摘要：小型化是电子产品与设备发展的重要趋势之一。随着半导体制冷技术、单片机技术和微电子技术的不断发展，使得温控设备的轻量化和小型化得以实现。半导体制冷的主要原理是利用半导体材料构成ＰＮ结来产生帕尔帖效应，即通过直流电制冷。半导体制冷片也叫做热电制冷片，是一种热泵，具有体积小、重量轻、寿命长、工作稳定、无滑动部件、安装容易，且无需制冷剂，对环境无污染，耐恶劣环境等优点。半导体制冷片热惯性很小，能够实现快速制冷制热，在冷端空载热端散热良好的条件下，通电不超过１min，制冷片就能达到最大温差。此外，可通过调节输入电流的大小，实现对温度的高精度控制，易于构成自动温控系统。而传统的压缩机在恒温空间较小的情况下的高精度的制冷制热能力明显弱于半导体制冷片。因此，结合半导体制冷技术自身所具有的特点及优势，应用半导体制冷技术设计小型自动温控箱来达到温度控制的目的，是一种十分优良的解决方案。
关键词：半导体制冷技术；热电材料；热电制冷
引言
半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术。本文将从热电材料、结构设计、冷热端散热方式三个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行总结和论述，并指出半导体制冷技术的发展方向。热电材料性能取决于优值系数Ｚ，优值系数Z由Seebeck系数，材料电导率，工作温度，材料电子和声子的热导率等决定。 由于热电材料的本征物理属性的限制，决定Z值的各个参数相互关联制约，使得难以大幅度提高热电材料的优值系数。相比之下，优化结构设计是一个提高制冷单元的实际性能系数的有效途径。而优化结构的重点在于优化尺寸因子Ｇ和热电阻，改方法的缺点是实际加工工艺复杂；减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量，可以大幅提高制冷系数，有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素。
1． 半导体制冷的工作原理
半导体制冷是将热电材料组合成Ｐ－Ｎ结，通以直流电后，热电元件会出现一端温度降低而另一端温度升高的现象，即帕尔帖效应，利用此现象将电能转换为热能，这就是半导体制冷的基本原理。给一对或多对热电元件之间通以直流电后，在接头处会产生温差和热量转移．在热电对的一端，电子和空穴从低能级的Ｐ型材料通过连接的导体进入到高能级的Ｎ型材料，同时吸收热量，致冷端温度降低；而热电对的另一端则存在相反的情况，放出热量致使温度升高，这就是帕尔帖效应。当连接点出现温差后，会产生塞贝克效应。当电流通过有温度梯度的热点元件时，元件与周围环境会产生热量交换，称为汤姆逊效应。电流经过热电对还会产生不可逆的焦耳热．当冷热端存在温差时，会通过导体产生热传导，称为傅里叶效应。
2． 半导体制冷的技术难点
长久以来，国内外学者尝试研究不同的方向以提高热电制冷效率，展现出各自的优势和实用性。但是研究中仍存在一些问题，这些都导致了热电制冷设备的实际运行效果不尽如人意。（1）材料的优值系数决定了半导体制冷系统的制冷效率。科学家目前对半导体制冷材料的研究未有突破性进展。材料的较低的优值系数导致热电制冷温差较小及制冷系数低下，这些是阻碍半导体制冷发展的最主要因素，因此半导体材料的优值系数有待于进一步提高。（2）有关冷、热端散热系统的改良设计研究较少，这使得半导体制冷系统多半处于理论计算阶段，实际运行效果不佳。现阶段，多种半导体制冷设备，在达到设定温度停机之后，热量会迅速回流，回热量极大。而在不停机情况下，半导体制冷设备则一直处在制冷状态，达到一定极限后半导体材料会损坏。所以，半导体制冷装置的模块设计和系统性能优化途径有待继续深入研究。（3）材料领域的新技术与新手段运用较少。现有热电材料优值系数无法提高，严重影响了半导体制冷行业的发展，所以，运用材料领域的新理论和新技术来研究和完善就显得尤为重要。半导体制冷是一门交叉学科，需要不同领域的新知识及时融入，互相配合，共同进步。
3． 半导体制冷技术的应用
3.1半导体制冷在工业技术的应用
