1、半导体制冷技术应用实例调研航天器热控技术sx1201155 王合旭摘要：制冷即为使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度并维持在规定低温状态的一门科学技术；它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。半导体制冷技术就是人们对制冷技术的一次有益探索：半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，与传统的制冷技术相比有独特的优势。半导体制冷技术的发展大致经历了温差电流现象和温度反常现象、热电发电和热电制冷进入工程实践、半导体的热电制冷的性能进一步开发热电制冷的应用领域三个阶段。半导体制冷推动了制冷技术的发展，解决了许多特殊场合的制冷难题，具有独特的优点。在信息、国防、工业、农业、商业、医
2、疗和日常生活等领域都获得广泛应用。关键词：半导体制冷、温差效应、技术特点、实例应用。Abstract: Refrigeration is a space or object temperature below the temperature of the surrounding environment and maintained at a low temperature state provisions of science and technology; it with people on low temperature conditions and the improvement of
3、social productivity and the development of. A beneficial exploration of the semiconductor refrigeration technology is one of the refrigeration technology: principle of semiconductor refrigeration device is based on the principle of the Parr post, there are unique advantages compared with traditional
4、 refrigeration technology. Development of semiconductor refrigeration technology has experienced thermoelectric current and temperature anomalies, thermoelectric refrigeration and power generation in engineering practice, the semiconductor thermoelectric refrigeration performance further development
5、 of the three stage of application of thermoelectric refrigeration. Semiconductor refrigeration promoted the development of refrigeration technology, solve the cooling problem in many special occasions, has unique advantages. Are widely used in industry, agriculture, national defense, information, b
6、usiness, medical and daily life .Keywords: Semiconductor refrigeration; temperature effect; technical characteristics; applications.目录一、 概述 .51. 引言 .52. 半导体温控的的研究及发展 .53. 调研内容 .5二、 半导体制冷技术原理 .5三、 半导体制冷特点 .7四、 半导体制冷的应用 .81、太阳能热电空调 .82、半导体热水器 .93、基于半导体制冷的消暑防护头盔 .104、其他应用 .12五、 总结展望 .12一、 概述1. 引言半导体制冷亦
7、称热电制冷，是利用特种半导体材料构成的 PN 结，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 的元件对数来决定的。半导体制冷器件不需要任何制冷剂，可连续工作，无污染，即能制冷又能制热；并且半导体制冷片是电流转换型器件，通过对输入电流的控制即可实现高精度的温度控制。如今的半导体制冷技术发展，在各行各业有着广泛的应用。2. 半导体温控的的研究及发展温度是工业生产中的重要参数之一，温度检测和控制的准确性直接影响产品的生产。在很
