半導(dǎo)體制冷技術(shù)及應(yīng)用

1、第4期(總第179期2013年8月機(jī)械工程與自動(dòng)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.文章編號(hào):1672-6413(201304-0219-03櫜半導(dǎo)體制冷技術(shù)及應(yīng)用盧菡涵1,劉志奇1,徐昌貴2,侯云輝1,劉振俊1(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西太原030024;2.北京工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100048摘要:半導(dǎo)體制冷是一種新型的無污染的制冷方式,近年來越來越多的學(xué)者來研究半導(dǎo)體制冷的性能,以提高其制冷效率?？偨Y(jié)了提高半導(dǎo)體制冷性能的方法以及半導(dǎo)體制冷技術(shù)的主要應(yīng)用。從

2、材料、影響因素、工況優(yōu)化、提高散熱效率以及主要應(yīng)用5個(gè)方面來對(duì)這些研究進(jìn)行梳理,為以后的研究提供參考。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體制冷;制冷效率;制冷工況;散熱;應(yīng)用中圖分類號(hào):T N 305.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:櫜A北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目(KM 201010011007;山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2012251收稿日期:2013-01-21;修回日期:2013-02-18作者簡(jiǎn)介:盧菡涵(1987-,女,河南平頂山人,在讀碩士研究生,主要研究方向:機(jī)電液一體化技術(shù)。0引言早在1834年,法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖就發(fā)現(xiàn)了帕爾帖效應(yīng)1:當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí),節(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱的

3、現(xiàn)象。帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后并沒有被人們很好地利用,直到20世紀(jì)50年代后,約飛等人發(fā)現(xiàn)了B i 2T e 3、P b T e 、S I G e 等溫差電性能較好的材料2,20世紀(jì)70年代A g 0.58C u 0.29T i 0.94Te 四元合金等優(yōu)值系數(shù)較高的材料3被合成出來,使得熱電效應(yīng)的效率得到提高,半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用越來越廣泛。1半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究半導(dǎo)體制冷器具有體積小、沒有振動(dòng)和噪聲、不污染環(huán)境、作用速度快、精度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)4,5,但也存在著制冷效率低等缺點(diǎn),因此眾多學(xué)者就致力于提高半導(dǎo)體制冷效率的研究。有人通過對(duì)半導(dǎo)體材料的研究,提高半導(dǎo)體制冷片本身的優(yōu)值系數(shù)Z 6(Z =a

4、 2/,a 為溫差電動(dòng)勢(shì)率或s e e b e c k 系數(shù),為材料的電導(dǎo)率,為材料的熱導(dǎo)率,從而達(dá)到提高制冷效率的目的。同時(shí)還有很多人通過分析影響半導(dǎo)體制冷的性能參數(shù),優(yōu)化各制冷工況,提高熱端散熱效率等控制手段來提高制冷效率,使其工作在最佳制冷狀態(tài)。1.1半導(dǎo)體制冷影響因素的分析通過對(duì)半導(dǎo)體制冷性能的研究分析可知影響半導(dǎo)體制冷的各因素,優(yōu)化對(duì)這些因素的控制方式,就可以提高半導(dǎo)體制冷的性能。學(xué)者們通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析、仿真等手段得出了影響半導(dǎo)體制冷性能的主要因素。潘玉灼指出半導(dǎo)體內(nèi)部的傳熱系數(shù)對(duì)效率的影響很大,當(dāng)傳熱系數(shù)很小時(shí),制冷效率很大7。李茂德等指出冷端負(fù)荷、半導(dǎo)體厚度、輸入電壓等因素對(duì)制

5、冷效率的不同影響8:在有冷端負(fù)荷時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間比空載時(shí)要短;半導(dǎo)體厚度越大,穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng);電壓增加越大,初始時(shí)溫度變化越快。毛佳妮等采用數(shù)值分析與解析求解相結(jié)合的方法,綜合討論了穩(wěn)態(tài)條件下冷端傳冷與熱端散熱對(duì)制冷性能的影響9:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在較低工作電流區(qū)域時(shí),增強(qiáng)冷端傳冷強(qiáng)度對(duì)提高系統(tǒng)制冷性能的經(jīng)濟(jì)性較高;當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在最佳工況區(qū)域附近時(shí),從增強(qiáng)熱端散熱強(qiáng)度出發(fā),對(duì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)制冷性能的優(yōu)勢(shì)更突出。1.2制冷工況的研究利用熱電制冷器的冷端對(duì)環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行冷卻的工況稱為熱電制冷工況,常見的有最大效率工況、最大溫差工況、最大制冷量工況和最大制冷系數(shù)工況,許多學(xué)者對(duì)制冷工況的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做了研究

