1、 第 I 页 共 II 页半导体热电效应开发与应用的探讨摘要：半导体制冷是利用特种半导体材料在外加直流电源的情况下产生低温的一种制冷方式，目前在人工制冷技术中占有独特的地位。基于半导体制冷技术的冰箱主要优点是无噪音，抗震，具有传统压缩机制冷所不能取代的优势。本文通过对半导体制冷技术的原理分析和研究，设计了一种半导体制冷冰箱。基于节能和环保已是当今一切科技发展进步的基本要求，对半导体制冷技术原理以及应用情况做了较全面的介绍，指出该技术的应用发展前景广阔，是2 l 世纪新的绿色“冷源” 。关键词：半导体制冷，帕尔帖效应，半导体冰箱，热电效应，优值系数第 II 页 共 II 页Development
2、 and application of semiconductor thermoelectric effect Abstract:When the semiconductor material is passed through DC，the temperature on one side of the semiconductor will be very low and on the other side the temperature will be highIt has particular station in the manpower refrigeration technology
3、 field.The main advantage of the semiconductor refrigerator is noiselessness and antishake，but the traditional compressor refrigerator cant.In this thesis a semiconductor refrigerator is designed by analyzing and studying the principle of the semiconductor refrigeration technology.Nowadays energy co
4、nservation and environmental protection are fundamental require-ment in all the developments of science and technology in our society.This paper presents the tech-nique of semiconductor refrigeration in general and indicates that the semiconductor refrigerator is a new coo1ing resource in 2lth centu
5、ryKeywords:Semiconductor refrigeration，Peltier effect，Thermoelectric refrigerator，Thermoelectric effect ，Merit figure.目 录1 引 言 .11.1 半导体制冷概述 .11.1.1 发展史 .11.1.2 国内外发展现状 .21.1.3 课题背景 .31.2 半导体制冷特点 .31.2.1 优点 .3第 III 页 共 II 页1.2.2 缺点 .31.3 应用 .41.3.1 在家用电器中的应用 .41.3.2 在医疗设备中的应用 .51.3.3 在工业上的应用 .61.3.4
6、 在电子技术上的应用 .71.4 半导体制冷材料及其制备 .71.4.1 半导体制冷材料 .71.4.2 半导体制冷材料的制备（区熔法） .92 半导体制冷系统 .112.1 半导体制冷原理 .112.1.1 帕尔贴效应及其原理 .112.1.2 半导体制冷原理 .122.1.3 半导体制冷片产冷量的计算 .122.1.4 半导体制冷片制冷功率的计算 .132.2 方案论证 .142.2.1 工作流程图 .142.2.2 制冷方案 .142.2.3 控制方案 .153 小型半导体制冷冰箱设计 .163.1 概述冰箱的设计 .163.2 半导体制冷冰箱的电路设计 .163.2.1 热敏电阻 .1
