賈艷婷，徐昌貴，閆獻國，田志峰

（1.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024；2.北京工商大學機械工程學院，北京 010000；3.中國電子科技集團第二研究所，山西太原 030024）

1 前 言

中國是一個能耗大國，如何能降低能耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究和開發(fā)具有環(huán)境友好型的技術就成為一種必須。半導體制冷作為一種新興發(fā)展起來的制冷技術，是一種具有良好前景的制冷方式。由于半導體制冷具有清潔、無噪音污染和有害物質排放、壽命長、堅固、可靠性高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，符合綠色環(huán)保要求，對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。

半導體制冷與其他的制冷方式相比有其優(yōu)點：

（1）沒有機械制冷的運動部件，從而沒有振動和噪聲，也就不用擔心液擊和磨損。所以工作可靠，維護操作簡便。

（2）不使用制冷劑，所以不存在配套制冷管路制冷劑泄漏和對環(huán)境污染問題。

（3）冷熱轉換方便，只要使電流反向，制冷工況就變成熱泵工況。這種變換效能比任何機械式制冷都要方便和可靠，而且熱泵制熱效率比電熱器高。

（4）其制冷器件可以做成各種形狀，以適應不同特殊場合的要求。

（5）半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但效率不會因為冷量小而降低。通過串、并聯(lián)的方法將同類型電堆組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做得很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

（6）能量調節(jié)性能好。調節(jié)工作電壓或電流就可調節(jié)制冷量。能量調節(jié)對效率基本沒有影響，而且通過溫度檢測和控制手段容易做到高精度調節(jié)。

（7）半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。

總之，由于其結構緊湊，體積小，可靠性強，制冷迅速，操作簡單，容易實現(xiàn)高精度的溫度控制，無環(huán)境污染等優(yōu)點，半導體制冷的應用范圍滲透到各個行業(yè)，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場合，更有其優(yōu)越性，甚至在某些方面，有著壓縮式無法替代的能力。在日常生活方面，應用于空調、冷熱兩用冰箱、飲水機等，在實驗室裝置方面應用于冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。在醫(yī)療方面應用于冷理、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。在軍事方面應用于導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導航系統(tǒng)。在專用裝置方面，石油產(chǎn)品低溫測試儀、生化產(chǎn)品低溫測試儀、細菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。但由于半導體制冷的效率比較低，再加上加工制造工藝比較復雜，在很大程度上限制了半導體制冷的推廣和應用[2-4]。

2 半導體制冷的工作原理

熱電制冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。半導體制冷是建立于塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的制冷新技術。其中，塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應是熱的不可逆效應。

（1）塞貝克效應，1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導體組成閉合回路中，當兩個連接點溫度不同時（T1＜T2），導體回路就會產(chǎn)生電動勢（電流）。

（2）珀爾帖效應，珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。由兩種不同材料構成回路時，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

（3）湯姆遜效應，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環(huán)境之間將進行能量交換。

（4）焦耳效應，單位時間內由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導體電阻和電流平方的乘積。

（5）傅立葉效應，單位時間內經(jīng)過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

半導體制冷原理：

半導體制冷是利用半導體材料組成P-N結，通過兩端施加直流電進行制冷，將電能直接轉化為熱能的技術。

載流子從一種材料遷移到另一種材料形成電流，而每種材料載流子的勢能不同。因此，為了滿足能量守恒的要求，載流子通過結點時，必然與其周圍環(huán)境進行能量的交換。能級的改變是現(xiàn)象的本質，這使構成制冷系統(tǒng)成為可能。

圖1 半導體制冷工作原理

如圖1把一只P型半導體元件和一只N型半導體元件聯(lián)結成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量轉移。在上面的接頭處，電流方向是N→P，溫度下降并吸熱，這就是冷端。而在下面的接頭處，電流方向是P→N，溫度上升并放熱，因此是熱端。

