半导体制冷技术以及发展前景

范玉斐　张鸣　郑学林

摘 要：半导体制冷又名热电制冷或温差电制冷，是一种新型的制冷技术，主要是珀尔帖效应在制冷技术的应用。与传统的制冷方式相比，半导体制冷没有制冷剂和一些复杂的机械设备，它具有无噪音，无振动，良好的环境友好型，应用广泛。由于单个制冷电偶的制冷效率和能力比较低，所以多级串联和并联的热电堆将具有很大的发展潜力。基于以上的方面，本文将从半导体制冷原理，多级半导体制冷技术以及半导体制冷与传统制冷技术的异同方面进行介绍，同时查阅了大量的国内外文献，对半导体制冷在工业技术，电子技术和自动控制技术方面的发展前景进行介绍。

关键词：半导体制冷；帕尔帖效应；制冷效率；热电堆

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上个世纪初，人们做了很多电磁的实验，发现了金属材料的热电效应，但是由于这些金属材料的热电性能比较差，所以效率是非常低的。直到本世纪50年代之后，半导体材料发展迅速，所以致使热电效率也大幅的增加，从而使热电制冷也开始发展。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换性质，将它的这一性质在热电制冷中得到了应用，所以把热电制冷叫做半导体制冷；同时又由于帕尔帖效应与温差发电对应，所以又叫做温差电制冷。这种比较新型的制冷技术与传统的制冷技术不同，没有制冷剂和一些制冷设备，从而在一些特殊的领域中将得到十分广阔的前景。

热电效应是由塞贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和富里叶五种不同的效应组成的，其中前三种效应电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应的热是不可逆效应。

1 半导体制冷技术

1.1 半导体制冷的原理

热电制冷装置是由热电制冷效率较好的，热电效应比较明显的半导体热电偶构成的。如图1-1所示，把一只N型半导体元件和一个P型半导体元件组合成的热电偶，通电之后，就会在接头处产生热量的转移和温度差。对于N型半导体，其导电机构是自由电子，与金属的价电子相类似；对于P型半导体，其导电机构是空穴，与自由电子的区别是电荷数相等而符号相反。所以，上面的接头处是冷端，吸热且温度下降，电流的方向是N到P；下面的接头处是热端，放热且温度上升，电流的方向是P到N。其次借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去不断的吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。

Z代表了热点材料的一种特性。同时可以决定制冷元件所能达到的最大温差。由上式可以得到，为了提高优值系数Z，就要提高温差电动势α，降低电阻率R和导热系数K。上式公式也说明热电材料性能的提高还要有待于半导体材料的发展，因为金属的热电势很低，而半导体靠空穴和电子可以呈现出非常大的温差电动势。

其次电偶在热端放出的热量：QH=Q0+Q1，其中Q1为一对电偶的消耗功率，故放热系数ε1 = QH/Q1 = 1+ε。可以看出利用热电原理做热泵是很有利的。

1.2 多级半导体制冷

一个P型和N型半导体制冷元件与连接片串联起来，组成的制冷单元称为单级热电堆。但是由于单个制冷电偶的制冷效率比较低，如果把电偶进行串联或并联起来组成多级热电堆，这样就会增大制冷温差，所以制冷效率将会大大提高。

如下图所示，图1-2是常见的二级堆串联电路，图1-3是常见的二级堆并联电路，图1-4是常见的串并联混合电路。

串联型多级热电堆的特点是各级的电流都相同。级与级之间需要一层电绝缘导热层，（一般用阳级氧化铝、氧化铍等[1]），同时为了使每一级都处于最佳工作电流，上一级元件的长度比下一级元件的长度要略长一点，来防止上一级元件电导率增加引起的电流的偏离。对于串联型多级热电堆在同一温差和承受同一负载时要比并联型消耗较大的功率。

并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝缘导热层，因此级间无有害温差。同时各级的电偶数与级数应对应相等，每一级的两边的两个元件的截面积应比中间的大一些。其次把并联型多级堆各级的中间部位断开，在级与级之间加上绝缘层之后，用导线连接起来可以成为串联多级电堆。

串并联多级热电堆的特点结合串联型多级热电堆的特点和并联型多级热电堆的特点。

如前所述，热端的散热量比冷端产冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，为了得到较大温差，第一级元件对数比第二级元件对数大许多倍。由于这个因素以及温度越低热电性能越差，所以级数不宜过多，一般2到3级为宜。

1.3 半导体制冷技术与机械压缩制冷技术的异同

半导体制冷与机械压缩制冷相比，在正常工作通入电流时，自由电子和空穴在电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动，这一过程相当于制冷机中的压缩过程，其中热电堆起压缩机的作用。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生空穴—电子对，这一过程相当于在蒸发器中的吸热和蒸发过程，其中冷端及其热交换器起着蒸发器的作用。在热电堆的热端，发生空穴—电子对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结，其中热端及其热交换器起着冷凝器的作用。

半导体制冷与机械压缩制冷的区别在于：不使用制冷剂，有很好的环境友好型，消除了制冷剂泄漏对环境的危害，所以对一些特定的场合比较适用；没有制冷装置的运动部件，所以无噪音，无振动，工作可靠，维护比较方便；半导体制冷的尺寸比较小型化，在一些场合可以提现出它的优势；半导体制冷可以通过调节工作电压来改变它的制冷量；半导体制冷一般使用直流电工作，所以对工作电压的脉动范围有一定的要求。

基于以上半导体制冷所表现出来的特点，在一些特殊的，不能使用制冷剂的情况中，以及一些小容量等一些制冷条件中，半导体制冷表现出了它的优越性，同时也成为了现代制冷技术中的一个重要的组成部分。