1、第4期(總第179期2013年8月機械工程與自動化M E C HA N I C A L E N G I N E E R I N G &A U T OMA T I O N N o .4A u g.文章編號:1672-6413(201304-0219-03櫜半導體制冷技術及應用盧菡涵1,劉志奇1,徐昌貴2,侯云輝1,劉振俊1(1.太原科技大學機械工程學院,山西太原030024;2.北京工商大學機械工程學院,北京100048摘要:半導體制冷是一種新型的無污染的制冷方式,近年來越來越多的學者來研究半導體制冷的性能,以提高其制冷效率。總結了提高半導體制冷性能的方法以及半導體制冷技術的主要應用。從

2、材料、影響因素、工況優化、提高散熱效率以及主要應用5個方面來對這些研究進行梳理,為以后的研究提供參考。關鍵詞:半導體制冷;制冷效率;制冷工況;散熱;應用中圖分類號:T N 305.94文獻標識碼:櫜A北京市教育委員會科技計劃項目(KM 201010011007;山西省高等學校大學生創新創業訓練項目(2012251收稿日期:2013-01-21;修回日期:2013-02-18作者簡介:盧菡涵(1987-,女,河南平頂山人,在讀碩士研究生,主要研究方向:機電液一體化技術。0引言早在1834年,法國物理學家帕爾帖就發現了帕爾帖效應1:當直流電通過兩種不同導電材料構成的回路時,節點上將產生吸熱或放熱的

3、現象。帕爾帖效應發現之后并沒有被人們很好地利用,直到20世紀50年代后,約飛等人發現了B i 2T e 3、P b T e 、S I G e 等溫差電性能較好的材料2,20世紀70年代A g 0.58C u 0.29T i 0.94Te 四元合金等優值系數較高的材料3被合成出來,使得熱電效應的效率得到提高,半導體制冷的應用越來越廣泛。1半導體制冷技術的研究半導體制冷器具有體積小、沒有振動和噪聲、不污染環境、作用速度快、精度高、易于控制等優點4,5,但也存在著制冷效率低等缺點,因此眾多學者就致力于提高半導體制冷效率的研究。有人通過對半導體材料的研究,提高半導體制冷片本身的優值系數Z 6(Z =a

4、 2/,a 為溫差電動勢率或s e e b e c k 系數,為材料的電導率,為材料的熱導率,從而達到提高制冷效率的目的。同時還有很多人通過分析影響半導體制冷的性能參數,優化各制冷工況,提高熱端散熱效率等控制手段來提高制冷效率,使其工作在最佳制冷狀態。1.1半導體制冷影響因素的分析通過對半導體制冷性能的研究分析可知影響半導體制冷的各因素,優化對這些因素的控制方式,就可以提高半導體制冷的性能。學者們通過實驗、數值分析、仿真等手段得出了影響半導體制冷性能的主要因素。潘玉灼指出半導體內部的傳熱系數對效率的影響很大,當傳熱系數很小時,制冷效率很大7。李茂德等指出冷端負荷、半導體厚度、輸入電壓等因素對制

5、冷效率的不同影響8:在有冷端負荷時進入穩態的時間比空載時要短;半導體厚度越大,穩定所需時間越長;電壓增加越大,初始時溫度變化越快。毛佳妮等采用數值分析與解析求解相結合的方法,綜合討論了穩態條件下冷端傳冷與熱端散熱對制冷性能的影響9:當系統運行在較低工作電流區域時,增強冷端傳冷強度對提高系統制冷性能的經濟性較高;當系統穩定運行在最佳工況區域附近時,從增強熱端散熱強度出發,對進一步提高系統制冷性能的優勢更突出。1.2制冷工況的研究利用熱電制冷器的冷端對環境介質進行冷卻的工況稱為熱電制冷工況,常見的有最大效率工況、最大溫差工況、最大制冷量工況和最大制冷系數工況,許多學者對制冷工況的設計和優化做了研究

6、。高遠、蔣玉思對最大效率和最大溫差工況進行了比較研究10:在相同的負載、溫差、散熱條件下,按最大效率工作狀態設計時,效率高、耗電少,熱節點放出的熱量少,但需要的制冷元件多;按最大溫差工作狀態設計時,效率低、耗電多,熱節點放出的熱量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、盧希紅對半導體制冷的最大制冷量和最大制冷系數工況進行了分析11:在相同的設計條件下,最大制冷量工況,制冷系數較低、耗電較多、熱端散熱較多,但所用元件較少、體積較小、制造成本較低,能夠適應許多特殊場合的要求,對便攜式野外冷熱箱等連續性工作的制冷器,通常采用這種設計方法,而最大制冷系數工況則相反。但是不管采用哪種設計方法,都必須保

