半导体制冷技术和运用及其未来的发展趋势

半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。

半导体制冷片制冷原理

半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

原理图

半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，上图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成。半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷（制热）的效果。以下三点是热电制冷的温差电效应。

半导体制冷技术的应用

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导航系统。

2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。

半导体制冷技术发展趋势

20世纪50年代以后，半导体材料在各个技术领域得到了广泛的应用。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高，从而使热电制冷进入工程实践领域并得到迅速的发展。早期出现的半导体制冷器大多是各种小型低温和恒温器件，如电子医疗器械、电子器件冷却、小型冰箱等方面。后来又在核潜艇上研制了各种半导体制冷空调和冷藏装置。半导体制冷空调器因其能效比、价格远不能与机械压缩式、吸收式空调相比，故还不能为百姓接受，但因其所具有抗震、无泄漏、无噪音、易维修、高可靠性，目前在各个领域都有了广泛的应用，如潜艇、船舶、电子通讯车、列车空调等场合已有成功的应用。

半导体制冷技术正在飞速的发展，目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制热效率应用方面则率先开辟了新的领域