半导体制冷技术及其应用.pdf

第 3 期 总第 172 期 2012 年 6 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N IC A L E N G IN E E R IN G A U T 0 M A T 10 N 文章 编号 1672 6413 2012 03 209 03 半导体制冷技术及其应用米 徐 昌贵 贾艳 婷 闰献 国 田志峰 1 北京工商大学 机械工程学院 北京 100037 2 太原科 技大学 机械工 程学院 山西 太原030024 3 中国电子科技 集 团 第二研 究所 山西 太原030024 摘要 通过研 究国内外 的相关文献 从理论 材料 结构设 计 传 热方式 4 个方面对影响半导体制冷效率 的 因素进行 了综述 从 中总结 了半 导体制冷研 究的热点和成就 归纳 出当前半导体制冷研究存在的问题 为今 后深入研 究半导体制冷 提供 了可借鉴 的研 究方 向和方法 关键词 半 导体制冷 工作原理 应用 中图分类号 T N 3 T B66 文献标识码 A 0 引言 半导体制冷作为一种新兴发展起来 的制冷技术 是一种具有 良好前景的制冷方式 由于半导体制冷具 有清洁 无噪声污染和无有害物质排放 寿命长 坚固 可靠性高 稳定性好等一 系列优 点 符合绿 色环保 要 求 因此 对 国民经济 的 可持续 发展具 有重 要 的战略 意 义 半导体制冷与其他 的制冷方式相 比具有 以下 优 点 没有机械制冷的运动部件 不使用制冷剂 冷 热端转换方便 只要 电流方向转变即可 其制冷 器件可以做成各种形状 半导体制冷片的单个制冷 元件对的功率很小 但可以通过串 并联的方法将其组 合成制冷系统 这样功率就可以做的很大 因此制冷功 率范围区间比较大 能量调节性能好 通过调节工作 电压 或 电流 即可 半 导体 制冷 片热惯 性非 常小 制冷 制热时间短 1 总之 由于半导体制冷结构紧凑 制冷 迅速 操作简单 容易实现高精度的温度控制等优点 其应用范围渗透到各个行业 但 由于其效率 比较低 再加上加工制造工艺比较复杂 在很大程度上限制了 半导体制冷的推广和应用 1 半导体 制冷 的工 作原理 半导体制冷是利用半导体材料组成 P N 结 通 过两 端施加 的直 流 电进 行 制 冷 将 电能直 接 转 化 为 热 能的技术 2 半导体制冷工作原理如图 1 所示 把一 只 P 型半导体元件和一只 N 型半导体元件连接成 热 电偶 接上直流电源后 在接头处就会产生温差和热量 转移 在上端 处 电流方 向是 N P 温度下 降并吸 热 这就是冷端 而在下端处 电流方 向是 P N 温度 上 升并 放热 这 就是 热端 图 1 半 导 体 制 冷 工 作 原 理 2 半导体 制冷 技术 研究 现状 半导体制冷一直是半导体工业和材料工业领域 的 主要研究对象 由于其材料 工艺和其他条件 的限制 致使半导体制冷设备的整体技术性能还不能与机械式 制冷相抗衡 研究者们 已经做了许多工作 并且取得 了很 大 的成果 2 1 理 论 方 面 吴兆琳 3 经实测给 出了半导体制冷的最佳设计 杨玉顺分析了热 电循环 中获得最大制冷量 最大制冷 温差和最大制冷系数 的条件 并给出了两种不同设计 方法的最佳 特性参数选择 的原则 K eni c hi 4 对稳态 的数值模拟方法作了阐述 J G Stoc kholm 5 等通过 建立数学模型 从热力学和传热学角度对半导体制冷 过程作了深入的理论讨论 在实验 中 总结出散热量 弗 北京 市教育委员会科技发展计划资助项 目 K M 201010011007 收稿 El期 2012 0 1 12 修 回 日期 20 12 04一 lO 作者简介 t 徐 昌贵 1966一 男 江西永修人 副教授 硕士 主要研究方向 机械工程 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 1O 机 械 工 程 与 自 动 化 2012 年 第 3 期 等于其制冷量与输入功率之和 散热 问题对制冷效率 的提高起到了至关重要的作用 热端温度越高 冷热端 温差越大 其制冷 量越小 效率越低 从 文献 研究来 看 半导体制冷技术的理论研究基本成熟 2 2 半导体 材料 目前世界上大多数的半导体材料的无量纲值在 1 左右 还远小于由固体理论模型和较 为实际的数据计 算所 得 的上 限 4 故对 材料 领 域 的 研究 仍 有 很 长 的路 要走 这是半导体制冷技术能否取得突破的关键所在 M i n G D M R ow e 和 K ontostavlaki s K等 还 探 讨 了在大温差下材料优值系数 的变化问题 宜 向春 蔡 德坡和吴雄等在考察半导体制冷材料发展的基础上 详细分析了影响半导体材料优值系数的几个因素 M ole 等 认为 减少声子传导率 即可大大提高半导 体制冷堆的优值系数 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 2 3 结 构 设 计 通过优化设计半导体制冷模块 减小半导体制冷 模块的理想性能系数和实际性能系数问的差值 提高 半 导体 制 冷 器 的 实 际 制 冷 性 能 M Y am anashi 提 出 了半 导体制 冷 系统 优化 设 计 的新 方 法 T aylorE 建 立了半导体制冷设备非稳态温度场的简单模型 王宏 杰和陈金灿对耦合半导体制冷系统性能特性进行了优 化分析 导出了多级制冷最大制冷系数和制冷率 的公 式 最大工作电流的范围和两级半导体元件的最佳 