劉興龍，馬雪峰

（武威職業(yè)學(xué)院 甘肅 武威 733000）

1 引言

科研人員進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，最終獲得了當(dāng)前基于半導(dǎo)體制冷的技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體制冷使用的溫差冷卻效果，珀?duì)柼?yīng)是相匹配的，因此半導(dǎo)體制冷也稱為溫差冷卻。相較于傳統(tǒng)的制冷技術(shù)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)不需要應(yīng)用大量制冷劑和相關(guān)制冷設(shè)備。另外，在整個(gè)制冷過(guò)程中不易引起噪聲和振動(dòng)，所以不會(huì)輕易對(duì)周?chē)巳旱恼Ｈ粘Ｉ町a(chǎn)生不利影響，應(yīng)用市場(chǎng)前景十分廣闊。

2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理

半導(dǎo)體制冷設(shè)備是由具有高效率和良好熱電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料熱阻組成的。如圖1所示，由N型半導(dǎo)體組件和P型半導(dǎo)體組件組成的熱敏電阻在插入后會(huì)在接頭處引起熱傳遞和溫差。對(duì)于N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是自由電荷，類似于金屬材料地價(jià)電子；對(duì)于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是空穴的P型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，它與自由電子的電荷數(shù)量一致。所以，上接頭為冷端，為吸熱反應(yīng)，溫度降低，電流方向?yàn)閺腘到P；下接頭是熱端，為放熱反應(yīng)，溫度升高，電流方向?yàn)镻到N。其次，依靠各種熱傳導(dǎo)方法（例如熱交換器）使熱電堆的熱端繼續(xù)散發(fā)熱量并維持一定的溫度，然后將熱電堆的冷端放入工作環(huán)境中，以持續(xù)發(fā)生吸熱反應(yīng)并降低溫度。這是半導(dǎo)體制冷的工作原理[1]。如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體制冷工作原理

3 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展

半導(dǎo)體器件的品質(zhì)因數(shù)指數(shù)Z表示熱電材料的特性，它決定了制冷組件可以實(shí)現(xiàn)的較大溫差。品質(zhì)因數(shù)越高，冷卻特性越好，效率越高。1960年代中后期，優(yōu)點(diǎn)指數(shù)達(dá)到最高水平：P型半導(dǎo)體制冷原料的優(yōu)點(diǎn)指數(shù)Z為3.5×103I/K, N型半導(dǎo)體原材料的優(yōu)點(diǎn)指數(shù)Z為（3～3.2）×103I/K。

為了更廣泛地使用半導(dǎo)體制冷，必須提高制冷原材料的水平，即品質(zhì)因數(shù)Z。如果要將半導(dǎo)體制冷的高效率與機(jī)械壓縮制冷設(shè)備相比較，品質(zhì)因數(shù)Z必須從3.5×103I/K增加到13×103I/K。然而，到目前為止，半導(dǎo)體器件的品質(zhì)因數(shù)還沒(méi)有太大改善。因此，未來(lái)的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)還應(yīng)該集中在提高制冷原料的優(yōu)良指標(biāo)上。

此外，半導(dǎo)體制冷熱端的排熱效果不好會(huì)阻礙半導(dǎo)體制冷作用的發(fā)揮。據(jù)第一熱力學(xué)定律解釋，只有當(dāng)熱端被連續(xù)排出且溫度保持在一定位置時(shí)，冷端才能繼續(xù)被冷卻。熱端散熱的實(shí)際效果將直接影響制冷器的制冷能力和冷卻效率。因此，熱端排熱方法的選擇對(duì)于制冷電堆非常重要。半導(dǎo)體制冷具有以下類型的排熱方法：空氣自然對(duì)流，空氣強(qiáng)制熱對(duì)流，接觸熱傳遞，熱傳導(dǎo)變化或高熱容物質(zhì)的吸熱反應(yīng)，散熱器管的熱傳遞和液體循環(huán)系統(tǒng)制冷。在具體應(yīng)用中，必須根據(jù)半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，并且進(jìn)行熱端散熱系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，保障熱端良好的散熱狀態(tài)[2]。

4 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點(diǎn)

新型環(huán)保電子設(shè)備制冷的關(guān)鍵部件均選自具有高質(zhì)量特性的半導(dǎo)體制冷材料。

P_Bi2Te3.Sb2Te3, N-Bi2Te3.Bi2Se3準(zhǔn)三元合金具有性能良好的品質(zhì)因數(shù)：在半導(dǎo)體制冷與換熱器方面均取得了顯著應(yīng)用效果，且半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率提高了50%以上，產(chǎn)品能耗較低。溫度可根據(jù)不同地點(diǎn)，不同情況自行調(diào)節(jié)，無(wú)需制冷劑，具有環(huán)保、節(jié)能、方便快捷的作用。這種半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

（1）使用特殊的半導(dǎo)體器件形成PN結(jié)，以進(jìn)行冷卻（或加熱），體積較小，重量較輕，且壽命長(zhǎng)無(wú)噪音影響。

（2）沒(méi)有分子的熱運(yùn)動(dòng)，快速冷卻，便于形成各種結(jié)構(gòu)和形狀的制冷器。

（3）空調(diào)的制冷量可以達(dá)到mw級(jí)。千瓦級(jí)轉(zhuǎn)換，冷卻溫差達(dá)到20～150℃。

（4）因?yàn)闆](méi)有蒸汽參數(shù)，所以不會(huì)造成環(huán)境污染，是一臺(tái)真正的綠色節(jié)能的制冷器。新型環(huán)保制冷的關(guān)鍵部件是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品，深度契合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保理念。它不需要使用制冷壓縮機(jī)與，氟利昂，該產(chǎn)品已通過(guò)測(cè)試，其優(yōu)異指數(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直達(dá)到5.6，遠(yuǎn)高于同行業(yè)產(chǎn)品的優(yōu)值3。

