半導體制冷與應用技術(shù)論文
隨著我國技術(shù)的發(fā)展，半導體制冷技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應用起來。這是學習啦小編為大家整理的半導體制冷技術(shù)論文，僅供參考!
半導體制冷技術(shù)論文篇一：《淺談半導體制冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景》
摘要：目前節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為衡量一種新技術(shù)的基本標準，半導體制冷技術(shù)被譽為是21世紀的綠色“冷源”，它的發(fā)展具有廣闊的空間和重大的意義。本文介紹了半導體制冷技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、工作原理以及影響其制冷效率的因素;提出了提高其制冷效率的有效途徑;總結(jié)了半導體制冷技術(shù)的應用與前景。
關(guān)鍵詞：半導體制冷 研究現(xiàn)狀 制冷效率 應用與前景
引 言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全球能耗劇增，能源資源幾近危機，想要降低能耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究和開發(fā)新型的環(huán)境友好型技術(shù)就成為了必須。半導體制冷起源于20世紀50年代，由于它結(jié)構(gòu)簡單、通電制冷迅速，受到家電廠家的青睞。但是由于當時局限于材料元件性能的不足而沒有普遍使用。近年來，科學技術(shù)迅猛發(fā)展，半導體制冷器件的各個技術(shù)難題逐步攻破，使半導體制冷的優(yōu)勢重新顯現(xiàn)出來，廣泛應用于軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。
1、半導體制冷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從國內(nèi)外文獻研究來看，半導體制冷技術(shù)的理論研究已基本成熟。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 ， 有良好的發(fā)電和制冷性。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。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。宜向春等人又對影響半導體材料優(yōu)值系數(shù)的因素進行了詳細的分析。指出半導體材料的優(yōu)值系數(shù)除與電極材料有關(guān)，也與電極的截面和長度有關(guān)， 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。
2、半導體制冷的工作原理
半導體制冷又稱熱電制冷，系統(tǒng)僅包括冷熱端、電源、電路等設(shè)備。P型半導體元件和N型半導體元件構(gòu)成熱電對，熱電對兩端均有金屬片導流條。如圖1所示：當電流流經(jīng)熱電對時，就會發(fā)射帕爾貼效應，電流在上端由N流向P，溫度降低形成冷端，從外界吸熱;電流在下端有P流向N，溫度升高形成熱端，向外界放熱。
3、半導體制冷效率的影響因素
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， 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(nèi)外學者關(guān)注的熱點， 但也面臨諸多難點，其中影響其制冷效率主要有兩個基本因素：
(1) 半導體材料優(yōu)值系數(shù)Z
半導體制冷的核心部件是熱電堆，熱電堆的半導體制冷材料熱電轉(zhuǎn)換效率不高，是半導體制冷空調(diào)器效率較低的主要原因。決定熱電材料性能優(yōu)劣的是優(yōu)值系數(shù)Z 。若要半導體制冷效率達到機械制冷效率水平，制冷材料優(yōu)值系數(shù)必須從3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如圖2 給出了不同優(yōu)值Z時，半導體制冷與機械式制冷制冷系數(shù)的比較結(jié)果。
(2) 半導體制冷裝置熱端散熱效果的影響。
熱電堆熱端的散熱效果是影響熱電堆性能的重要因素。實際應用的半導體制冷裝置總要通過熱交換器與冷、熱源進行不斷的熱交換才能維持工作。而熱端散熱比冷端更為關(guān)鍵，如若設(shè)制冷器冷端散熱量為Q1，熱端散熱量為Q2，系統(tǒng)工作消耗的電功為W0。
顯然，Q2=Q1+W0
4、提高半導體制冷效率的途徑
制冷效率低成為半導體制冷最大的不足，這限制了半導體制冷的推廣和應用。為了提高半導體制冷的效率，就要從上文所介紹的兩個影響因素入手，找出有效的解決方法。
