半導體製冷技術

半導體製冷又稱電子製冷，或者溫差電製冷，是從50年代發展起來的一門介於製冷技術和半導體技術邊緣的學科，它利用特種半導體材料構成的P-N結，形成熱電偶對，產生珀爾帖效應，即通過直流電製冷的一種新型製冷方法，與壓縮式製冷和吸收式製冷並稱為世界三大製冷方式。

基本介紹

• 中文名：半導體製冷
• 外文名：Semiconductor Refrigeration

歷史

1834年，法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電後，他驚奇的發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷；這個現象後來就被稱為"帕爾帖效應"。"帕爾帖效應"的物理原理為：電荷載體在導體中運動形成電流，由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，就會釋放出多餘的熱量。反之，就需要從外界吸收熱量（即表現為製冷）。

實物圖

所以，"半導體製冷"的效果就主要取決於電荷載體運動的兩種材料的能級差，即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好，但製冷效率極低（不到1%）。半導體材料具有極高的熱電勢，可以成功的用來做小型的熱電製冷器。但當時由於使用的金屬材料的熱電性能較差，能量轉換的效率很低，熱電效應沒有得到實質套用。直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於1945年前發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果。這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐套用後，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優值係數，達到相當水平，才得到大規模的套用。80年代以後，半導體的熱電製冷的性能得到大幅度的提高，進一步開發熱電製冷的套用領域。

技術原理

半導體製冷片製冷原理半導體製冷片（TE）也叫熱電製冷片，是一種熱泵，它的優點是沒有滑動部件，套用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無製冷劑污染的場合。

原理圖

半導體製冷片的工作運轉是用直流電流，它既可製冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一製冷片上實現製冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，上圖就是一個單片的製冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯形式連線組成. 半導體製冷片的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定。製冷片內部是由上百對電偶聯成的熱電堆（如右圖），以達到增強制冷（制熱）的效果。以下三點是熱電製冷的溫差電效應。

1、塞貝克效應（SEEBECK EFFECT）

一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連線時，如兩個連線點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢： ES=S.△T

式中：ES為溫差電動勢

S（?）為溫差電動勢率（塞貝克係數）

△T為接點之間的溫差

2、珀爾帖效應（PELTIER EFFECT）

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 為放熱或吸熱功率

π為比例係數，稱為珀爾帖係數

I為工作電流

a為溫差電動勢率

Tc為冷接點溫度

3、湯姆遜效應（THOMSON EFFECT）

當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜係數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。

技術套用

半導體製冷片作為特種冷源，在技術套用上具有以下的優點和特點：

套用有氣對氣，氣對板，氣對液體冷卻系統

1、不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生迴轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2、半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大於1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。

3、半導體製冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便於組成自動控制系統。

4、半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，製冷片就能達到最大溫差。

5、半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。

6、半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、並聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的範圍。

7、半導體製冷片的溫差範圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

通過以上分析，半導體溫差電片件套用範圍有：製冷、加熱、發電，製冷和加熱套用比較普遍，有以下幾個方面：

1、軍事方面：飛彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導航系統。

2、醫療方面；冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。

3、實驗室裝置方面：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。

4、專用裝置方面：石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恆溫顯影槽、電腦等。

5、日常生活方面：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。