7、63.2.2 制冷块 .193.3 电路工作过程 .193.4 控制电路仿真实验 .213.4.1 实验目的 .213.4.2 实验软件 .213.4.3 仿真电路的设计 .21第 IV 页 共 II 页3.4.4 实验的过程 .213.4.5 实验结论 .214 半导体制冷系统的适应性调节 .234.1 半导体制冷系统的温度场分布 .234.2 影响半导体制冷性能的因素 .264.2.1 产冷量的影响 .274.2.2 散热系数的影响 .274.2.3 元件厚度的影响 .284.2.4 输入电压的影响 .304.3 适应性调节的研究 .324.4 适应性调节的结论 .345 全文结语 .36
8、附录 A：冰箱电路图 .37参 考 文 献 .39致 谢 .40第 1 页 共 40 页1 引 言传统空调和冰箱采用氟利昂或其它化合物制剂来实现制冷，氟利昂或其它化合物制冷剂的泄漏，对周围环境会造成一定的污染，更主要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经相继被淘汰出局。而现代化高科技的半导体制冷技术，不需任何制冷剂，仅仅利用半导体的珀尔帖效应就能实现制冷。而半导体制冷技术与常规的压缩式制冷相比较，具有无运动部件、无制冷剂、可制冷也可制热、体积小、重量轻等优点。随着半导体新材料的研制以及制冷剂替代的步伐加快，半导体制冷技术的发展速度越来越快，其应用范围也越来越广。在致力于保护全球环境
9、的今天，研制开发一种性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球制冷技术科学研究领域的一个重要课题。所以半导体制冷技术具有广阔的发展前景，是 21 世纪新的“绿色”冷源。1.1 半导体制冷概述1.1.1 发展史半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，它是利用塞贝克效应的逆效应珀尔帖效应达到致冷目的的。当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电致冷。早在 1821 年，德国科学家 Thomas Seeback（塞贝克）首先发现，当由两种不同的金属导线组成封闭线路，通上直流电源以后，一端的热量被移到另一端，这就是著名的珀尔帖效应。不过他当时对
10、这种现象做了错误的推论，并没有领悟其中真正的科学原理。到了 1834 年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家 Jean Peltier（帕尔帖） ，才发现背后真正的原因。半 导 体 材 料 具 有 极 高 的 热 电 势 ， 可 以 成 功 的 用 来 做 小 型 的 热 电 制 冷 器 。 但当 时 由 于 使 用 的 金 属 材 料 的 热 电 性 能 较 差 ， 能 量 转 换 的 效 率 很 低 ， 热 电 效 应 没 有 得到 实 质 应 用 。 半导体制冷材料和工艺是决定这一技术兴衰的关键，主要是提高半导体材料的优值系数( 优值系数是衡量半导体制冷材料的性能参数，取决于
11、半导体材料的温差电动热率、电导率、电阻率和热导率等参数，它们是载流子浓度和温度的函数)和冷热端的散热效果。直到 19 世纪的 90 年代，前苏联科学院半导体研究所的约飞院士的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体制冷元件。当一块 N 型半导体和一块 P 型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路第 2 页 共 40 页中接上一个直流电源，电偶上就会有电流流过，发生能量转移，从而达到制冷的效果。这项技术自 20 世纪 50 年代末发展起来后，因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用。从半导体制冷的发展史来看，大致分为三个阶段。第一阶段是指自塞贝克和帕尔帖先后发现温
