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半导体制冷与应用技术论文
半导体制冷与应用技术论文 半导体制冷技术论文篇一：《浅谈半导体制冷技术的研究现状及前景》 摘要：目前节能和环保已经成为衡量一种新技术的基本标准，半导体 制冷技术被誉为是21世纪的绿色“冷源”，它的发展具有广阔的空间和重大的意义。本文介绍了半导体制冷技术在国内外的研究现状、工作原理以及影响其制冷效率 的因素;提出了提高其制冷效率的有效途径;总结了半导体制冷技术的应用与前景。
关键词：半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景 引 言 随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗， 实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷 起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。
但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅 猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显 现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。
1、半导体制冷国内外研究现状 从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随 着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导 体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开 启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001 年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜 向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材 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， 不同电阻率和 导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数 的半导体制冷器。
2、半导体制冷的工作原理 半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。
如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P， 温度降低形成冷端，从外界吸热;电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向 外界放热。
3、半导体制冷效率的影响因素 半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还 要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立 的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点， 其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：
(1) 半导体材料优值系数Z 半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换 效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的 是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数 必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制 冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。
(2) 半导体制冷装置热端散热效果的影响。
热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半 导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而 热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2， 系统工作消耗的电功为W0。
显然，Q2=Q1+W0 4、提高半导体制冷效率的途径 制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广 和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手， 找出有效的解决方法。
(1)寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿 的研究、带量子空穴的超晶格研究。(2)优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好 的状态。
5、半导体制冷应用与前景 随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半 导体制冷有独特的作用。
采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有 效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵 敏度和准确度。
半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子 器件和设备。
为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料， 但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运 行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因 此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。
千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但 百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调 控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便;而十瓦级的微型空 调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方 面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领 域成为可能。
在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求， 设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未 来会发展得越来越好，越来越广。■