半导体制冷在工业生产过程中得到广泛应用，很多产品在早期生产过程中或者后续产品性能的检测过程中均需要使用半导体制冷系统；例如部分变电站会采用半导体制冷系统，因为这种系统能够有效解决变电站存在的除湿问题；润滑油等某些液体需要保持恒温，针对这种情况使用半导体制冷系统，能够有效确保对应液体处于恒温状态，能够有效确保其性能和质量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此在这些液体的保存过程中需要使用半导体制冷系统。基于以上分析可知，半导体制冷技术在工业生产过程中得到广泛应用，半导体制冷技术的发展对工业技术具有重大的意义。
3.2半导体制冷在电子技术的应用
半导体制冷技术在电子技术的发展研究中具有关键作用，对于电子工业产品的研发具有重要意义。比如在某些大规模的集成电路、功率元件等设备的制冷方面，半导体制冷系统能够发挥出良好作用，同时避免对其他生产产生影响。随着科技进步，电子元件的温度方面的性能需要得到进一步提高，为了达到这一效果，就可以充分利用半导体制冷系统对其进行调试，为其创造一个合适的高低温环境，从而不断提高电子元件的适应性和实用性。此外，半导体制冷系统所需的工作容积较小，操作简单，所需成本较小，能够适应多种环境，具有良好的适应性。
3.3半导体制冷在测温技术的应用
半导体制冷技术不仅仅可以用于制冷，还可以在测温方面发挥出良好作用。比如近年来相关研究人员研制了半导体制冷零点仪，这种仪器能够实现良好的测温效果，替代了传统的电热偶零度基准点，同时这种仪器在使用过程中操作简单，测温准确，能够实现良好的测温效果，因此得到广泛应用。由此可见半导体制冷在测温技术中的应用是其他制冷技术所不能代替的。
4. 半导体制冷的发展方向
制冷材料依然是最重要的研究方向，为了能替代传统装置，半导体制冷材料的Z值需要超过3.但是，目前在室温下最高的Z值只有2.4。因此当务之急是多方面寻找高Z值的材料，例如最近报道较多的聚合物、陶瓷等。
对于半导体制冷系统的优化也极为重要，这包括对换热结构的优化、对几何结构的优化以及对控制参数的优化，这些因素都对整体系统的效率起到关键作用。系统的工作寿命与稳定性也是该技术得以应用的关键。
除了对制冷材料和系统本身的优化，为了让半导体制冷技术得到推广，另一个重点是拓宽能源的选择。廉价的废热，例如工业废热、家庭生活废热、汽车引擎废热等都可以成为能源。寻找更多半导体制冷的应用场景也有利于该技术的发展，例如在能源存储、汽车降温、工业热管理等领域寻找更多的机会。
结语
半导体制冷技术因具有环境友好、无噪声、运行平稳、耗材少、使用寿命长等特点受到广泛关注，在军事、医疗、生物制药等方面也具有极大的发展潜力。虽然目前在应用方面，半导体制冷存在着制冷效率不高、加工工艺复杂等限制因素，但随着技术的进一步发展，以及人们对环境的日益重视，半导体应用的领域将不断扩展，半导体制冷器的市场需求会越来越高，半导体制冷技术的发展前景会更加广阔。
参考文献：
［１］ 汪洋．基于单片机ＡＴ８９Ｃ５１温度控制系统［Ｄ］．宿州：宿州学院，２０１１．１１．
［２］ 王超．基于半导体制冷技术的微型温控箱研制［Ｄ］．西安：陕西师范大学，２０１４．
［３］ 姬志军．基于半导体制冷技术的自动温控箱的研究与设计［Ｄ］．保定：河北农业大学，２０１２．
［４］ 陈英．基于半导体制冷原理的恒温实验箱控制系统研究［Ｊ］．柳州师专学报，２０１４，２９（１）：１１３－１１５．
［５］ 何进．基于半导体制冷技术的温度控制系统研究［Ｄ］．天津：中国民航大学，２０１７．５．
［６］ 华舟萍．太阳能半导体制冷器在卡车驾驶室内的应用研究［Ｄ］．西安：长安大学，２０１０．
[ 7 ] He, W., Zhang, G., Zhang, X., Ji, J., Li, G., & Zhao, X. ［J］. Recent development and application of thermoelectric generator and cooler. Applied Energy, 2015, 143, 1-25.
论文作者:苏宇泉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
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