比 的取值范围 文献 11 指出加工工艺对半导体制冷的 影响因素有 附加传热温差 焊缝 电阻 散热交换 和原 件性 能 2 4 传 热 方 式 由于半导体制冷的散热量等于其制冷量和输入功 率之和 因此半导体制冷 热端散热效果是影响半导体 制冷性能的重要因素 国内外学者在文献 12 13 中 指出 强化散热的方式有空气 自然对流散热 强迫对流 散 热 水 冷散热 相 变沸 腾 换 热 等方 式 均 可 以收 到 良 好的效果 由于散热方式的选择在半导体制冷设计 中 很 重要 因此 选择 何种 方 式 应综 合 考 虑 半 导体 制 冷 器 的用 途及散 热效 率 李 茂德 讨论 了散热 强度对 制冷 器 的影响分析 1 殷亮对半导体制冷器进行 了瞬态 的数 值计算以及冷端 温度 的分析n 并有学者指出适 当 提高散热强度可以改善半导体制冷的制冷性能 但是 不能无限制地提高其制冷性能 通过对半导体制冷的影响 因素分析 总结出的研 究方法有 理论研究 计算分析 实验 对比分析 通过 对半导体以及半导体制冷的原理研究 可以提供理论 基础 从 中得到的计算公式可以得出理论最优值 为以 后的工作奠定基础和方向 通过对具体的工况进行实 验 可 以找到 其 中的 内在 联系 和相互影 响 并 且 纠正之 前的理论 最终进行系统 的综合分析和研究 得到相 应 的结论 指导生 产实 际和下 一步研 究 3 半导体 制冷 的热点 难点及 存在 的主 要问题 3 1 半 导体制 冷 的热点和难 点 通过上文的分析可以看 出 近年来 有关半导体制 冷 的研究 得到 了国 内外学 者 的广泛关 注 其 相关 的研 究对象包罗万象 几乎涉及到所有领域 如军事 航空 航 天 工业 农业 医疗 卫 生 生 化 和 El常 生 活用 品等 目前的研究水平还局限于半导体制冷的材料 最大制 冷量和最大制冷效率 距离实现半导体制冷的广泛应 用还有较大差距 由于半导体制冷的材料和热端散热 效果一直是半导体制冷的热点和难点 目前 国内外学 者对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开 发 模块设计制造和系统优化设计等方面 与此同时 半导体制冷的性能特性优化和系统的散热条件也是半 导体制冷研究的热点 通过研究半导体制冷优值系数 Z 半导 体制冷 器 的制 造工 艺 过程 设 计 外部 换热 方 式 以及优化内部热电偶结构 可为半导体制冷成熟理论 的提出和推广应用提供一定的理论基础 目前半导体 制冷新理论和半导体制冷新技术仍是各国关注的热点 研究课题 不断开发研究新型半导体材料 以及努力 提 高现有半导体材料的性能是 目前和今后半导体材料研 究 的主要 目标 关注热点的同时 也面临诸多难点 首先 半导体 制冷材料性能的优劣取决 于其半导体制冷优值系数 z 其次 半导体制冷是一个参数多 工况变化复杂 的 过程 几何结构参数 散热传热条 件等对其影响都很 大 采用 常规的针 对性实 验方法 难 以满足 多种需 要 并 且在 进行 优化设计 的参数 选择 时需 要实验 对 比不 同工 况从而选择最优方案 所以如何选择和设计研究过程 和方案就显得十分重要 再次 根据传热学原理 热力 学定律以及帕尔帖效应可知 半导体制冷过程中冷 热 端的温度差对半导体制冷的热量和冷量的传递有极大 的影响 两端换热性能差 就会大幅度地减小同等功率 下的制冷能力 若热端散热效果差 往往达不到设计要 求 因而冷 热端散热也是半导体制冷的又一个困难 总而 言之 半 导 体制 冷 的难 点 在 于 高 优 值 系 数 的材 料 复杂的多参数以及冷热端散热的设计 3 2 半导 体制冷 当前存 在 的主要 问题 国内外学者从不同角度去提高半导体的制冷效率 可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣 向荣的 景象 但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题 1 半导体制冷要想达到与机械压缩制冷相当的 制冷效率 材料的优值系数就必须提高 材料 的优值 系数不高是阻碍半导体制冷发展的最主要因素 2 有关冷 热端散热系统优化设计 的研究较少 这使得半导体制冷的设计多半处于理论计算 阶段 半 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2012 年 第 3 期 徐 昌贵 等 半导体制冷技 术及其 应用 2 11 导体制冷的实际运行效果不能得到很好 的保证 所 以 要对半导体散热设计和系统性能优化进行不断研究 3 相关领域和不同领域的技术与手段 的引用较 少 材料的优值 系数的停滞影响了整个半导体制冷行 业的发展 所 以运用新理论和新技术来研究 和完善就 变 得非 常重要 4 随着科学技术 的飞速发展 产 品器件的尺寸 也越来越复杂 需要考虑多种因素 如何解决大功率 半导体多级制冷的优化 问题 小尺寸器件的局部散热 问题和多因素的半导体热电能量转换 问题就成为今后 不断努力研究的内容 4 结束 语 随着科技的发展 半导体制冷技术已经在诸多领域 得到应用 在这浩瀚的研究成果 中 着重通过对半导体 制冷材料优值系数的提高和半导体制冷的优化两方面 综述国内外相关文献所取得的成就 得出的结论如下 1 半导体制冷技术 的理论研究基本成熟 优值 系 数 Z 低 表 明其 在 理 论 上 有 很 大 的发 展 空 间 进 一 步研究和开发新材料 不断提高其优值系数将有广阔 的前 景 2 在生产技术 和工艺方面要多做实验 