(1)尋找高優(yōu)值系數(shù)Z的半導體材料：研制功能性非均質(zhì)材料、方鈷礦的研究、帶量子空穴的超晶格研究。
(2)優(yōu)化設(shè)計半導體制冷熱端散熱系統(tǒng)，以保證熱端的散熱處于良好的狀態(tài)。
5、半導體制冷應用與前景
隨著低溫電子學得到迅速的發(fā)展， 在多種元器件和設(shè)備冷卻上， 半導體制冷有獨特的作用。 采用半導體制冷技術(shù)， 對電子元件進行冷卻， 能有效改善其參數(shù)的穩(wěn)定性， 或使信噪比得到改善， 從而提高放大和測量裝置的靈敏度和準確度。 半導體制冷器可以用直接制冷方式和間接制冷方式來冷卻電子器件和設(shè)備。
為了解決石油資源匱乏的問題，部分車輛使用天然氣、乙醇作為燃料，但與使用汽油相比，汽車空調(diào)運行比較困難。半導體制冷空調(diào)冷熱一體，獨立運行，可直接利用車輛直流電源，因而系統(tǒng)簡單，且與車輛具有很好的兼容性，因此半導體制冷在汽車領(lǐng)域內(nèi)有較好的發(fā)展前景。
千瓦級以上的半導體制冷空調(diào)成本比壓縮制冷空調(diào)成本要高的多。但百瓦級的小型空調(diào)裝置的成本與壓縮制冷空調(diào)的成本相差不大，且無制冷劑、調(diào)控方便、無噪音等特點，用于某些特殊的小型空間非常方便;而十瓦級的微型空調(diào)裝置的成本則遠低于壓縮制冷裝置，在電子設(shè)備冷卻、局部微環(huán)境溫度控制方面，具備壓縮制冷裝置無法替代的優(yōu)勢，使中小型半導體制冷空調(diào)器進入民用領(lǐng)域成為可能。
在半導體制冷技術(shù)的應用中，需要因地制宜，根據(jù)不用的使用要求，設(shè)計出不用的性能，以拓展該技術(shù)的應用領(lǐng)域，可以堅信，半導體制冷技術(shù)的未來會發(fā)展得越來越好，越來越廣?！?/p>
參考文獻
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半導體制冷技術(shù)論文篇二：《試談半導體制冷專利技術(shù)》
摘 要：半導體制冷是一種可應用于多種領(lǐng)域的制冷技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)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。本文主要介紹半導體制冷的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理以及分析，總結(jié)該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的特點、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，通過獲取國內(nèi)外該領(lǐng)域的專利申請情況，簡要分析半導體制冷技術(shù)的研究進展。
1、概述
熱電制冷是具有熱電能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。由于其結(jié)構(gòu)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。
本文主要介紹半導體制冷的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理以及分析，總結(jié)該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的特點、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，通過獲取國內(nèi)外該領(lǐng)域的專利申請情況，簡要分析半導體制冷技術(shù)的研究進展。
2、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(jié)，通過兩端施加直流電進行制冷， 將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)。
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(jié)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(zhì)，這使構(gòu)成制冷系統(tǒng)成為可能。
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(jié)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(zhuǎn)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、專利技術(shù)現(xiàn)狀分析
