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半导体制冷应用分析
作者：刘意
来源：《中国科技博览》2017年第28期
[摘 要]半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从上世纪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。本文通过对比半导体制冷和压缩机制冷的成本及制冷效率差异，客观的分析了半导体制冷的优缺点及在实际应用中的可行性。 [关键词]半导体制冷；压缩机制冷；制冷效率
中图分类号：T986 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）28-0208-01 1 半导体制冷原理
1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷；这个现象后来就被称为\帕尔帖效应\。\帕尔帖效应\的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。
所以，\半导体制冷\的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。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。直到本世纪五十年代，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，达到相当水平，才得到大规模的应用。80年代以后，半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高，进一步开发热电制冷的应用领域。 2半导体制冷的优点
2.1、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。
2.2、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。
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2.3、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。
2.4、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。
2.5、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。 2.6、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。
2.7、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。 3半导体制冷的应用
3.1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。 3.2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。
3.3、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。
3.4、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、通讯基站等。
3.5、日常生活方面：空调、车载冰箱、冷暖型无叶风扇、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。 （1）主要的特点
半导体制冷片的生产厂家很多，品种规格也各异。但半导体制冷器需要直流电源，如果制冷量大，需要较大电流，对电源要求较高。另外制冷片对散热也有一定的要求，一般最高工作温度不能超过80℃，为了达到较好效果，需要风扇或者水冷。 （2）半导体制冷电器
现在的半导体空调，基本以小型的便携式空调扇为主，比如手持式空调，宠物空调扇等等。在家用空调方面还是应用较少，只是有一些概念产品的出现，并没有达到量产，毕竟成本高，效率低。另外一些智能冷暖型净化风扇，其集成了多项功能于一体，也用到了半导体制冷
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功能。电信基站空调上很多用到半导体制冷器件，因为电信基站通常采用48V直流供电，需要使用专用的低压直流空调。而半导体制冷可以直接利用48V直流供电而省去了AC-DC的电源部分。
4 半导体制冷的局限性
虽然半导体制冷器有着许多的优点，应用的领域也越来越广，但也有着一些无法克服的局限性。比如在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率远远低于机械压缩机式冷冻机。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。另外关于供电电源方面，电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用市电的交流电源，就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的。所以半导体制冷在电池供电的系统领域使用较多。此外使用的电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未成熟，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。 5 总结
半导体制冷想要在冰箱和空调上替代传统的压缩机制冷，有着很大困难。其最大的原因就是其用作冰箱和空调的制冷器，效能很低，而成本异常的高。
用半导体制冷片做一台空调，制冷量3000W，而半导体的制冷效率一般为0.55，这样制冷片就需要5455W。假如我选择250W的大功率制冷片，总共需要22片，每片按照价格250元计算，则总共需要5500元，还不包括大面积的铝制散热器、冷却风扇、大功率的电源等等，把这些都加上，基本要7000元左右了。而这样制冷量的压缩机不会超过500元，空调整机就2500元左右。相比压缩机制冷空调，半导体空调的成本高出几倍了。另外还有很重要的一点，制冷空调的效能是1：3-4，而半导体制冷器是1：0.55，差距太大，对电能是一个极大的浪费，成本也太高。现在对于家电来说普遍讲究能效等级，半导体制冷用在空调上完全无法达到压缩机制冷的能效标准。
就目前来讲，半导体制冷技术大多都用作小型的制冷设备，用在特殊领域较多，比如激光器降温、CPU散热、实验恒温箱和基站空调等等。另外，在小型的民用制冷上也有应用，比如饮水机制冷、车载小冰箱、手持小空调扇等等。但在大功率制冷方面，受技术和成本的限制，还无法代替压缩机制冷。
随着人类科学技术的进步，材料的发展更是日新月异，相信新材料也将层出不穷，到时候可能会有更好性能的材料用在半导体制冷器上，极大地降低生产成本。另外随着核电技术的发展，电力资源不在缺乏，半导体制冷技术可能会有着很广泛的应用。