3 半導體制冷技術研究現(xiàn)狀

半導體制冷一直是半導體工業(yè)和材料工業(yè)領域的主要研究對象，由于其材料、工藝和其他條件的限制，致使半導體制冷技術的整體設備技術性能還不能與機械式制冷相抗衡。研究者們已經(jīng)做了許多的工作，并且取得了很大的成果。

經(jīng)過對參考文獻的分析和總結，影響半導體制冷的主要因素包括：半導體制冷理論、半導體材料、結構設計和傳熱方式四方面的內容。

3.1 半導體制冷理論

G.Min和D.M.Rowe將金屬半導體界面視為簡單的費米氣體、固體界面，從機理上探討了帕爾貼效應和塞貝克效應的微觀本質[5]性能組合優(yōu)化設計。吳兆琳等[6]經(jīng)實測給出了半導體制冷的最佳化設計。楊玉順等[7]分析了熱電循環(huán)中獲得最大制冷量、最大制冷溫差和最大制冷系數(shù)的條件，并給出了兩種不同設計方法的最佳特性參數(shù)選擇的原則。陳振林和孫中全按照最大工作效率對半導體多級制冷的基本公式進行了理論推導[8]，陳振林等[9]對多級制冷器的相關公式進行了推導，并提出了關于多級半導體制冷器的一些重要結論。Kenichi等[10]提出了修正的Ioffe理論，并對穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬方法作了闡述。J.G.Stockholm等[11]通過建立數(shù)學模型，從熱力學和傳熱學角度對半導體制冷過程作了深入的理論討論，并研究了電流、空氣流量、熱電材料厚度及特性對制冷性能的影響。在實驗和實際中，總結出散熱量等于其制冷量與輸入功率之和，散熱問題對制冷效率的提高起到至關重要的作用，熱端溫度越高，冷熱端溫差越大，其制冷量越小，效率越低的特點。從文獻研究來看，半導體制冷技術的理論研究基本成熟。

3.2 半導體材料

隨著半導體物理學的發(fā)展，前蘇聯(lián)科學院半導體研究所約飛院士發(fā)現(xiàn)摻雜的半導體材料[12]，有良好的發(fā)電和制冷性能。這一發(fā)現(xiàn)引起學者們對熱電現(xiàn)象的重視，開啟了半導體材料的新篇章，各國的研究學者均致力于尋找新的半導體材料。近年來，為了在現(xiàn)有材料的條件下不斷提高半導體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)就成為了主攻的方向[13-27]。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半導體材料系數(shù)2.4[28]。但這種材料價格過于昂貴，目前還在研究階段，還沒有進入家電領域，但其理論和技術為研究新的高優(yōu)值半導體指明了新方向，在不久將來可能會取得重大進展[29]。目前世界上大多數(shù)的半導體材料的無量綱值在1左右，還遠小于由固體理論模型和較為實際的數(shù)據(jù)計算所得的上限4，故對材料領域的研究仍有很長的路要走，這是半導體制冷技術能否取得突破的關鍵所在[30]。而Boff等提出，半導體制冷系數(shù)提高到2.0以上，則其優(yōu)值系數(shù)需提高到13×10-3K-1的水平。但是，至今世界主要國家研究的半導體制冷元件的優(yōu)值系數(shù)仍不理想，如：美國RCA實驗室Jiml[31]研究結果為 ZP≈3.4×10-3K-1；Z≈3.2×10-3K-1n。英國通用電氣公司GoldCffodl[32]研究的ZP≈3.3×10-3K-1；Z≈3.0×10-3K-1n。BaMin.G，D M Rowe和Kontostavlakis K等還探討了在大溫差下材料優(yōu)值系數(shù)的變化問題[33]。