7、證熱端有較好的散熱效果。若散熱效果不好,勢必會引起熱端溫度T h升高,進而影響溫差T,使T逐漸增加,此時,制冷系數和制冷量都會下降。1.3散熱的研究半導體制冷過程中熱端散熱的效果將直接影響半導體的制冷性能,如果熱端溫度不能及時降下來,則勢必會將熱量傳給冷端,進而使冷端的制冷效果降低。因此,熱端散熱很關鍵,減少冷、熱端溫差是提高半導體制冷性能的有效方法。半導體制冷的散熱方式主要有空氣自然對流散熱、空氣強制對流散熱、水冷散熱以及熱管傳熱等。空氣自然對流散熱是指散熱器利用空氣的自然對流把熱量散到環境中去。空氣強制對流散熱,是指在自然對流散熱的基礎上,在散熱片的端部安裝軸流風機,其對流換熱系數遠高于自

8、然對流換熱。水冷散熱是在半導體制冷器的熱端連接一個冷卻水箱,通過冷卻水管中的水把熱端的熱量不斷帶走,其換熱是空氣自然對流散熱的100倍12。熱管散熱器一般由熱管和散熱片兩部分構成,它是一種高效率的散熱裝置,依靠相變過程換熱,因此熱管的傳熱效率很高。張建成分析比較了翅片式和熱管式散熱器的傳熱性能,得出采用熱管式散熱器的優點13:只要有擴展空間,冷側的換熱面積就可以成倍地增加,傳熱量也大增;在相同的氣流對流速度下,其有效面積是翅片式的近4倍;熱管式散熱器與制冷元件相接觸的熱端面溫度比翅片式散熱器的相應溫度低得多。因此采用熱管式散熱器制作的半導體制冷組件具有降溫速度快、制冷系數大、耗電量小的特點。張

9、小松、張奕等研究了冷端和熱端傳熱對冷藏箱性能的影響。通過試驗及計算,分析了冷藏箱性能與冷端風扇電壓及熱端冷卻水溫度的關系14(見圖1、圖2。冷端傳熱強化后,制冷溫度及熱端、冷端溫度差降低,制冷性能上升。熱端冷卻水溫度降低,制冷溫度降低,半導體的熱端、冷端溫度差減小,運行性能提高。代偉通過對半導體制冷電偶對進行傳熱分析,得到了制冷性能與熱端散熱強度之間的微分方程,得出了散熱強度對制冷性能影響的曲線(見圖3、圖4。由此得出15:隨著散熱強度的不斷增強,熱電制冷性能逐漸提高,然后就趨于緩慢。從經濟性考慮,半導體制冷存在最佳熱端散熱強度,所以在實際應用中應合理優化設計和改進熱端散熱系統。圖1制冷溫度、

10、冷端溫度、熱端溫度與冷端風扇電壓的關系圖2制冷溫度、冷端溫度、熱端溫度與熱端冷卻水溫度的關系圖3制冷量QC隨散熱強度的變化曲線圖4散熱量Qh和輸入功率P隨散熱強度的變化曲線2半導體制冷的應用從出現半導體制冷技術至今,半導體制冷材料有了一次又一次的突破,半導體制冷效率也有了一次又·22·機械工程與自動化2013年第4期一次的提高,雖然仍然存在著一些問題,但利用其優點,可以為我們的日常生活、科研軍事等帶來很大的方便,使得半導體制冷技術在當今世界具有越來越重要的地位。例如:在高科技和軍事領域對紅外探測器、激光器和光電倍增管等光電器件的制冷,利用半導體制冷器體積小的特點,使用方便;

11、在醫療領域中,半導體溫控系統的應用更為廣泛,用于蛋白質功能研究、基因擴增的高檔P C R 儀、電泳儀及半導體制冷探針等,利用半導體制冷速度快、無污染等特點,還可以制成低溫的恒溫箱,用來保存血漿等;在現代測溫技術中,熱電恒溫器、零點儀的開發使用,使半導體制冷在測溫技術上的使用成為可能,并得到了廣泛應用;在日常生活方面,半導體制冷在空調、冷熱兩用箱、飲水機、電腦以及其他電器等設備中都有廣泛的應用,為我們的日常生活帶來極大的方便。3結論與展望隨著半導體制冷器由軍用向民用的擴大,加之節能和限制采用氟里昂制冷劑的呼聲提高,對半導體制冷器的需求也會越來越大,提高半導體制冷的效率也會被更多的人關注,提高半導