半導體制冷由于應用范圍很廣泛，除主要用于制冷、通風及溫度控制的系統(tǒng)外，其他領(lǐng)域的涉及也很多。因此主要在VEN數(shù)據(jù)庫、CNABS數(shù)據(jù)庫里通過半導體制冷、熱電制冷、溫差電制冷的關(guān)鍵詞進行專利文獻的分析，以上述所有的專利文獻為研究對象，其中VEN中的文獻11666篇，CNABS中的文獻5214篇。
3.1 全球申請量的年度發(fā)展趨勢
由圖5中可以看出，從1970年起半導體制冷的專利申請逐年相對穩(wěn)定增長，我國應用半導體制冷的第一件專利申請出現(xiàn)在1987年。世界范圍內(nèi)在1970年～1988年這段時間申請量較少，1988年以后，申請量開始逐年穩(wěn)定增長。近兩年的時間里，隨著半導體制冷材料的不斷改進，半導體制冷技術(shù)正處于一個快速發(fā)展的時期，并且由于半導體制冷技術(shù)存在著一些缺點和不足，還有很大發(fā)展的空間，從圖中也可以很明顯看出，半導體制冷領(lǐng)域的專利申請大部分都在中國，可見我國對于該領(lǐng)域給予了很高的重視。
3.2 國家和地區(qū)分布
圖6示出世界范圍內(nèi)半導體制冷領(lǐng)域?qū)＠暾埩堪磭液偷貐^(qū)的分布情況。從圖6可以看出中國的專利申請量遠遠大于其他各個國家，占據(jù)了全部專利申請量的42%，處于世界的領(lǐng)先地位。其次是美國、日本和歐洲其他發(fā)達國家。
3.3 中國申請專利分析
3.3.1 各領(lǐng)域分布情況
半導體制冷的應用分類號的前五名為：F25B21+、F24F5+、F25D11+、G05D23+、H01S3+，其中前三個分類號為制冷、冷卻、空氣調(diào)節(jié)、通風相關(guān)領(lǐng)域，G05D23/00為溫度的控制，H01S3/00為激光器，可見除制冷、溫度控制等專業(yè)領(lǐng)域外，半導體制冷在激光器的冷卻應用可以達到比較好的效果。另外，由于半導體制冷可應用于各個行業(yè)，針對行業(yè)應用情況進行統(tǒng)計，如下圖所示：
3.3.2 主要申請人
表1示出了在華申請量前20名的申請人，大部分為高校和研究所申請，還包括部分公司申請及個人申請。
可見，我國的半導體制冷領(lǐng)域大部分還停留在理論研究階段，尚未發(fā)展成熟?？梢灶A見對半導體制冷領(lǐng)域的研究將越來越深入，也會逐步的將其應用于產(chǎn)品中。
3.4 國外專利申請分析
3.4.1各領(lǐng)域分布情況
如圖8所示，在世界范圍內(nèi)，半導體制冷領(lǐng)域多應用于電學類，其次為機械、照明、加熱，由于半導體制冷在制冷量不大，又要求裝置小型化的場合有著明顯的優(yōu)勢，因此在電學領(lǐng)域應用最廣也是可以預見的，從此也可以看出世界范圍內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)達到了比較成熟的程度，可以將其廣泛的應用于最適合的領(lǐng)域。
3.4.2 主要申請人
表2示出了世界范圍內(nèi)申請量前20名的申請人，大部分為外國企業(yè)申請，且日本申請占據(jù)大多數(shù)?？梢?，在世界范圍內(nèi)半導體制冷領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應用于實際應用中，而雖然我國的申請量占據(jù)大多數(shù)，但整體實用價值不明顯。但是，現(xiàn)在正是我國半導體制冷技術(shù)發(fā)展的高峰期，隨著技術(shù)的不斷完善，將其大量的應用于實踐也是必然的趨勢。
4、小結(jié)
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(shù)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(shù)，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(zhì)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。目前，我國的半導體制冷領(lǐng)域正處于快速發(fā)展的階段，應繼續(xù)加強對該領(lǐng)域的研究，我國企業(yè)也應加大創(chuàng)新力度，完善優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)半導體制冷的普遍應用。
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半導體制冷技術(shù)論文篇三：《全自動太陽能半導體制冷儀制冷》