半導(dǎo)體制冷具有很多優(yōu)點(diǎn)并且被廣泛使用，所以可以滿足不同場(chǎng)合、不同人群的需求。因此，在現(xiàn)階段，它在制冷領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，有著非常廣闊的市場(chǎng)前景。

5 半導(dǎo)體制冷技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷帶動(dòng)了制冷技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)，并解決了許多關(guān)于制冷的難題，具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。如今，制冷技術(shù)不僅用于家用電器行業(yè)的冰箱，中小型旅游家用冰箱，冷熱立式飲水機(jī)，中央空調(diào)和其他電器產(chǎn)品中；它也可以用于超低溫醫(yī)療設(shè)備（冰帽，冰墊，冰刀，白內(nèi)障摘除器）。除了在治療行業(yè)以及生活行業(yè)中使用半導(dǎo)體制冷技術(shù)外，它還可以用于農(nóng)業(yè)[3]。

5.1 醫(yī)療領(lǐng)域

半導(dǎo)體制冷設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域。醫(yī)療熱電冷卻裝置中有多種形式的制冷設(shè)備，例如固定式冰箱，移動(dòng)式冷凍機(jī)，血細(xì)胞分析儀，甘精胰島素冷藏設(shè)備和用于存儲(chǔ)生物組織的實(shí)驗(yàn)儀器。在生物醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域中，半導(dǎo)體制冷設(shè)備的制冷速度更快，效率更高，可以減少制冷時(shí)間，提高工作效率。且操作容易，方法簡(jiǎn)單，對(duì)人體沒(méi)有不良反應(yīng)，可以儲(chǔ)存各種人體器官和生物組織，從而使生物細(xì)胞可以充分發(fā)揮必要的診斷和醫(yī)療研發(fā)的作用。半導(dǎo)體制冷在臨床治療中的應(yīng)用更為常見(jiàn)。

5.2 生活領(lǐng)域

半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有環(huán)保無(wú)氣味，體積小，壽命長(zhǎng)，冷熱轉(zhuǎn)化速率快，易于操作等優(yōu)勢(shì)，如今半導(dǎo)體制冷技術(shù)已被用于中小型冷凍機(jī)的研發(fā)，例如便攜式的車(chē)載空調(diào)，酒店使用的小型冰箱，半導(dǎo)體空調(diào)的特征在于它不需要制冷劑并且噪音低，通過(guò)改變直流電流的方向，可以實(shí)現(xiàn)從冷卻到加熱運(yùn)行。因此，它適用于獨(dú)特環(huán)境中的空調(diào)，例如不允許制冷劑泄漏的潛水艇，電子通信車(chē)輛等。半導(dǎo)體制冷的恒溫器具有體積小，溫度控制精度高的特點(diǎn)，可用于要求較為精密的儀表測(cè)試設(shè)備。例如，以半導(dǎo)體零點(diǎn)儀器與半導(dǎo)體恒溫水浴為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，精確測(cè)量半導(dǎo)體材料的熱電堆，溫度線性度可達(dá)到0.01K。

具有半導(dǎo)體制冷的立式飲水機(jī)的特點(diǎn)是不需要制冷劑，制冷單元結(jié)構(gòu)緊湊，適用于不允許制冷劑泄漏的應(yīng)用，并且所需的制冷器重量更輕，尺寸更小，例如在空客飛機(jī)上使用的半導(dǎo)體制冷立式飲水機(jī)。

5.3 . 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)牧業(yè)布局的逐步調(diào)整和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)于生態(tài)旅游的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。觀光旅游農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展凸顯出生態(tài)旅游農(nóng)業(yè)的新奇獨(dú)特的發(fā)展思路。無(wú)土栽培技術(shù)可以基于旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)方案和季節(jié)的變化調(diào)整作物種植措施，以達(dá)到意想不到的目標(biāo)。深液水培技術(shù)由于管理方法便捷，適應(yīng)性強(qiáng)，養(yǎng)分利用率高，環(huán)境污染小等特點(diǎn)，在我國(guó)已獲得快速發(fā)展。針對(duì)深液養(yǎng)殖中液溫控制的相對(duì)過(guò)時(shí)的技術(shù)，選擇了節(jié)能環(huán)保，調(diào)節(jié)靈活，方便快捷的半導(dǎo)體制冷技術(shù)來(lái)控制液溫。通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)工作原理的分析，建立了用于控制作物（深液水培）培養(yǎng)液的半導(dǎo)體材料溫度控制設(shè)備的恒定分析模型，結(jié)合設(shè)施園藝的具體情況，整合生產(chǎn)高性價(jià)比目標(biāo)，在當(dāng)前農(nóng)作物生長(zhǎng)模式下，針對(duì)不同生產(chǎn)規(guī)模，制定培養(yǎng)液溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微生物學(xué)、國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)服務(wù)、醫(yī)療、日常生活、通信等行業(yè)。它具有體積小，零污染，低噪音，可控的優(yōu)點(diǎn)，逐步填補(bǔ)了傳統(tǒng)制冷設(shè)備在制冷研發(fā)和應(yīng)用中的不足，大大提高了各種設(shè)備和裝置的運(yùn)行特性和效率，促進(jìn)了我國(guó)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)。