半导体制冷技术及应用

1、第4期(总第179期2013年8月机械工程与自动化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.文章编号:1672-6413(201304-0219-03櫜半导体制冷技术及应用卢菡涵1,刘志奇1,徐昌贵2,侯云辉1,刘振俊1(1.太原科技大学机械工程学院,山西太原030024;2.北京工商大学机械工程学院,北京100048摘要:半导体制冷是一种新型的无污染的制冷方式,近年来越来越多的学者来研究半导体制冷的性能,以提高其制冷效率。总结了提高半导体制冷性能的方法以及半导体制冷技术的主要应用。从

2、材料、影响因素、工况优化、提高散热效率以及主要应用5个方面来对这些研究进行梳理,为以后的研究提供参考。关键词:半导体制冷;制冷效率;制冷工况;散热;应用中图分类号:T N 305.94文献标识码:櫜A北京市教育委员会科技计划项目(KM 201010011007;山西省高等学校大学生创新创业训练项目(2012251收稿日期:2013-01-21;修回日期:2013-02-18作者简介:卢菡涵(1987-,女,河南平顶山人,在读硕士研究生,主要研究方向:机电液一体化技术。0引言早在1834年,法国物理学家帕尔帖就发现了帕尔帖效应1:当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,节点上将产生吸热或放热的

3、现象。帕尔帖效应发现之后并没有被人们很好地利用,直到20世纪50年代后,约飞等人发现了B i 2T e 3、P b T e 、S I G e 等温差电性能较好的材料2,20世纪70年代A g 0.58C u 0.29T i 0.94Te 四元合金等优值系数较高的材料3被合成出来,使得热电效应的效率得到提高,半导体制冷的应用越来越广泛。1半导体制冷技术的研究半导体制冷器具有体积小、没有振动和噪声、不污染环境、作用速度快、精度高、易于控制等优点4,5,但也存在着制冷效率低等缺点,因此众多学者就致力于提高半导体制冷效率的研究。有人通过对半导体材料的研究,提高半导体制冷片本身的优值系数Z 6(Z =a

4、 2/,a 为温差电动势率或s e e b e c k 系数,为材料的电导率,为材料的热导率,从而达到提高制冷效率的目的。同时还有很多人通过分析影响半导体制冷的性能参数,优化各制冷工况,提高热端散热效率等控制手段来提高制冷效率,使其工作在最佳制冷状态。1.1半导体制冷影响因素的分析通过对半导体制冷性能的研究分析可知影响半导体制冷的各因素,优化对这些因素的控制方式,就可以提高半导体制冷的性能。学者们通过实验、数值分析、仿真等手段得出了影响半导体制冷性能的主要因素。潘玉灼指出半导体内部的传热系数对效率的影响很大,当传热系数很小时,制冷效率很大7。李茂德等指出冷端负荷、半导体厚度、输入电压等因素对制

5、冷效率的不同影响8:在有冷端负荷时进入稳态的时间比空载时要短;半导体厚度越大,稳定所需时间越长;电压增加越大,初始时温度变化越快。毛佳妮等采用数值分析与解析求解相结合的方法,综合讨论了稳态条件下冷端传冷与热端散热对制冷性能的影响9:当系统运行在较低工作电流区域时,增强冷端传冷强度对提高系统制冷性能的经济性较高;当系统稳定运行在最佳工况区域附近时,从增强热端散热强度出发,对进一步提高系统制冷性能的优势更突出。1.2制冷工况的研究利用热电制冷器的冷端对环境介质进行冷却的工况称为热电制冷工况,常见的有最大效率工况、最大温差工况、最大制冷量工况和最大制冷系数工况,许多学者对制冷工况的设计和优化做了研究

6、。高远、蒋玉思对最大效率和最大温差工况进行了比较研究10:在相同的负载、温差、散热条件下,按最大效率工作状态设计时,效率高、耗电少,热节点放出的热量少,但需要的制冷元件多;按最大温差工作状态设计时,效率低、耗电多,热节点放出的热量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、卢希红对半导体制冷的最大制冷量和最大制冷系数工况进行了分析11:在相同的设计条件下,最大制冷量工况,制冷系数较低、耗电较多、热端散热较多,但所用元件较少、体积较小、制造成本较低,能够适应许多特殊场合的要求,对便携式野外冷热箱等连续性工作的制冷器,通常采用这种设计方法,而最大制冷系数工况则相反。但是不管采用哪种设计方法,都必须保

7、证热端有较好的散热效果。若散热效果不好,势必会引起热端温度T h升高,进而影响温差T,使T逐渐增加,此时,制冷系数和制冷量都会下降。1.3散热的研究半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响半导体的制冷性能,如果热端温度不能及时降下来,则势必会将热量传给冷端,进而使冷端的制冷效果降低。因此,热端散热很关键,减少冷、热端温差是提高半导体制冷性能的有效方法。半导体制冷的散热方式主要有空气自然对流散热、空气强制对流散热、水冷散热以及热管传热等。空气自然对流散热是指散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中去。空气强制对流散热,是指在自然对流散热的基础上,在散热片的端部安装轴流风机,其对流换热系数远高于自