12、差电效应和温度反常现象，探索温差电流现象原理，进行热电发电和热电制冷的研究直到 20 世纪 50 年代，由于使用的金属材料热电效应很弱，纯 金 属 的 导电 导 热 性 能 好 ， 但 制 冷 效 率 极 低 （ 不 到 1%） ， 能 量 转 化 很 低 没 有 什 么 实 用 价 值 ，半 导 体 制 冷 没 有 得 到 实 际 的 应 用 。 第 二 阶 段 是 20 世 纪 50 年 代 初 主 要 是 通 过 半 导体 材 料 的 广 泛 应 用 ， 发 现 半 导 体 具 有 很 好 的 热 电 性 能 ， 并 使 热 电 效 应 的 效 率 大 大 提高 ， 从 而 使 热 电
13、制 冷 进 入 工 程 实 践 。 苏 联 科 学 院 半 导 体 研 究 所 约 飞 院 士 对 半 导 体 进行 了 大 量 研 究 ， 于 1945 年 前 发 表 了 研 究 成 果 ， 表 明 碲 化 铋 化 合 物 固 溶 体 有 良 好 的致 冷 效 果 。 这 是 最 早 的 也 是 最 重 要 的 热 电 半 导 体 材 料 ， 至 今 还 是 温 差 致 冷 中 半 导 体材 料 的 一 种 主 要 成 份 。 约 飞 的 理 论 得 到 实 践 应 用 后 ， 有 众 多 的 学 者 进 行 研 究 ， 到六 十 年 代 半 导 体 致 冷 材 料 的 优 值 系 数 ，
14、 达 到 相 当 水 平 ， 才 使 得 半 导 体 制 冷 得 到 大规 模 的 应 用 。 第 三 阶 段 是 20 世 纪 80 年 代 至 今 ， 主 要 致 力 于 努 力 提 高 半 导 体 的 优值 系 数 ， 世 界 上 出 现 了 对 两 种 新 型 半 导 体 制 冷 材 料 及 其 器 件 的 研 究 热 潮 ， 并 取 得 了一 定 的 进 展 。 这 两 种 新 型 半 导 体 制 冷 材 料 及 器 件 分 别 为 半 导 体 量 子 阱 超 晶 格 薄 膜 材料 及 其 器 件 与 方 钻 矿 类 高 温 半 导 体 制 冷 材 料 及 其 器 件 ， 进 一 步
15、 开 发 了 热 电 制 冷 的 应用 领 域 。1.1.2 国内外发展现状我 国 半 导 体 制 冷 技 术 始 于 50 年 代 末 、 60 年 代 初 。 当 时 在 国 际 上 也 是 比 较 早 的研 究 国 家 之 一 。 60 年 代 中 期 ， 半 导 体 材 料 的 性 能 达 到 了 国 际 水 平 ， 60 年 代 末 至80 年 代 初 是 我 国 半 导 体 制 冷 器 技 术 发 展 的 一 个 台 阶 。 在 此 期 间 ， 一 方 面 研 究 半 导 体制 冷 材 料 的 高 优 值 系 数 ， 另 一 方 面 拓 宽 其 应 用 领 域 。 中 国 科 学
16、院 半 导 体 研 究 所 投 入了 大 量 的 人 力 与 物 力 ， 获 得 了 半 导 体 制 冷 器 。 因 而 才 有 了 现 在 的 半 导 体 制 冷 器 的 生产 及 其 二 次 产 品 的 开 发 和 应 用 。 目 前 ， 中 国 在 半 导 体 制 冷 器 的 总 生 产 上 居 世 界 首 位 ，其 主 要 原 因 是 半 导 体 制 冷 器 的 原 材 料 在 中 国 储 存 量 最 多 和 在 应 用 开 发 上 有 较 大 的 成功 。 最 近 几 年 半 导 体 制 冷 器 的 应 用 产 量 逐 年 上 升 ， 从 1996 年 的 全 国 总 产 量 的 5
17、0万 片 到 1999 年 的 350 万 片 。第 3 页 共 40 页现 在 在 发 达 国 家 ， 最 近 出 现 了 对 两 种 新 型 半 导 体 制 冷 材 料 及 其 器 件 的 研 究 热 潮 ，并 取 得 了 一 定 的 进 展 。 这 两 种 新 型 半 导 体 制 冷 材 料 及 器 件 分 别 为 半 导 体 量 子 阱 超 晶格 薄 膜 材 料 及 其 器 件 与 方 钻 矿 类 高 温 半 导 体 制 冷 材 料 及 其 器 件 ， 两 种 新 型 材 料 都 具有 很 高 的 优 值 系 数 ， 有 诱 人 的 应 用 前 景 。 而 我 国 在 以 上 两 个
