半导体制冷技术及应用

半导体制冷技术及应用 第 4 期 ( 总第 9 17 期 ) 机 械 工 程 与 自 动 化4 . 13 20 年 8 月 . 文章编 号 ? 03 ? 9 021 4 ?30130 412 6 672 1) ( : 半 导 体 制 冷 技 术 及 应 用 1 1 2 1 1 卢菡涵 , 刘志奇 , 昌贵 徐 , 侯云辉 , 刘振俊 1 ( . 太原 科技大 学 机 械工程 学院 , 山 西 太 原 024 30 0 ; 2 . 北 京工商 大学 机械工 程学院 , 北京 48 00 10 ) 摘要 : 半导体 制冷是一 种新型 的无污 染的制 冷方式 , 近年 来越来 越多的 学者来 研究半导 体制冷 的性能 , 以 提 其制 冷效率 高 。 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了 提高半 导体制 冷性能 的方法 以及半 导体制 冷技术 的主要 应用 。 从 材料 、 影响 因 素 、 工 况优化 、 提高 散热效率 以及主 要应用 5 个方 面来对 这些研 究进行 梳理 , 为 以后的 研究提 供参考 。 关键词 : 半导 体制冷 ; 制冷效 率 ; 制 冷工况 ; 散热 ; 应用 中图分 类号 :畅 4 9 305 文献 标识码 : 引言 因素 体制冷性能的主要 出了影响半导 仿真等手段得 。 早在 1834 年 , 帖就发现了帕尔 国物理学家帕尔 法 的影响 的传热系数 对效率 出半导体内部 潘玉灼指 1 [ ] 7 [ ] 应 帖效 : 当直流 电 通 过 两 种 不 同 导 电 材 料 构 成 的 回 大 很 , 系数很小时 当传热 , 效率很大 制冷 。 李茂 德 等 时 路 , 节点上将产 生 吸 热 或 放 热 的 现 象 。 帕 尔 帖 效 应 指出冷端负荷 、 半导体厚度 、 制冷效 输入电压等因素对 8 [ ] 发现 之 后 并 没 有 被 人 们 很 好 地 利 用 , 直 到 20 世 纪 率的不同影响 : 在 有 冷 端 负 荷 时 进 入 稳 态 的 时 间 比 50 代后 年 , 约飞 等 人 发 现 了23 、 、 等 温 空载时要短 ; 半导体 厚 度 越 大 , 稳 定 所 需 时 间 越 长 ; 电 2 [ ] 差 电 性 能 较 好 的 材 料 , 20 世 纪 70 年 代 增加越大 压 , 初始 时 温 度 变 化 越 快 。 毛 佳 妮 等 采 用 数0 5 8 .0 2 9 .0 9 4 .四 元 合 金 等 优 值 系 数 较 高 的 材 求解 值分析与解析相 结 合 的 方 法 , 综 合 讨 论 了 稳 态 条 3 [ ] 9 [ ] 与 件下冷端传冷 热 端 散 热 对 制 冷 性 能 的 影 响 : 当 系 料 成出来 被合 , 提高 电效应的效率得到 使得热 , 半 导 广泛 冷的应用越来越 体制 。 工作 统运行在较低电 流 区 域 时 , 增 强 冷 端 传 冷 强 度 对 的研究 半导体制冷技术 性能 提高系统制冷的 经 济 性 较 高 ; 当 系 统 稳 定 运 行 在 附近时 最佳工况区域 , 发 热端散热强度出 从增强 , 对进 有体积小 半导体制冷器具 、 动和噪声 没有振 、 不污 4 [ 5 ] , 势更突出 制冷性能的优 一步提高系统 。 境 染环 、 作用速度 快 、 精 度 高 、 易 于 控 制 等 优 点 , 但 在着制冷效率 低 也存 等 缺 点 , 因 此 众 多 学 者 就 致 力 于 12 . 况的研究 制冷工 的研究 半导体制冷效率 提高 。 过对半导体材料 有人通 却的工 对环境介质进行冷 制冷器的冷端 利用热电 6 [ ] 冷工况 况称为热电制 , 有最大效率工况 常见的 、 最大温 究 的研 , 提高半导体制 冷 片 本 身 的 优 值 系 数 ( = 2 σ / λ , 为 温 差 电 动 势 率 或 系 数 , σ 为 材 料 的 差工况 、 大制冷系数工况 制冷量工况和最 最大 , 许多学 电导 率 , λ 为 材 料 的 热 导 率 ) , 从 而 达 到 提 高 制 冷 效 率 做了研究 的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和优化 者对制冷工况 。 