8、然对流换热。水冷散热是在半导体制冷器的热端连接一个冷却水箱,通过冷却水管中的水把热端的热量不断带走,其换热是空气自然对流散热的100倍12。热管散热器一般由热管和散热片两部分构成,它是一种高效率的散热装置,依靠相变过程换热,因此热管的传热效率很高。张建成分析比较了翅片式和热管式散热器的传热性能,得出采用热管式散热器的优点13:只要有扩展空间,冷侧的换热面积就可以成倍地增加,传热量也大增;在相同的气流对流速度下,其有效面积是翅片式的近4倍;热管式散热器与制冷元件相接触的热端面温度比翅片式散热器的相应温度低得多。因此采用热管式散热器制作的半导体制冷组件具有降温速度快、制冷系数大、耗电量小的特点。张

9、小松、张奕等研究了冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响。通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系14(见图1、图2。冷端传热强化后,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升。热端冷却水温度降低,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高。代伟通过对半导体制冷电偶对进行传热分析,得到了制冷性能与热端散热强度之间的微分方程,得出了散热强度对制冷性能影响的曲线(见图3、图4。由此得出15:随着散热强度的不断增强,热电制冷性能逐渐提高,然后就趋于缓慢。从经济性考虑,半导体制冷存在最佳热端散热强度,所以在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统。图1制冷温度、

10、冷端温度、热端温度与冷端风扇电压的关系图2制冷温度、冷端温度、热端温度与热端冷却水温度的关系图3制冷量QC随散热强度的变化曲线图4散热量Qh和输入功率P随散热强度的变化曲线2半导体制冷的应用从出现半导体制冷技术至今,半导体制冷材料有了一次又一次的突破,半导体制冷效率也有了一次又·22·机械工程与自动化2013年第4期一次的提高,虽然仍然存在着一些问题,但利用其优点,可以为我们的日常生活、科研军事等带来很大的方便,使得半导体制冷技术在当今世界具有越来越重要的地位。例如:在高科技和军事领域对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷,利用半导体制冷器体积小的特点,使用方便;

11、在医疗领域中,半导体温控系统的应用更为广泛,用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档P C R 仪、电泳仪及半导体制冷探针等,利用半导体制冷速度快、无污染等特点,还可以制成低温的恒温箱,用来保存血浆等;在现代测温技术中,热电恒温器、零点仪的开发使用,使半导体制冷在测温技术上的使用成为可能,并得到了广泛应用;在日常生活方面,半导体制冷在空调、冷热两用箱、饮水机、电脑以及其他电器等设备中都有广泛的应用,为我们的日常生活带来极大的方便。3结论与展望随着半导体制冷器由军用向民用的扩大,加之节能和限制采用氟里昂制冷剂的呼声提高,对半导体制冷器的需求也会越来越大,提高半导体制冷的效率也会被更多的人关注,提高半导

12、体制冷性能的方法也会越来越多,其制冷效率也会越高,这必将为半导体制冷技术的应用提供了广阔的前景。我们今后的研究工作可以从以下几方面来着手:新材料的发明和发现,仍然是影响半导体制冷至关重要的技术因素,热电材料的制取、焊接工艺还要努力提高16;提高半导体温度控制精度,如何确定一定条件下热电堆的最佳工作参数是影响半导体制冷的又一重要因素,该问题在后续工作中有待于进一步研究;为了提高能源利用率,在对半导体制冷器的产冷量进行利用的同时,如何对其热端所散的热量也加以利用,可以作为今后研究的一个方向。参考文献:1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,1999.2高敏,张景韶,D M R

13、 o w e .温差电转换及其应用M .北京:兵器工业出版社,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谢玲,汤广发.半导体制冷技术的发展与应用J .洁净与空调技术,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刘华军,李来风.半导体热电制冷材料的研究进展J .低温工程,2004(1:32-38.7潘玉灼.半导体制冷系统性能分析J .泉州师范学院学报,2005,23(6:48-51.8李茂德,殷亮,乐伟,等.半导体制冷系统电极非稳态温度场的数值分析J .同济大学学报,2004,32(6:7

15、67-770.9毛佳妮,申丽梅,李爱博,等.半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析J .流体机械,2010,38(7:68-72.10高远,蒋玉思.单级半导体制冷器设计中常用公式的推导J .广东有色金属学报,2003,13(2:130-135.11卢希红,熊丽红,李茂德,等.半导体制冷技术的研究与发展J .能源研究与信息,1998,14(4:41-47.12胡韩莹,朱东生.热电制冷技术的研究进展与评述J .制冷学报,2008,29(5:1-7.13张建成.半导体制冷的热管式散热器传热研究J .东南大学学报,2000,30(5:38-41.14张奕,张小松,胡洪,等.冷/热端散热

16、对半导体冷藏箱性能的影响J .江苏大学学报,2008,29(1:43-46.15代伟.半导体制冷散热强度对制冷性能的影响J .制冷与空调,2008,22(3:25-27.16何燕,聂宏飞,张洪兴.半导体制冷研究概述J .科技创新导报,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