18、方 面 的 研 究 工 作 尚 有 一个 空 白 4。 在 发 达 国 家 ， 半导体制冷已经用于汽车（或手提式）冰箱，白内障冷冻摘除器，核潜艇空调，红外智导对空导弹的红外探测仪探头冷却器，照相显影液恒温冷却器，宇航员及坦克员空调服等方面。1.1.3 课题背景相对于半导体制冷技术，传统的技术（以氟利昂作为制冷剂的制冷压缩机）给我们的生活环境会造成很大的破坏，尤其是制冷剂化合物会对大气层会造成严重的破坏。此外，原来的技术在运行时会产很大的噪声，严重影响我们的日常生活休息。半导体制冷原理的制冷技术不一样，它不会破坏环境，无污染，无噪声，安全可靠，特别适合家居电器中的制冷，我们的设计就是从这个主题出
19、发的。1.2 半导体制冷特点1.2.1 优点半导体制冷是一种固体制冷方式，它是靠空穴和电子在运动中直接传递热量来实现的，具有很多优点。（1） 不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染，是 21 世纪的绿色冷源。（2） 利用特种半导体材料制成的 PN 结进行制冷（或制热） ，体积小、重量轻、寿命长、无噪音、可靠性高。（3） 热电效应具有两种功能，既能制冷，又能加热，易于恒温控制。用于制冷时，其效率较低，但 制 热 效 率 很 高 ， 永 远 大 于 1。 因 此 ， 综 合 起 来 评 估 时 ， 其 效率 还 是 较 高 的 。（4） 制冷速度和温度高低可通过调节电流强度控制，即可实现高精度的调节
20、。（5） 可实现微小型制冷，功率可做到 1W 以下，且极轻极小，传统的机械式压缩制冷难以替代。（6） 半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航海、航空及航天等行业上应用具有无可替代的优势 2。第 4 页 共 40 页1.2.2 缺点（1）在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。（2）电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用交流电源，就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的。（3）电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用 4。1.3 应用利用半导体材料
21、的热电特性，就能制成一个温度变化范围为-5080，工作容积可大可小，并能实现温度逐点控制的制冷器。尽管它效率较低，能耗大，但是在制冷量小于20W以下、温差不超过50时，半导体制冷的效率高于压缩式制冷的效率。因此，在需要外型尺寸小、重量轻、无磨损、无噪音、能精确维护和平稳调节温度工况和制冷量，防止制冷剂污染空气等各种领域都得到广泛的应用。1.3.1 在家用电器中的应用（1）饮水机：饮水机作为一种新颖家电产品正在我国迅速崛起，其生产销售量每年差不多以翻番的速度增长。与传统的烧水壶加热水瓶相比，饮水机外表美观、操作方便、使用安全，并能同时供应冷水和热水，因而受到越来越多家庭和办公室的青睐，成为居民消
22、费的新时尚。饮水机加热一般采用电热管加热方式，制冷有两种方式，一种为普通的压缩式制冷，另一种即为半导体制冷方式。从生产成本和销售价格方面，半导体制冷具有一定的优势。（2）家用电脑 CPU 制冷器：目前计算机内对 CPU 的降温普遍采用风机加散热器，对于一般用户在一般情况下可以满足散热的需要，但是在工作环境温度高、电脑处理负荷大，邮电、银行、证券等长时间工作电脑系统、电脑爱好者用于 CPU 超频等使用场合，由于发热量的增加导致 CPU 的温度升高，不采取措施就会影响计算机的正常工作和稳定性。降低 CPU 温度的方法之一就是采用半导体制冷片。现在也有一些厂家专门生产 CPU 致冷器。例如，杭州建华
23、半导体制冷器有限公司生产的具自动恒温及报警功能的电脑 CPU 致冷器等。（3）半导体冰箱：第 5 页 共 40 页有不少厂家推出了半导体冰箱。著名冰箱生产企业都有半导体冰箱产品，如美菱、海尔、新飞等。表 1 列出几种半导体冰箱的型号参数，供参考。表 1 半导体冰箱的型号参数型号 DC 一 50C JC 一 42 XC 一 10容积（L） 50 42 10外形尺寸（mm） 630480360 503472490 421305285 重量（kg） 16 5.3环境温度（) 1030 1632 1623功率（W） 80 50 65/26(AC) 电源 AC220V/110V 耗电量(kWh24h)