的 的目 。 响半导体制冷的 多人通过分析影 同时还有很 高远 、 玉思对 蒋最 大 效 率 和 最 大 温 差 工 况 进 行 了 1 [ 0 ] 参数 性能 , 冷工况 优化各制 , 散热效率等控制 提高热端 比较研究 : 在 相 同 的 负 载 、 温 差 、 散 热 条 件 下 , 按 最 来提高制冷效率 手段 , 制冷状态 使其工作在最佳 。 态设 效率工作状 大 计 时 , 效 率 高 、 耗 电 少 , 热 节 点 放 出 1 1 . 响因素的分析 半导体制冷影 的热量少 , 多 需要的制冷元件 但 ; 作状态 按最大温差工 析可知影响半导 冷性能的研究分 通过对半导体制 设计时 , 低 效率 、 耗电多 , 多 点放出的热量也 热节 , 但需 冷的各因素 体制 , 制方式 化对这些因素的控 优 , 就可以 少 要的制冷元件 、 省材料 。 茂德 李 、 导体制 卢希红对半 1 [ 1 ] 能 半导体制冷的性 提高 。 实验 学者们通过 、 数值分析 、 量和最大制 冷 冷的最大制冷 系 数 工 况 进 行 了 分 析 : 北 京 市 教 育 委 员 会 科 技 计 划 项 目 (2 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 7 ) ; 山 西 省 高 等 学 校 大 学 生 创 新 创 业 训 练 项 目 2 0 ( 1 2 2 5 1 ) 收 稿 日 期 : 2 ? 0 ? 1 3 0 1 2 1 ; 修 回 日 期 : 2 0 ? 1 ? 3 0 21 8 作 者 简 介 : 卢 菡 涵 1 9 ? ( 8) 7 , 女 , 河 南 平 顶 山 人 , 在 读 硕 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向 : 机 电 液 一 体 化 技 术 。机 械 工 程 与 自 动 化 3 201 年 第 4 期 2 2 01 [ 5 ] 同的 在相设 计 条 件 下 , 最 大 制 冷 量 工 况 , 制 冷 系 数 较 此得出 : 随着 散 热 强 度 的 不 断 增 强 , 热 电 制 冷 性 能 低 、 耗电较多 、 热较多 热端散 , 件较少 但所用元 、 体积较 逐渐提 高 , 后就趋于缓慢 然 。 从经济性考虑 , 导体制 半 小 、 制造成本较低 , 能 够 适 应 许 多 特 殊 场 合 的 要 求 , 对 端散 冷存在最佳热热 强 度 , 所 以 在 实 际 应 用 中 应 合 理 式野外冷热箱 等 便携 连 续 性 工 作 的 制 冷 器 , 通 常 采 用 统 进热端散热系 优化设计和改 。 设计方法 这种 , 相反 大制冷系数工况则 而最 。 但是不管采用哪 种 设 计 方 法 , 都 必 须 保 证 热 端 有 的散热效果 较好 。 若 散 热 效 果 不 好 , 势 必 会 引 起 热 端 ? ? 度 温升高 , 响温差 进而影 , 使 逐 渐 增 加 , 此 时 , 量都会下降 制冷系数和制冷 。 3 1 . 散热的研究 果将直接影响半 中热端散热的效 半导体制冷过程 的制冷性能 导体 , 时降下来 果热端温度不能及 如 , 则势 图 1 制冷 温度 、 冷端温 度 、 热端温 度与冷 端风扇 电压的 关系 将热 必会 量 传 给 冷 端 , 进 而 使 冷 端 的 制 冷 效 果 降 低 。 因此 , 热端散热很关 键 , 减 少 冷 、 热 端 温 差 是 提 高 半 导 法 冷性能的有效方 体制 。 的散热方式主要 半导体制冷 气自然对流散热 有空 、 热 空气强制对流散 、 水冷散热以 管传热等 及热 。 31 1 .. 式的比较 各种散热方 用空气的自然对 热是指散热器利 空气自然对流散 热量散到环 境 流把 中 去 。 空 气 强 制 对 流 散 热 , 是 指 在 对流散热的基 础 自然 上 , 在 散 热 片 的 端 部 安 装 轴 流 风 图 2 制 冷温度 、 冷 端温度 、 热端 温度与 热端冷 却水温 度的关 系 机 , 其对流换热系 数 远 高 于 自 然 对 流 换 热 。 