有机地 结合计算机辅助设计对降低实验成本 加速理论的完 善和提高半导体的性能有很大的帮助 3 在应 用方 面应 在不 同 的领域 采用 不 同 的研 究 方法 因为半导体制冷 的运作过程受多 因素的影 响 最好 采用 系统 分析 和综 合 分 析 的方 法 在 适 用性 下进 行应用性研究 让技术成为生产力 只有半导体制冷材料的不断发展才能使得其理论 得到应用 半导体与现代制造技术相结合将会使其应 用范围越来越广 可 以深信 半导体制冷在未来 将得 到很 好 的发展 和更广 泛 的应 用 参考文献 1 张宏祥 半导体 冷热风机 的数值模拟研究 D 南京 东南 大 学 2008 18 20 2 朱倩 刘玉超 张强 等 半 导体制冷技术及 其应用 J 学 园 2011 2 107一 l1O 3 吴兆琳 热 电式制 冷器 的最佳设 计 J 上 海机械学 院学 报 1992 14 2 13 16 4 K eni ehi U eda Y oshi hi ko O gaw a Proposi ti on of m odi fi ed lofe theory on pelti er c ooli ng J E lec troni c s and C om m un i c ati o ns i n Jap an 1 997 8 0 2 16 22 5 Stoc kholm J G Buffet J G Large gas to gas therm oelec tri c heat pum ps G Pr0c eedi ngs of the 3rd In ternati o nal Con fe renc e on T h erm oelec tri c E ne rgy Co nversion s 1 Is n 1980 28 30 6 M i n G R ow e D M K 0nt0stavlaki s K T herm oelec tri c fi g ure of m eri t under large tem perature di fferenc es J P hy s D A p pl P h ys 2 00 4 3 7 8 1 30 1 13 04 73宜 向春 王 维扬 半导体 制冷 材料 的发展 J 制 冷技术 200 1 2 3 7 4 1 83 M ole C J Porc uplle J C R ec ent developm ent on di rec t transfer therm oelec tri c for shi pboard use J T ransac ti on of A S H R A E l 988 1 1 58 61 93 Y am anashi M A new approac h tO apti m um desi gn i n therm oelec tri c c ooli ng system J A ppl Phys 80 9 5 49 4 55 02 1O T aylor A m odel for the non steady state tem perature beh avi o u r of th erm oelec tri c c oo li n g sem i c o nd uc to r d ev i c e J Sem i c ond Sc i T ec hnol 1997 12 443 447 11 徐德胜 半导体制冷与应用技术 M 上海 上海交通大 学 出 版 社 1992 12 C hen J T herm odynam i c analysi s of a solar dri ven therm oelec tri c generator J J A ppl P hys 1996 79 27 17 272 1 13 C hen L Sun F W u C T herm oeleetri generator w i th li near phenom enologi eal heat transfer law J A ppl E n erg y 200 5 81 35 8 3 64 14 李茂德 卢希红 热 电制冷过 程 中散热强 度对制 冷参数 的影响分析 J 同济大学学报 2002 30 7 811 813 153殷亮 李茂德 何文莉 半导体 制冷系统非稳 态温度工况 的模型及实 验分析 J 能源技术 2004 25 1 223 225 Sem i c o n d u c tor R efri gera ti o n T ec h n ology an d Its A p p li c a ti o n X U C h ang gu i JIA Y an ti n gz Y A N X i an guoz T IA N Z hi fen g3 1 School of M ec hani c al E ngi neeri ng B eiji ng T ec h nology and B u si ness U ni versi ty B ei ji ng 100 037 C hi na 2 S c hool of M ec h ani c al E ng i neeri ng Taiy uan U ni versity of S c i enc e and Tec h nology Tai yuan 030024 C hi na 3 T he S ec ond Researc h Insti tute of C h i na E lec troni c s T ec hnology Group C orp