8、多仪器仪表工业中对温度的要求非常严格，而较高精度的恒温系统是仪表仪器的工作保障。基于现在的仪器趋于小型化,便携化的发展方向,小型化温控系统的研究意义明显。中国早在 50 年代末 60 年代初，就开始了半导体制冷技术的研究工作；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片技术发展的一个台阶：在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了现在的半导体制冷片在温控系统方面的应用。控制器件采用半导体制冷器，使得小型温控系统达到了较高的要求,为解决温度控制
9、提供了良好的基础。 3. 调研内容 本文基于半导体制冷原理及特点展开内容，进而对几例半导体制冷应用做出调研，最后做展望总结。二、 半导体制冷技术原理半导体制冷又称为温差电制冷或热电制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势： U -结 点 1T结 点 2T+ 导 体 a导 体 b图 1 赛贝克效应示意图图中U 是温差电动势，它
10、的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率） ，其值为 /abT式中T 为两结点间的温差；每种材料都有固定的赛贝克系数，若用 和 表示这两种材料的赛贝克系ab数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为： abb珀尔帖效应：当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的制冷效果： 吸 热放 热 放 热电 流 方 向 电 流 方 向图 2 半导体制冷示意图N 型元件的载流子是电子，P 型元件的载流子是空穴。当温差电偶的 N 型元件接入直流电
11、正极，P 型元件接入负极时，N 型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样 P 型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。汤姆逊效应：当电流通过有温度梯度的导体时，导体和周围环境之间则会发生能量交换，这种效应只涉及一种材料。图 3 汤姆逊效应示意图焦耳效应：单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。 2QRI富里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度
12、的乘积成正比。 ST三、 半导体制冷特点与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷是靠电子(空穴)在运动中直接传递热量来实现的，因而有如下优点：低 温 端 高 温 端电 流吸 热低 温 端 高 温 端电 流 放 热1、它没有压缩机和介质管道等机械制冷环节，无机械传动部件，结构简单，没有机械磨损，因此它无噪声、冷熟转换快、操作简单、可靠性高、寿命长，能在任意位置中正常工作；2、它无任何化学制冷剂，不会释放任何其他有害物质，因此无环境污染；3、它是固体化电子器件，热电对可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变，占有空间小，可小型化、微型化4、通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控
13、制灵活，调节电压或电流时，易于实现高精度的温控，即使频繁通断电，也不影响工作质量和使用寿命。而调研现有的半导体制冷产品，主要采用半导体材料有二元 Bi2Te3 Sb2Te3和 Bi2Te3Bi 2Se3固溶体、三元 Bi2Te3 Sb2Te3Sb 2Se3固溶体、P 型Ag(1-x)Cu(x)TiTe 材料、N 型 BiSb 合金材料 、YBaCuO 超导材料等，半导体制冷产品具有特点如下：1、利用特种半导体材料组成 PN 结进行制冷(或制热)，体积小、重量轻、寿命长、无噪音。 2、无机械运动、制冷迅速，便于组成各种结构、形状的制冷器。3、制冷量可在 mw 级、kw 级变化，制冷温差可达 20
14、150范围。 4、由于无气体工质，不会污染环境，是一种真正的绿色制冷器。四、 半导体制冷的应用1、太阳能热电空调大型热电空调 大型热电制冷空调一般是指制冷量在 1kW 以上的装置，主要应用于潜艇、舰艇和列车上，据相关文献报道目前最大制冷量超过 30 kW。潜艇、舰艇的热电制冷空调主要是单元组合式，各单元可独立运行，热端与海水或淡水进行热交换，冷端与舱室内的空气进行充分的换热，平稳运行时制冷 COP 可达1.12.1。上海交通大学研制的 BK-1.5 型热电空调器，由热电堆、循环水泵、海水冷却器、通风机、翅片和控制箱等组成，已成功用在潜水器上。热电制冷空调也成功应用于列车上。美国某列车热电制冷空
15、调系统的制冷功率17kW，COP 约为 0.7，同时也能够用于制热。另有人开发了一套利用太阳能热电技术的汽车内空气调节系统，该系统冷端散热器直接冷却送风气流，而热端采用水循环散热：在 38的环境温度下，制冷功率 4.01 kW，COP 为 0.42；如果天气晴朗，车顶的太阳能电池可使空调 COP 提高 2%。 小型热电空调 小型热电空调的制冷量一般在 1kW 以内，主要采用陶瓷绝热制冷模块和散热器结合的模式。调研有一种通过热虹吸管进行强化散热的新型热电制冷货车驾驶室空调装置，该装置采用热电材料优值系数为 2.010-3K-1的商业单级热电制冷模块，利用汽车行驶时的压差引导气流，采用大流量、小温