水 冷 散 热 半导体制冷器 的 是在 热 端 连 接 一 个 冷 却 水 箱 , 通 过 冷 管中的水把热 端 却水 的 热 量 不 断 带 走 , 其 换 热 是 空 气 1 [ 2 ] 对流 自然散 热 的 100 倍 。 热 管 散 热 器 一 般 由 热 管 热片两部分构成 和散 , 的散热装置 它是一种高效率 , 依 变过程换热 靠相 , 很高 此热管的传热效率 因 。 式散热器的传热 了翅片式和热管 张建成分析比较 1 [ 3 ] 性能 , 得出采 用 热 管 式 散 热 器 的 优 点 : 只 要 有 扩 展 图 3 制冷 量随 散热强度 α 的变化 曲线 空间 , 加 积就可以成倍地增 冷侧的换热面 , 传热量也大 增 ; 流速度下 在相同的气流对 , 面积是翅片式的 其有效 近 4 倍 ; 热管式散热 器 与 制 冷 元 件 相 接 触 的 热 端 面 温 相应温度低得多 翅片式散热器的 度比 。 因此采用热管 热器制作的半 导 式散 体 制 冷 组 件 具 有 降 温 速 度 快 、 制 数大 冷系 、 的特点 耗电量小 。 32 1 .. 制冷效率的影响 散热强度对 张小松 、 张奕等 研 究 了 冷 端 和 热 端 传 热 对 冷 藏 箱 的影响 性能 。 通过试 验 及 计 算 , 分 析 了 冷 藏 箱 性 能 与 1 [ 4 ] 系 冷却水温度的关 风扇电压及热端 冷端 ( 见图 1 、 图 2 ) 。 冷端传热强化后 , 制冷温度及热端 、 冷端温度差降 低 , 制冷性能上升 。 低 热端冷却水温度降 , 制冷温度降 图 4 散热量和 输入功 率 随散热 强度 α 的变 化曲线 低 , 半导体的热端 、 端温度差减小 冷 , 行性能提高 运 。 冷的应用 半导体制 代伟通过对半导 体 制 冷 电 偶 对 进 行 传 热 分 析 , 得 导体 制 从出现半 冷 技 术 至 今 , 半 导 体 制 冷 材 料 有 制冷性能与热 端 到了 散 热 强 度 之 间 的 微 分 方 程 , 得 出 的突 了一次又一次破 , 半 导 体 制 冷 效 率 也 有 了 一 次 又 能影响的曲线 热强度对制冷性 了散 ( 图 见 3 、 图 4 ) 。 由 13 20 年 第 4 期 卢 菡涵 , 等 : 半导体 制冷技 术及应 用2 2 1参 考文献 : 的提 一次高 , 虽 然 仍 然 存 在 着 一 些 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 但 利 用 其 优 1 ] [ 徐德 胜 . 半 导 体 制 冷 与 应 用 技 术 [ ] . 上 海 : 上 海 交 通 大 点 , 常生活 可以为我们的日 、 等带来很大的方 科研军事 学出版社 9 99 1 . , 便 , 使得半导体制冷 技 术 在 当 今 世 界 具 有 越 来 越 重 要 2 ] [ 高 敏 , 张 景 韶 , . 温 差 电 转 换 及 其 应 用 [ ] . 北 位 的地 。 例如 : 红外探测器 科技和军事领域对 在高 、 激 京 : 兵 器工业 出版社 6 99 1 . , 和光电倍增管 等 光器 光 电 器 件 的 制 冷 , 利 用 半 导 体 制 3 [ ] .??体积小的特点 器 冷 , 使 用 方 便 ; 在 医 疗 领 域 中 , 半 导 体[ ] .72 19 , , 广泛 系统的应用更为 温控 , 功能研究 用于蛋白质 、 基因 523 8 1 1 ) ( :. 扩增 的 高 档 仪 、 电 泳 仪 及 半 导 体 制 冷 探 针 等 , 利 4 ] [ 谢玲 , 汤广发 . 半 导体制 冷 技 术 的 发 展 与 应 用 [ ] . 洁 净 与 导体制冷速度快 用半 、 无污染等特点 , 还可以制成低温 空调技术 71 ? 8 86 001 2 () . : , 5 ] [ .温箱 的恒 , 用来保存 血 浆 等 ; 在 现 代 测 温 技 术 中 , 热 电[ 8 1 ] // . 器 恒温 、 发使用 零点仪的开 , 制冷在测温技术 使半导体 [ . ][ : . . 306 ? 1 9930 19 ] . : , . 使用成为可能 上的 , 并得到了广泛应用 ; 在日常生活方 6 ] [ 刘华军 , 李来 风 . 