6、。高遠(yuǎn)、蔣玉思對(duì)最大效率和最大溫差工況進(jìn)行了比較研究10:在相同的負(fù)載、溫差、散熱條件下,按最大效率工作狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),效率高、耗電少,熱節(jié)點(diǎn)放出的熱量少,但需要的制冷元件多;按最大溫差工作狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),效率低、耗電多,熱節(jié)點(diǎn)放出的熱量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、盧希紅對(duì)半導(dǎo)體制冷的最大制冷量和最大制冷系數(shù)工況進(jìn)行了分析11:在相同的設(shè)計(jì)條件下,最大制冷量工況,制冷系數(shù)較低、耗電較多、熱端散熱較多,但所用元件較少、體積較小、制造成本較低,能夠適應(yīng)許多特殊場(chǎng)合的要求,對(duì)便攜式野外冷熱箱等連續(xù)性工作的制冷器,通常采用這種設(shè)計(jì)方法,而最大制冷系數(shù)工況則相反。但是不管采用哪種設(shè)計(jì)方法,都必須保

7、證熱端有較好的散熱效果。若散熱效果不好,勢(shì)必會(huì)引起熱端溫度T h升高,進(jìn)而影響溫差T,使T逐漸增加,此時(shí),制冷系數(shù)和制冷量都會(huì)下降。1.3散熱的研究半導(dǎo)體制冷過程中熱端散熱的效果將直接影響半導(dǎo)體的制冷性能,如果熱端溫度不能及時(shí)降下來,則勢(shì)必會(huì)將熱量傳給冷端,進(jìn)而使冷端的制冷效果降低。因此,熱端散熱很關(guān)鍵,減少冷、熱端溫差是提高半導(dǎo)體制冷性能的有效方法。半導(dǎo)體制冷的散熱方式主要有空氣自然對(duì)流散熱、空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱、水冷散熱以及熱管傳熱等?？諝庾匀粚?duì)流散熱是指散熱器利用空氣的自然對(duì)流把熱量散到環(huán)境中去。空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱,是指在自然對(duì)流散熱的基礎(chǔ)上,在散熱片的端部安裝軸流風(fēng)機(jī),其對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于自

8、然對(duì)流換熱。水冷散熱是在半導(dǎo)體制冷器的熱端連接一個(gè)冷卻水箱,通過冷卻水管中的水把熱端的熱量不斷帶走,其換熱是空氣自然對(duì)流散熱的100倍12。熱管散熱器一般由熱管和散熱片兩部分構(gòu)成,它是一種高效率的散熱裝置,依靠相變過程換熱,因此熱管的傳熱效率很高。張建成分析比較了翅片式和熱管式散熱器的傳熱性能,得出采用熱管式散熱器的優(yōu)點(diǎn)13:只要有擴(kuò)展空間,冷側(cè)的換熱面積就可以成倍地增加,傳熱量也大增;在相同的氣流對(duì)流速度下,其有效面積是翅片式的近4倍;熱管式散熱器與制冷元件相接觸的熱端面溫度比翅片式散熱器的相應(yīng)溫度低得多。因此采用熱管式散熱器制作的半導(dǎo)體制冷組件具有降溫速度快、制冷系數(shù)大、耗電量小的特點(diǎn)。張

9、小松、張奕等研究了冷端和熱端傳熱對(duì)冷藏箱性能的影響。通過試驗(yàn)及計(jì)算,分析了冷藏箱性能與冷端風(fēng)扇電壓及熱端冷卻水溫度的關(guān)系14(見圖1、圖2。冷端傳熱強(qiáng)化后,制冷溫度及熱端、冷端溫度差降低,制冷性能上升。熱端冷卻水溫度降低,制冷溫度降低,半導(dǎo)體的熱端、冷端溫度差減小,運(yùn)行性能提高。代偉通過對(duì)半導(dǎo)體制冷電偶對(duì)進(jìn)行傳熱分析,得到了制冷性能與熱端散熱強(qiáng)度之間的微分方程,得出了散熱強(qiáng)度對(duì)制冷性能影響的曲線(見圖3、圖4。由此得出15:隨著散熱強(qiáng)度的不斷增強(qiáng),熱電制冷性能逐漸提高,然后就趨于緩慢。從經(jīng)濟(jì)性考慮,半導(dǎo)體制冷存在最佳熱端散熱強(qiáng)度,所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)熱端散熱系統(tǒng)。圖1制冷溫度、