宜向春、蔡德坡和吳雄等在考察半導體制冷材料發(fā)展的基礎上，詳細分析了影響半導體材料優(yōu)值系數(shù)的幾個因素，并對幾種半導體材料的性質作了詳細說明，對未來半導體材料的發(fā)展作了有益的探索[34-41]。優(yōu)值系數(shù)的研究有，Mole[31]等認為，減少聲子傳導率，即可大大提高半導體制冷堆的優(yōu)值系數(shù)。半導體材料的優(yōu)值系數(shù)除與電極材料有關，也與電極的截面和長度有關，不同電阻率和導熱率的電極應有不同的幾何尺寸，只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最大優(yōu)值系數(shù)的半導體制冷器[13，42-46]。

3.3 結構設計

包括改進半導體制冷器的制造工藝過程、設計外部換熱方式、優(yōu)化內部熱電偶結構以及整體熱電器件結構這幾個方面?？梢酝ㄟ^優(yōu)化設計半導體制冷模塊，減小半導體制冷模塊的理想性能系數(shù)和實際性能系數(shù)間的差值，提高半導體制冷器的實際制冷性能[47]。M.Yamanashi提出了半導體制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計的新方法[48]，Taylor[49]建立了半導體制冷設備非穩(wěn)態(tài)溫度場的簡單模型。Xuan[50]對多級半導體制冷器作了闡述，認為分離的電流不僅能提供大的制冷能力，而且有更高的制冷系數(shù)。王宏杰和陳金燦對耦合半導體制冷系統(tǒng)性能特性進行了優(yōu)化分析，導出了多級制冷最大制冷系數(shù)和制冷率的公式，最大工作電流的范圍和兩級半導體元件的最佳比的取值范圍。文獻 [51]提出加工工藝對半導體制冷的影響因素有：附加傳熱溫差、焊縫電阻、散熱交換和原件性能。

3.4 傳熱方式

由于半導體制冷的散熱量等于其制冷量和輸入功率之和，因此半導體制冷熱端散熱效果是影響半導體制冷性能的重要因素[52-60]。國內外學者在文獻[59]～[63]中提出，采用各類強化散熱方式可以提高制冷效率，有空氣自然對流散熱、強迫對流散熱、水冷散熱、相變沸騰換熱等方式，均可以收到良好的效果。由于散熱方式的選擇在半導體制冷的設計中很重要，所以選擇何種方式應綜合考慮半導體制冷器的用途及散熱效率。李茂德[54]討論了散熱強度對制冷器的影響分析；任欣[64]給出了半導體制冷器在有限的熱端散熱強度下不同制冷工況的試驗研究，并推導出最佳工況下半導體制冷器的工作電流和制冷量的近似公式；殷亮[65]對半導體制冷器進行了瞬態(tài)的數(shù)值計算以及冷端溫度的分析；李茂德[66]用有限差分建立的半導體制冷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)溫度場的傳熱模型及王華軍對低溫半導體熱電堆內部溫度分布進行了動態(tài)特性分析。有學者[51-52，67-70]對半導體制冷過程中散熱強度對制冷性能的影響作了比較詳細的分析研究，并認為適當提高散熱強度可以改善半導體制冷的制冷性能，但是不能無限制地通過提高散熱強度來提高其制冷性能。

通過研究半導體制冷的影響因素，在研究過程中，總結出的研究方法有：理論研究，計算分析，實驗，對比分析。通過對半導體以及半導體制冷的原理研究，可以提供理論基礎，從中得到的計算公式可以得出理論最優(yōu)值，為以后的工作奠定了基礎和方向。然后對具體的工況進行實驗，可以找到其中的內在聯(lián)系和相互影響，并且修正之前的理論。最終進行系統(tǒng)的綜合分析和研究，得到相應的結論，指導生產(chǎn)實際和研究。