12、體制冷性能的方法也會越來越多,其制冷效率也會越高,這必將為半導體制冷技術的應用提供了廣闊的前景。我們今后的研究工作可以從以下幾方面來著手:新材料的發明和發現,仍然是影響半導體制冷至關重要的技術因素,熱電材料的制取、焊接工藝還要努力提高16;提高半導體溫度控制精度,如何確定一定條件下熱電堆的最佳工作參數是影響半導體制冷的又一重要因素,該問題在后續工作中有待于進一步研究;為了提高能源利用率,在對半導體制冷器的產冷量進行利用的同時,如何對其熱端所散的熱量也加以利用,可以作為今后研究的一個方向。參考文獻:1徐德勝.半導體制冷與應用技術M .上海:上海交通大學出版社,1999.2高敏,張景韶,D M R

13、 o w e .溫差電轉換及其應用M .北京:兵器工業出版社,1996.3J i m W M.B I -S b a l l o y s f o r m a gn e t o -t h e r m o e l e c t r i c a n d t h e r m o m a g n e t i c c o o l i n g J .S o l i d S t a t e E l e c t r o n i c s ,1972,18(15:23.4謝玲,湯廣發.半導體制冷技術的發展與應用J .潔凈與空調技術,2008(1:68-71.5S e m e n i o u k V A.T h e r

14、m o e l e c t r i c c o o l e r s w i t h sm a l l r e s p o n s e t i m e C /18t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e .s .l .:s .n .,1999:301-306.6劉華軍,李來風.半導體熱電制冷材料的研究進展J .低溫工程,2004(1:32-38.7潘玉灼.半導體制冷系統性能分析J .泉州師范學院學報,2005,23(6:48-51.8李茂德,殷亮,樂偉,等.半導體制冷系統電極非穩態溫度場的數值分析J .同濟大學學報,2004,32(6:7

15、67-770.9毛佳妮,申麗梅,李愛博,等.半導體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優化設計分析J .流體機械,2010,38(7:68-72.10高遠,蔣玉思.單級半導體制冷器設計中常用公式的推導J .廣東有色金屬學報,2003,13(2:130-135.11盧希紅,熊麗紅,李茂德,等.半導體制冷技術的研究與發展J .能源研究與信息,1998,14(4:41-47.12胡韓瑩,朱東生.熱電制冷技術的研究進展與評述J .制冷學報,2008,29(5:1-7.13張建成.半導體制冷的熱管式散熱器傳熱研究J .東南大學學報,2000,30(5:38-41.14張奕,張小松,胡洪,等.冷/熱端散熱

16、對半導體冷藏箱性能的影響J .江蘇大學學報,2008,29(1:43-46.15代偉.半導體制冷散熱強度對制冷性能的影響J .制冷與空調,2008,22(3:25-27.16何燕,聶宏飛,張洪興.半導體制冷研究概述J .科技創新導報,2009(24:53-54.S e m i c o n d u c t o r R e f r i g e r a t i o n T e c h n o l o g y a n d I t s A p p l i c a t i o n s L U H a n -h a n 1,L I U Z h i -q i 1,X U C h a n g-g u i 2,H

17、 O U Y u n -h u i 1,L I U Z h e n -j u n 1(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,T a i y u a n 030024,C h i n a ;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g T e c h n

18、o l o g y a n d B u s i n e s s U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100048,C h i n a A b s t r a c t :S e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o n i s a n e w n o n -p o l l u t i n g w a y o f c o o l i n g .I n r e c e n t y e a r s ,a g r o w i n g n u m b e r o f s c h o l a r s b e g i n

19、t o s t u d y t h e r e f r i g e r a t i o n p e r f o r m a n c e o f s e m i c o n d u c t o r ,a i m i n g a t i m p r o v i n g t h e c o o l i n g e f f i c i e n c y .I n t h i s p a p e r ,t h e w a y s t o i m p r o v e t h e c o o l i n g p e r f o r m a n c e o f s e m i c o n d u c t o r a n d t h e m a i n a p p l i c a t i o n o f s e m i c o n d u c t o r c o o l i n g t e c h n o l o g y w e r e s u m m e d u p .T h e n e w c o o l i