半导体 热 电 制 冷 材 料 的 研 究 进 展 [ ] . 低 面 , 调 半导体制冷在空 、 冷热两用箱 、 水机 饮 、 电脑以及 温工程 38 ? 132 4 200 ) ( . : , 电器等设备中 都 其他 有 广 泛 的 应 用 , 为 我 们 的 日 常 生 7 ] [ 潘玉灼 . 半 导 体 制 冷 系 统 性 能 分 析 [ ] . 泉 州 师 范 学 院 学 来极大的方便 活带 。 报 51 ? 48 3 26 005 2 () . : , , 结论与展望 8 ] [ 李 茂德 , 殷亮 , 乐 伟 , 等 . 半导 体 制 冷 系 统 电 极 非 稳 态 温 度 随着半导体制冷 器 由 军 用 向 民 用 的 扩 大 , 加 之 节 场的数值 分析 [ ] . 同 济大学 学报 0 77 ? 7 76 326 04 20 ) ( . : , , 限制采用氟里 昂 能和 制 冷 剂 的 呼 声 提 高 , 对 半 导 体 制 9 ] [ 毛佳妮 , 申丽 梅 , 李爱博 , 等 . 半 导 体 制 冷 器 制 冷 性 能 的 综 的需求也会越 来 冷器 越 大 , 提 高 半 导 体 制 冷 的 效 率 也 合影响因 素探讨 及其优 化 设 计 分 析 [ ] . 流 体 机 械 10 20 , , 72 ? 68 8 7 3 () . : 更多的人关注 会被 , 提 高 半 导 体 制 冷 性 能 的 方 法 也 会 10 ] [ 高远 , 蒋 玉思 . 单 级 半 导 体 制 冷 器 设 计 中 常 用 公 式 的 推 越多 越来 , 率也会越高 其制冷效 , 将为半导体制冷 这必 导 [ ] . 广 东有色 金属学 报 35 1 ? 30 31 2 0031 2 () . : , , 阔的前景 的应用提供了广 技术 。 今后的研究工作 我们 11 ] [ 卢希 红 , 熊 丽 红 , 李 茂 德 , 等 . 半 导 体 制 冷 技 术 的 研 究 与 着手 从以下几方面来 可以 ? : 发明和发现 新材料的 , 仍 发展 [ ] . 能源研 究与信 息 47 ? 1 44 4 9981 1 () . : , , 影响半导体制 冷 然是 至 关 重 要 的 技 术 因 素 , 热 电 材 料 12 ] [ 胡韩 莹 , 朱 东 生 . 热 电 制 冷 技 术 的 研 究 进 展 与 评 述 [ ] . 1 [ 6 ] 取 的制 、 焊接 工 艺 还 要 努 力 提 高 ? ; 提 高 半 导 体 温 制冷 学报 7 ? 1 295 08 20 ) ( . : : , , 制精度 度控 , 如何确 定 一 定 条 件 下 热 电 堆 的 最 佳 工 作 13 ] [ 张建 成 . 半导体 制冷的 热 管 式 散 热 器 传 热 研 究 [ ] . 东 南 是影响半导体 制 参数 冷 的 又 一 重 要 因 素 , 该 问 题 在 后 大学 学报 1 4 ? 38 305 00 20 ) ( . : , , 步研究 作中有待于进一 续工 ? ; 高能源利用率 为了提 , 14 ] [ 张奕 , 张 小松 , 胡洪 , 等 . 冷 / 热 端 散 热 对 半 导 体 冷 藏 箱 性 半导体制冷器 的 在对 产 冷 量 进 行 利 用 的 同 时 , 如 何 对 能的 影响 [ ] . 江 苏大学 学报 6 4 ? 43 1 0829 20 () . : , , 15 ] [ 代伟 . 半 导体制 冷散热 强 度 对 制 冷 性 能 的 影 响 [ ] . 制 冷 端所散的热量 也 其热 加 以 利 用 , 可 以 作 为 今 后 研 究 的 与空 调 27 ? 5 2 223 08 20 ) ( . : , , 方向 一个 。 16 ] [ 何燕 , 聂 宏飞 , 张洪 兴 . 半 导 体 制 冷 研 究 概 述 [ ] . 科 技 创 新导 报 54 ? 3 245 09 20 ) ( . : , 1 1 2 1 1?, ? , ?, ? , ?1 ( ., , 0 3 0 0 2 4 ,2 ; .,, 1 0 0 0 4 8 ,):? . ,,. , .: , ,, ,. : ; ; ;;