16、差、前上位送风，COP 值为 0.510.79。另有新型系统将太阳能薄膜电池与建筑采光相结合，作为热电空调的辅助能量设备， 能够同时实现冬夏两季的采暖和制冷， 其制冷系数夏季能够达到 0.846。其结构如图 4 所示：图 4、太阳能热电空调系统结构图2、半导体热水器半导体空调热水器是基于以半导体制冷块作为核心，利用半导体制冷块的热端制热作热水器，冷端制冷作空调降温的构想来实施的。半导体制冷块夏天使用时，其制冷效率可达 1.5，而冬天使用时其致热效率可达 1.8。调研方案选用的制冷器为 TEC112705 型，为了达到比较好的效果，共使用 10 片半导体制冷块。半导体制冷块通电后一面制热，一面制
17、冷，把半导体制冷块用于制冷，关键是做好产热端的散热，才能保证冷端温度尽可能低。制冷块在额定工作条件下，冷热的两面最大温差60。热端在理想散热条件下温度假设为 30，则冷端在空载的情况下可达30。为了不向室外排热，采用水冷装置用于半导体制冷块热端的散热。如下图示为半导体热水器原理图：图 5、原理框图图 6、热水箱的布置机柜内的热水箱是循环水箱，水箱之间以软管相连用于水循环，小水箱设进水管引进自来水，因此小水箱上共有三个水阀，分别用于控制水的循环及冷水的补充。冷媒箱到冷凝器、冷凝器到冷泵、冷泵到冷媒箱的连接构成了冷媒的循环，同样采用简单的软管连接。图 7、电源供应每块半导体制冷块安装前均要检测是否
18、能够制冷，需注意热端没有接散热片的情况下不能通电。半导体制冷块按 1、3、5、7、9 和 2、4、6、8、10 的规律分成两组，每组各由 1 台 12V30A 开关电源供电。先给开关电源接 1 只白炽灯作假负载，将输出电压调到 10V，然后才能串接 30A 直流电流表和制冷块。分组给制冷块通电，每组电流应该在 15A 左右（每块制冷块在 10V 电压下电流约为 3A） 。 3、基于半导体制冷的消暑防护头盔考虑到半导体制冷所拥有的微型化、小型化的特点，在个体防护设备如衣着鞋帽中应用半导体制冷技术是可行的。本次调研的一种实用新型专利，其设计头盔结构如下图示：图 8、一种自动调节温度的头盔设计包括帽
19、壳体、制冷器、太阳能电池板、电源装置，其中制冷器设置在壳体上，制冷器由半导体制冷片、散热片、导冷块、风扇组成。制冷片的热端连接散热片，散热片外设散热风扇；冷段连接导冷块，导冷块外设冷气风扇，与帽体内壁冷气导管连接相通，以输送冷气。帽壳体顶部外壁设有太阳能电池板，接有热传感器，而太阳能电池板、热传感器、制冷器都与外接电源装置相连。基于此设计，目标在于提供头盔内部凉爽低温及防护。如下图示为头盔俯视图，包括风扇及导冷块的布置示意：图 9、俯视图示4、其他应用基于半导体制冷技术的特点，其在日常生活、医疗保健、军事、工农业都有着广泛应用：1） 日常生活领域：自制电子元件冷却装置，如使用在电脑 CPU 上
20、的半导体制冷片：2） 医疗领域：应用于活体细胞切片的冷冻切片机，刀片的可控低温由半导体技术来实现；3） 实验设备恒温金属浴：用来恒温储存样品、酶类、核酸和蛋白质的设备，应用半导体制冷技术来维持可控恒温；4） 军事领域：半导体制冷片被广泛的应用于冷却红外探头、激光发射器等军事设备用品。五、 总结展望半导体制冷技术室上世纪五十年代发展起来的新兴技术，由于其无可比拟的特点，已发展为与机械式制冷、吸收式制冷并肩的当今世界主流制冷技术之一。但其在制冷方面的不足也是显见的，即由于制冷器件的特性，半导体制冷技术的制冷量不大，而基于这点考虑，半导体制冷器的发展方向则在于，寻求热电效应优值系数更高的半导体材料来
21、满足工业生产所需求的制冷量。参考文献：1 NunneleySA, StribleyRF.Fighter index of thermal stress(FITS):guidance for hot weather aircraftoperationsJ. Aviat Space EnvironMed, 1979, 50：639-642.2 MARCEL LACROIX. Study of the heat transfer behavor of a latent heat thermal energy storage unit with a finned tubeJ. Heat and Mas
22、s Transfer, 1993, 36：2083-2092.3 吴业正. 制冷原理及设备（第二版）M. 西安：西安交通大学出版社，1997.4 徐德胜，刘贻苓，何颋文. 半导体制冷和应用技术（第二版）M. 上海：上海交通大学出版社，1999.5 罗清海，汤广发，李涛. 半导体制冷空调的应用与发展前景J. 制冷与空调，2005，12：5-9.6 汤广发，罗清海，张郁林等. 热电汽车空调装置. 中国专利，ZL02224371. 2，2003.7 张鸣，虞维平. 新型太阳能热电空调的研究J. 山西能源与节能，2008，1.8 高登山. 半导体凉席的理论研究J. 制冷与空调，2006，4：14-16.9 B.C.Sales, D.Mandrus, R.K.Williams. Filled Skutterudite Antimonides: A New Class of Thermoelectric MaterialsJ. Science, 1996, 272：1325-1328.
