高效率和良好热电效应的半导体材料热阻组成的。如图1所示，由N型半导体组件和P型半导体组件组成的热敏电阻在插入后会在接头处引起热传递和温差。对于N型半导体，其导电结构是自由电荷，类似于金属材料地价电子；对于导电结构是空穴的P型半导体来说，它与自由电子的电荷数量一致。所以，上接头为冷端，为吸热反应，温度降低，电流方向为从N到P；下接头是热端，为放热反应，温度升高，电流方向为P到N。其次，依靠各种热传导方法（例如热交换器）使热电堆的热端继续散发热量并维持一定的温度，然后将热电堆的冷端放入工作环境中，以持续发生吸热反应并降低温度。这是半导体制冷的工作原理[1]。如图1所示。

图1 半导体制冷工作原理

3 半导体制冷技术的发展

半导体器件的品质因数指数Z表示热电材料的特性，它决定了制冷组件可以实现的较大温差。品质因数越高，冷却特性越好，效率越高。1960年代中后期，优点指数达到最高水平：P型半导体制冷原料的优点指数Z为3.5×103I/K, N型半导体原材料的优点指数Z为（3～3.2）×103I/K。

为了更广泛地使用半导体制冷，必须提高制冷原材料的水平，即品质因数Z。如果要将半导体制冷的高效率与机械压缩制冷设备相比较，品质因数Z必须从3.5×103I/K增加到13×103I/K。然而，到目前为止，半导体器件的品质因数还没有太大改善。因此，未来的重要创新点还应该集中在提高制冷原料的优良指标上。

此外，半导体制冷热端的排热效果不好会阻碍半导体制冷作用的发挥。据第一热力学定律解释，只有当热端被连续排出且温度保持在一定位置时，冷端才能继续被冷却。热端散热的实际效果将直接影响制冷器的制冷能力和冷却效率。因此，热端排热方法的选择对于制冷电堆非常重要。半导体制冷具有以下类型的排热方法：空气自然对流，空气强制热对流，接触热传递，热传导变化或高热容物质的吸热反应，散热器管的热传递和液体循环系统制冷。在具体应用中，必须根据半导体制冷器结构和应用标准进行选择，并且进行热端散热系统的可靠性设计，保障热端良好的散热状态[2]。

4 半导体制冷技术的特点

新型环保电子设备制冷的关键部件均选自具有高质量特性的半导体制冷材料。

P_Bi2Te3.Sb2Te3, N-Bi2Te3.Bi2Se3准三元合金具有性能良好的品质因数：在半导体制冷与换热器方面均取得了显著应用效果，且半导体制冷系统的转换率提高了50%以上，产品能耗较低。温度可根据不同地点，不同情况自行调节，无需制冷剂，具有环保、节能、方便快捷的作用。这种半导体制冷技术具有以下特点。

（1）使用特殊的半导体器件形成PN结，以进行冷却（或加热），体积较小，重量较轻，且寿命长无噪音影响。

（2）没有分子的热运动，快速冷却，便于形成各种结构和形状的制冷器。

（3）空调的制冷量可以达到mw级。千瓦级转换，冷却温差达到20～150℃。

（4）因为没有蒸汽参数，所以不会造成环境污染，是一台真正的绿色节能的制冷器。新型环保制冷的关键部件是一种绿色环保产品，深度契合现阶段可持续发展的绿色环保理念。它不需要使用制冷压缩机与，氟利昂，该产品已通过测试，其优异指数长期以来一直达到5.6，远高于同行业产品的优值3。

半导体制冷具有很多优点并且被广泛使用，所以可以满足不同场合、不同人群的需求。因此，在现阶段，它在制冷领域发挥着越来越重要的作用，有着非常广阔的市场前景。

5 半导体制冷技术在现实中的应用

半导体制冷带动了制冷技术的进一步研发，并解决了许多关于制冷的难题，具有独特的应用优势。如今，制冷技术不仅用于家用电器行业的冰箱，中小型旅游家用冰箱，冷热立式饮水机，中央空调和其他电器产品中；它也可以用于超低温医疗设备（冰帽，冰垫，冰刀，白内障摘除器）。除了在治疗行业以及生活行业中使用半导体制冷技术外，它还可以用于农业[3]。

5.1 医疗领域

半导体制冷设备已广泛应用于生物医学和制药领域。医疗热电冷却装置中有多种形式的制冷设备，例如固定式冰箱，移动式冷冻机，血细胞分析仪，甘精胰岛素冷藏设备和用于存储生物组织的实验仪器。在生物医学和制药领域中，半导体制冷设备的制冷速度更快，效率更高，可以减少制冷时间，提高工作效率。且操作容易，方法简单，对人体没有不良反应，可以储存各种人体器官和生物组织，从而使生物细胞可以充分发挥必要的诊断和医疗研发的作用。半导体制冷在临床治疗中的应用更为常见。

5.2 生活领域

半导体制冷技术具有环保无气味，体积小，寿命长，冷热转化速率快，易于操作等优势，如今半导体制冷技术已被用于中小型冷冻机的研发，例如便携式的车载空调，酒店使用的小型冰箱，半导体空调的特征在于它不需要制冷剂并且噪音低，通过改变直流电流的方向，可以实现从冷却到加热运行。因此，它适用于独特环境中的空调，例如不允许制冷剂泄漏的潜水艇，电子通信车辆等。半导体制冷的恒温器具有体积小，温度控制精度高的特点，可用于要求较为精密的仪表测试设备。例如，以半导体零点仪器与半导体恒温水浴为实验标准，精确测量半导体材料的热电堆，温度线性度可达到0.01K。

具有半导体制冷的立式饮水机的特点是不需要制冷剂，制冷单元结构紧凑，适用于不允许制冷剂泄漏的应用，并且所需的制冷器重量更轻，尺寸更小，例如在空客飞机上使用的半导体制冷立式饮水机。

5.3 . 农业领域

近年来，随着我国农牧业布局的逐步调整和农业经济的高速发展，人们对于生态旅游的需求也越来越强烈。观光旅游农业的快速发展凸显出生态旅游农业的新奇独特的发展思路。无土栽培技术可以基于旅游景点设计方案和季节的变化调整作物种植措施，以达到意想不到的目标。深液水培技术由于管理方法便捷，适应性强，养分利用率高，环境污染小等特点，在我国已获得快速发展。针对深液养殖中液温控制的相对过时的技术，选择了节能环保，调节灵活，方便快捷的半导体制冷技术来控制液温。通过对半导体制冷技术工作原理的分析，建立了用于控制作物（深液水培）培养液的半导体材料温度控制设备的恒定分析模型，结合设施园艺的具体情况，整合生产高性价比目标，在当前农作物生长模式下，针对不同生产规模，制定培养液温度自动控制系统的标准。

6 结语

现如今，随着科学技术的发展，半导体制冷技术已广泛应用于微生物学、国防、工业生产、商业服务、医疗、日常生活、通信等行业。它具有体积小，零污染，低噪音，可控的优点，逐步填补了传统制冷设备在制冷研发和应用中的不足，大大提高了各种设备和装置的运行特性和效率，促进了我国技术产业的快速发展，为社会经济的进一步发展奠定了坚实的应用基础。