4 半導體制冷的熱點、難點及存在的主要問題

4.1 半導體制冷的熱點

通過上面的分析可以看出，近年來有關半導體制冷的研究得到了國內外學者的廣泛關注。其關注的研究對象包羅萬象，幾乎涉及到所有領域，如軍事、科學、航空航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生化和日常生活用品等。目前的研究水平還局限于半導體制冷的材料，最大制冷量和最大制冷效率，距離實現(xiàn)半導體制冷的廣泛應用還有較大差距。半導體制冷的材料和熱端散熱效果一直是半導體制冷的熱點和難點。目前，國內外學者對半導體制冷的研究主要集中在半導體材料研究開發(fā)、模塊設計制造和系統(tǒng)優(yōu)化設計等方面，這需要從原理上對半導體制冷進行分析。與此同時，半導體制冷的性能特性優(yōu)化和系統(tǒng)的散熱條件也是半導體制冷研究的熱點，通過研究半導體制冷優(yōu)值系數(shù)Z、半導體制冷器的制造工藝過程、設計外部換熱方式、優(yōu)化內部熱電偶結構以及整體半導體制冷器件結構，為半導體制冷成熟理論的提出和推廣應用提供一定的理論基礎。目前半導體制冷新理論和半導體制冷新技術也是各國關注的熱點研究課題，不斷開發(fā)研究新型半導體材料以及努力提高現(xiàn)有半導體材料的性能是目前和今后半導體材料研究的主要目標。

4.2 半導體制冷的難點

半導體制冷的研究涉及傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應，還要考慮多種因素如材料的優(yōu)值系數(shù)、半導體多級制冷、冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計等，同時影響半導體制冷的各種因素都是相輔相成的，不是獨立的。所以半導體制冷的研究一直是國內外學者關注的熱點，但也面臨諸多難點。

首先，半導體制冷材料性能的優(yōu)劣取決于其半導體制冷優(yōu)值系數(shù)Z。構成半導體制冷材料優(yōu)值系數(shù)的三個參數(shù)塞貝克系數(shù) （α）、電導率 （σ）和熱導率 （K）都是溫度的函數(shù)。與此同時，優(yōu)值系數(shù)又敏感地依賴于材料種類、組分、摻雜水平和結構。能適合半導體制冷的半導體材料不僅要混合地加入少量雜質改變它的溫差電動勢率、導熱率和導電率，而且還應該具有半導體本身特性，做到既要保持原來半導體的傳統(tǒng)半導體特性又要使它具有好的溫差電動勢率、導熱率和導電率存在較大的困難，所以，高優(yōu)值系數(shù)的研究一直是半導體制冷研究的難點問題。

其次，半導體制冷是一個參數(shù)多、工況變化復雜的過程，幾何結構參數(shù)、散熱傳熱等對其影響都很大，采用常規(guī)的針對性實驗方法難以滿足多種需要，并且在進行優(yōu)化設計的參數(shù)選擇時需要實驗對比不同工況從而選擇最優(yōu)方案。所以如何選擇和設計研究過程和方案就顯得重要，而整體分析又把問題變得復雜起來。

再次，根據(jù)傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應可知，半導體制冷過程中冷、熱端的溫度差對半導體制冷的熱量和冷量的傳遞有極大的影響，兩端換熱性能差，就會大幅度地減小同等功率下的制冷能力，若熱端散熱效果差，往往達不到設計要求。因而冷、熱端散熱也是半導體制冷的又一個困難：即如何強化冷、熱端散熱以及對制冷電堆冷、熱端散熱進行優(yōu)化設計和改進。

總而言之，半導體制冷的難點在于：高優(yōu)值系數(shù)的材料，復雜的多參數(shù)以及冷熱端散熱的設計。

4.3 半導體制冷當前存在的主要問題

雖然半導體制冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當前研究仍然呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國內外的學者從不同角度去提高半導體的制冷效率，展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢和實用性。但是半導體制冷的研究當前還存在以下問題。