10、冷端溫度、熱端溫度與冷端風(fēng)扇電壓的關(guān)系圖2制冷溫度、冷端溫度、熱端溫度與熱端冷卻水溫度的關(guān)系圖3制冷量QC隨散熱強(qiáng)度的變化曲線圖4散熱量Qh和輸入功率P隨散熱強(qiáng)度的變化曲線2半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用從出現(xiàn)半導(dǎo)體制冷技術(shù)至今,半導(dǎo)體制冷材料有了一次又一次的突破,半導(dǎo)體制冷效率也有了一次又·22·機(jī)械工程與自動(dòng)化2013年第4期一次的提高,雖然仍然存在著一些問題,但利用其優(yōu)點(diǎn),可以為我們的日常生活、科研軍事等帶來很大的方便,使得半導(dǎo)體制冷技術(shù)在當(dāng)今世界具有越來越重要的地位。例如:在高科技和軍事領(lǐng)域?qū)t外探測(cè)器、激光器和光電倍增管等光電器件的制冷,利用半導(dǎo)體制冷器體積小的特點(diǎn),使用方便;

11、在醫(yī)療領(lǐng)域中,半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛,用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴(kuò)增的高檔P C R 儀、電泳儀及半導(dǎo)體制冷探針等,利用半導(dǎo)體制冷速度快、無污染等特點(diǎn),還可以制成低溫的恒溫箱,用來保存血漿等;在現(xiàn)代測(cè)溫技術(shù)中,熱電恒溫器、零點(diǎn)儀的開發(fā)使用,使半導(dǎo)體制冷在測(cè)溫技術(shù)上的使用成為可能,并得到了廣泛應(yīng)用;在日常生活方面,半導(dǎo)體制冷在空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電腦以及其他電器等設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用,為我們的日常生活帶來極大的方便。3結(jié)論與展望隨著半導(dǎo)體制冷器由軍用向民用的擴(kuò)大,加之節(jié)能和限制采用氟里昂制冷劑的呼聲提高,對(duì)半導(dǎo)體制冷器的需求也會(huì)越來越大,提高半導(dǎo)體制冷的效率也會(huì)被更多的人關(guān)注,提高半導(dǎo)

12、體制冷性能的方法也會(huì)越來越多,其制冷效率也會(huì)越高,這必將為半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。我們今后的研究工作可以從以下幾方面來著手:新材料的發(fā)明和發(fā)現(xiàn),仍然是影響半導(dǎo)體制冷至關(guān)重要的技術(shù)因素,熱電材料的制取、焊接工藝還要努力提高16;提高半導(dǎo)體溫度控制精度,如何確定一定條件下熱電堆的最佳工作參數(shù)是影響半導(dǎo)體制冷的又一重要因素,該問題在后續(xù)工作中有待于進(jìn)一步研究;為了提高能源利用率,在對(duì)半導(dǎo)體制冷器的產(chǎn)冷量進(jìn)行利用的同時(shí),如何對(duì)其熱端所散的熱量也加以利用,可以作為今后研究的一個(gè)方向。參考文獻(xiàn):1徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)M .上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.2高敏,張景韶,D M R

13、 o w e .溫差電轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用M .北京:兵器工業(yè)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謝玲,湯廣發(fā).半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J .潔凈與空調(diào)技術(shù),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劉華軍,李來風(fēng).半導(dǎo)體熱電制冷材料的研究進(jìn)展J .低溫工程,2004(1:32-38.7潘玉灼.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能分析J .泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,23(6:48-51.8李茂德,殷亮,樂偉,等.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)電極非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值分析J .同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(6:7

15、67-770.9毛佳妮,申麗梅,李愛博,等.半導(dǎo)體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優(yōu)化設(shè)計(jì)分析J .流體機(jī)械,2010,38(7:68-72.10高遠(yuǎn),蔣玉思.單級(jí)半導(dǎo)體制冷器設(shè)計(jì)中常用公式的推導(dǎo)J .廣東有色金屬學(xué)報(bào),2003,13(2:130-135.11盧希紅,熊麗紅,李茂德,等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究與發(fā)展J .能源研究與信息,1998,14(4:41-47.12胡韓瑩,朱東生.熱電制冷技術(shù)的研究進(jìn)展與評(píng)述J .制冷學(xué)報(bào),2008,29(5:1-7.13張建成.半導(dǎo)體制冷的熱管式散熱器傳熱研究J .東南大學(xué)學(xué)報(bào),2000,30(5:38-41.14張奕,張小松,胡洪,等.冷/熱端散熱

16、對(duì)半導(dǎo)體冷藏箱性能的影響J .江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(1:43-46.15代偉.半導(dǎo)體制冷散熱強(qiáng)度對(duì)制冷性能的影響J .制冷與空調(diào),2008,22(3:25-27.16何燕,聶宏飛,張洪興.半導(dǎo)體制冷研究概述J .科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),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