24、0.5 0.68制冷温度（) 310 210实际上车载冰箱也是这一类，车载式冰箱抗震性好，适合外出旅游车船配载使用，目前市场上这种车载冰箱大小从 3L 到 33L 不等，随着中国汽车拥有量的增加，车载半导体冰箱将会越来越多。但是应该注意的是半导体冰箱主要是用在冷藏而不是冷冻，其制冷效率也较普通蒸汽压缩式冰箱低，耗电量较高，容积小，通常在特殊场合或有特殊要求使用较合适 6。1.3.2 在医疗设备中的应用（1）Nd：YAG 激光手术器：它的最大特点就是输出功率大，可对病变细胞进行汽化或切割。同时，被 Nd：YAG激光器治疗过的溃疡组织和肿瘤组织对该种溃疡或肿瘤有免疫力，不会再复发。因而，近年来广泛
25、应用于医学临床治疗。由于输出功率大，所消耗的电功率相应的也大。以医疗上常用 100W 的 Nd：YAG 激光手术器为例：其消耗电功率达 35kw 以上，其中部分能量转化为光能，大部分转化为热能。所以，必须保证激光腔体充分散热，这是保证 Nd：YAG 激光手术器正常工作的前提条件。目前，不论进口的、国产的 Nd：YAG 均采用水冷冷却激光腔，或者用大水箱，或者用自来水管一进一出进行冷却。所以，普遍存在体积大，操作繁琐等缺陷。而采用半导体制冷技术的 Nd：YAG 激光器，由于半导体制冷系统体积小、重量轻、使用方便、连续工作时间长等优点，还具有完善的温控报警装置，保护激光腔体和半导体制冷块。目前，采
26、用半导体制冷冷却的 Nd：YAG激光手术器在我国生产的有 H 一 100 一等。（2）冷冻切片机：第 6 页 共 40 页采用半导体制冷技术组成的冷冻切片机，其组织冷冻速度快、温度低，能在几分内将组织温度降至一 50至一 60，因而，具有操作简单方便、切片速度快，质量高等优点。普通切片机采用 CO2 作制冷剂，制冷温度仅达一 10左右，而且降温速度慢，冷冻前还需处理，切片过程耗掉时间长。由于组织的冷冻硬度直接影响切片效果，组织硬度又随组织温度升高而降低，加之冷冻速度不够快，切片会出现冰晶或组织细胞破坏现象，因此，影响了切片质量。还有一种冷冻切片机采用的是制冷压缩机，像德国产的 LEICACMl
27、850 型冷冻切片机，虽然温度能达到一 50左右，但制冷时间长，并且，制冷剂采用的是氟利昂，会对空气造成污染。同时，其价格较高，对于一般医院只能是望而却步。（3）呼吸机气泵：气泵是所有呼吸机中的重要部件，特别是在没有采用中心供气方式提供空气正压的医院，它更是必不可少的部件。它向呼吸机提供干燥、洁净的气体。 一般将气体冷却降温后，再通过水分离器将冷凝水分离出来，达到干燥气体的目的。 由于采用半导体制冷技术的气泵与采用传统风冷式制冷的普通气泵相比具有体积小、结构简单、无噪音、冷凝快速及冷凝效率高等优点，现已广泛应用在高档呼吸机气泵中 8。1.3.3 在工业上的应用在工业上，用液膜冰固定工件代替夹具
28、，用电子冷冻新技术代替传统的液氨等制冷介质，通过电源变换实现快速装卸工件和恒温控制，使过去一些无法加工的材料，特别是航天材料( 橡胶件、热塑性件、脆性材料、极薄件等) 找到一种新的加工方法。（1）冷冻磨削：平面磨削只适用于铁磁性物质的加工，并有剩磁产生，而冷冻磨削能解决各种材质的磨削问题，并且不改变原材料的磁性能，也不会出现烧伤。某研究所对钢件、不锈钢件、高速钢、非金属材料等在无冷却液的条件下进行冷冻干磨实验，均得到满意的效果。（2）冷冻车削：:过去对 D d b = 360mm 168mm 1.27mm 的铝合金薄板件在车床进行多种加工方法的尝试，如内胀外抱胎具，双面双刀加工，真空吸盘等， 但这些方法工艺复杂，效率低，废品率高，利用冷冻车削，就使薄片件的加工质量、效率等都得到理想的效果。例如，某厂采用低温电子冷冻刀具，它把刀头和刀体温度恒定在-15以下，使刀具寿命延长，加工精度提高。彻底改变了刀具的冷却条件，节省大量的冷却油。实践证明电子刀具比非制冷刀具耐用度提高 42% ，这种方法清洁卫生、经
