基本介紹
- 中文名：半導體製冷
- 外文名：semiconductor refrigeration
- 材料：三大支柱產業之一
- 分為：四類
- 又稱：半導體製冷器
技術簡介,器件分類,工作原理,實際套用,技術領域,農業領域,醫療領域,雷射領域,裝置方面,日常套用,特點優勢,存在問題,
技術簡介
材料是當今世界的三大支柱產業之一，材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，尤其是近幾十年來隨著人類科學技術的進步，材料的發展更是日新月異，新材料層出不窮，其中半導體製冷材料就是其中的一個新興的熱門材料，其實半導體製冷技術早在二十世紀三十年代就已經出現了，但其性能一直不盡如人意，
器件分類
半導體製冷器件大致可以分為四類
（1）用於冷卻某一對象或者對某個特定對象進行散熱，這種情況大量出現在電子工業領域中；
（2）用於恆溫，小到對個別電子器件維持恆溫 ，大到如製造恆溫槽，空調器等;
（3）製造成套儀器設備，如環境實驗箱，小型冰櫃，各種熱物性測試儀器等;
（4）民用產品，冷藏烘烤兩用箱，冷暖風機等。
工作原理
熱電製冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有製冷功能，由於半導體材料具有最佳的熱電能量轉換性能特性，所以人們把熱電製冷稱為半導體製冷。半導體製冷是建立於塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的製冷新技術。其中，塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應是熱的不可逆效應。
(1)塞貝克效應，1821年，塞貝克發現在用兩種不同導體組成閉合迴路中，當兩個連線點溫度不同時，導體迴路就會產生電動勢(電流)。
(2)珀爾帖效應，珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。由兩種不同材料構成迴路時，迴路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。
(3)湯姆遜效應，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環境之間將進行能量交換。
(4)焦耳效應，單位時間內由穩定電流產生的熱量等於導體電阻和電流平方的乘積。
(5)傅立葉效應，單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。
實際套用
技術領域
對紅外探測器，雷射器和光電倍增管等光電器件的製冷。比如，德國Micropelt公司的半導體製冷器占用面積非常小，只有1mm2，可以和雷射器一起使用TO封裝。
農業領域
溫室裡面過高或過低的溫度，都將導致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統套用於現代農業。
醫療領域
半導體溫控系統在醫學上的套用更為廣泛。如：用於蛋白質功能研究、基因擴增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智慧型精確溫控的恆溫儀培養箱等；用於開發具有特殊溫度平台的掃描探針顯微鏡等。
雷射領域
雷射技術用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產生局部熱，通過半導體製冷器，採用水冷或微型製冷器冷卻。
裝置方面
如實驗用的顯微鏡攝像頭，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恆溫、高低溫實驗儀片
日常套用
空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的套用，這裡就不一一提了
特點優勢
半導體製冷器的尺寸小，可以製成體積不到1cm3的製冷器；重量輕，微型製冷器能夠做到只有幾十克甚至數克；無機械傳動部分，工作中無噪音，無液態、氣態工作介質，因而不污染環境，製冷參數不受空間方向以及重力影響，在大的機械過載條件下，能夠正常地工作；通過調節工作電流的大小，可方便調節製冷速率；通過切換電流方向，可使製冷器從製冷狀態轉變為制熱工作狀態；作用速度快，使用壽命長，且易於控制。
存在問題
雖然半導體製冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當前研究仍然呈現出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國內外的學者從不同角度去提高半導體的製冷效率，展現出各自的優勢和實用性。但是半導體製冷的研究當前還存在以下問題。
(1)半導體製冷要想達到機械壓縮製冷相當的製冷效率，材料的優值係數就必須提高。然而，直到現在，科學家對半導體製冷材料的研究並未有很大突破。半導體製冷溫差較小和製冷係數不高是半導體製冷的最大缺點，而材料的優值係數不高導致這些缺點從而是阻礙半導體製冷發展的最主要因素，因此半導體材料的性能即優值係數z還有待於進一步的提高。
(2)有關冷、熱端散熱系統的最佳化設計的研究較少。這使得半導體製冷的設計多半處於理論計算階段，半導體製冷的實際運行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進行半導體製冷器模組設計和系統性能最佳化的研究。
(3)相關領域的技術與手段的引用較少，材料的優值係數的停滯影響了整個半導體製冷行業的發展，所以運用包括新理論和新技術來研究和完善就變得非常重要。半導體製冷也是一個交叉學科，需要不同方面的知識相互配合，共同進步。
(4)隨著科學技術的飛速發展，產品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越複雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導體多級製冷的最佳化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導體熱電能量轉換問題就成為今後不斷努力研究的內容。