（1）半導體制冷要想達到機械壓縮制冷相當?shù)闹评湫剩牧系膬?yōu)值系數(shù)就必須提高。然而，直到現(xiàn)在，科學家對半導體制冷材料的研究并未有很大突破。半導體制冷溫差較小和制冷系數(shù)不高是半導體制冷的最大缺點，而材料的優(yōu)值系數(shù)不高導致這些缺點從而是阻礙半導體制冷發(fā)展的最主要因素，因此半導體材料的性能即優(yōu)值系數(shù)Z還有待于進一步的提高。

（2）有關冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計的研究較少。這使得半導體制冷的設計多半處于理論計算階段，半導體制冷的實際運行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進行半導體制冷器模塊設計和系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究。

（3）相關領域的技術與手段的引用較少，材料的優(yōu)值系數(shù)的停滯影響了整個半導體制冷行業(yè)的發(fā)展，所以運用包括新理論和新技術來研究和完善就變得非常重要。半導體制冷也是一個交叉學科，需要不同方面的知識相互配合，共同進步。

（4）隨著科學技術的飛速發(fā)展，產(chǎn)品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越復雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導體多級制冷的優(yōu)化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導體熱電能量轉換問題就成為今后不斷努力研究的內容。

5 結束語

隨著科技的發(fā)展，半導體制冷技術已經(jīng)在諸多領域得到應用，半導體制冷技術為我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展和環(huán)境保護做出了巨大貢獻。在這浩瀚的研究成果中，著重通過對半導體制冷材料優(yōu)值系數(shù)的提高和半導體制冷器結構的優(yōu)化兩方面綜述國內外相關文獻所取得的成就。得出的結論：

（1）半導體制冷技術的理論研究基本成熟，但優(yōu)值系數(shù)Z低，在理論上有很大的發(fā)展空間，進一步研究和開發(fā)新材料，不斷提高其優(yōu)值系數(shù)將有廣闊的前景。

（2）在生產(chǎn)技術和工藝方面要多做實驗，有機地結合計算機輔助設計，對降低實驗成本、加速理論的完善和提高半導體的性能有很大的幫助。

（3）有關部門應集中力量聯(lián)合攻克重點難題，開展基礎實驗研究，防止盲目地進行重復性工作。

（4）在應用方面應熟悉各種使用狀況，在不同的領域，采用不同的研究方法，因為半導體制冷的運作過程受多因素的影響，最好采用系統(tǒng)分析和綜合分析的方法，尤其是對半導體制冷配套系統(tǒng)的研究也很重要，所以沒有最好，只有適用，在適用性下進行應用性研究，讓技術成為生產(chǎn)力。

只有半導體制冷材料的發(fā)展才能使得其理論得到應用，半導體與現(xiàn)代制造技術的結合，其應用范圍也會越來越廣。半導體制冷研究的熱點、難點以及存在的問題，為今后半導體制冷研究提供了可以借鑒的研究方向。

半導體制冷在世界日益發(fā)展的高科技領域中正越來越顯示出它的重要地位，主要是因為其制冷技術的特殊優(yōu)越性和不可替代性，但是其效率低一直是其軟肋，如果能有新材料的誕生將使一切美景成為現(xiàn)實。制冷器的發(fā)展趨勢是大功率和微小型，以及精確控制。我們應該結合實驗和產(chǎn)品，結合不同的使用環(huán)境，利用實驗和其他工具對半導體制冷原理及器件的工作過程有個直觀清晰的認識，了解其周圍的溫度場變化，這樣對于改進半導體及其布置都有幫助。同時，在實驗中總結規(guī)律，如熱端散熱的研究對半導體制冷的重要性。在研究中要綜合考慮，因為各種因素都是相輔相成的，不是獨立的。

在半導體制冷的應用中，由于使用范圍的不同，對其最佳性能有不同的要求，因而必須采用不同的設計方法，隨著使用要求的變化，也要進行相應的研究。不斷拓展半導體制冷的應用領域是加速發(fā)展的牽引力?？梢陨钚?，半導體制冷在未來將得到更廣泛的應用和很好的發(fā)展。

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