【摘 要】 太陽能半導體制冷技術(shù)是在半導體制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新型制冷技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是熱電制冷原理。由于其無需制冷劑，無噪音，無污染等優(yōu)勢，加上常規(guī)能源短缺和太陽能源的開發(fā)利用優(yōu)勢，使得太陽能半導體制冷技術(shù)受到越來越多的相關(guān)學者關(guān)注，并取得很大程度的突破。本文從提高太陽能半導體制冷儀制冷效率的目的出發(fā)，針對影響其制冷性能的幾個問題進行分析和實驗研究。
【關(guān)鍵詞】 太陽能 半導體 制冷儀
隨著社會發(fā)展和經(jīng)濟的發(fā)展，人們越來越注重生活品質(zhì)，空調(diào)作為近代工業(yè)上發(fā)展起來，現(xiàn)如今無論是民用還是工業(yè)上都有廣泛運用。由于廣泛應用的氟利昂制冷工質(zhì)對臭氧層有極大的破壞作用，尋求氟利昂的替代工質(zhì)是大勢所趨。太陽能半導體制冷是利用太陽能電池產(chǎn)生的電能來驅(qū)動半導體制冷裝置，實現(xiàn)熱能傳遞的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效應和帕爾貼效應。本小組希望制作小型的、環(huán)保全自動太陽能半導體制冷儀，為環(huán)保型制冷儀的制作拓寬思路。
1 太陽能供電系統(tǒng)
利用太陽能原理發(fā)電的系統(tǒng)主要由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池三部分組成。太陽能電池輸出為直流電，如需將其給家用電器供電，還需要配置逆變器，將輸出電壓轉(zhuǎn)為為220V常用交流電。
太陽能電池板：太陽能電池板是整個發(fā)電系統(tǒng)中的與太陽能接觸最為緊密的部分，也是發(fā)電系統(tǒng)中最為核心的部分，既能將太陽的熱輻射轉(zhuǎn)化為電能，也能將吸收的太陽能輸送至蓄電池中儲存起來，還可以直接對負載進行供電使其工作。太陽能發(fā)電系統(tǒng)整體水平的高低很大程度上就由這塊電池板決定。市面上太陽能電池板的售價根據(jù)功率的大小有幾十到幾百不等的規(guī)格，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇。
太陽能控制器：太陽能控制器最主要的功能就是控制電路對蓄電池的充電以及對負載的供電，依據(jù)太陽能電池板電能的輸出大小，合理有效地調(diào)整電路的開關(guān)狀態(tài)，使整個系統(tǒng)達到最佳配置。當蓄電池充滿或是負載過重時，控制器自動跳電，起到過電保護的作用。太陽能控制器目前常見的有12V、24V、220V這幾個標稱電壓等級。
蓄電池：常用為鉛酸電池，也可用鎳氫電池或鋰電池。用戶在進行系統(tǒng)模擬實驗中可以選擇不同電壓等級的蓄電池，通常為DC12V和DC24V，其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再取出，給負載供電。
由于在自然界中，太陽不同于煤炭等資源，人們一般難以對其進行有效控制。太陽的光照時間和強度都是不定的，所以如果單純用太陽能進行供電，當雨季來臨時，負載會因電源電能耗盡無法工作而成為一堆廢鐵。為此，作者建議在選擇利用太陽能作為系統(tǒng)電源進行主供電時，不妨選擇電能等可控能源作為輔助電源，在無日照的情況下，仍可對蓄電池進行充電或是直接給系統(tǒng)供電，從而達到既節(jié)約能源、保護環(huán)境，又能提高系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)的成本。
2 太陽能制冷儀制冷片構(gòu)造說明
隨著半導體材料的發(fā)展，1960年出現(xiàn)了半導體制冷器，它是由半導體所構(gòu)成的一種冷卻裝置。半導體制冷器對材料的要求比較高，要同時具備N型和P型兩種半導體特性，還要根據(jù)需要摻入雜質(zhì)來改變半導體的溫差電動勢率、導電率和導熱率，從而使這種特殊半導體能作為制冷的材料。[1]我們現(xiàn)在在中國可以見到的半導體常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金。在碲化鉍中混合不純物之后經(jīng)過一系列的特殊處理制成N型或P型半導體溫度差原件，其中Bi2Te3―Sb2Te3的是P型，Bi2Te3―Bi2Se3的是N型。下圖1是半導體制冷器的簡單示意圖。
半導體制冷器中有許許多多的P型和N型顆粒，它們之間相互緊密排列，并且與普通的導體，比如銅、鋁等金屬導體相連接，形成通路，接著在外面夾上兩片陶瓷片，將其包裹起來，對陶瓷片也有一定的要求，首先是絕緣性好，其次是導熱性好。
另外，半導體制冷元件具有其他材料制成的制冷片所不具有的一些優(yōu)勢：(1)環(huán)保無污染，不破壞生態(tài)，不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。(2)半導體制冷器件功率低，量小質(zhì)輕，適合人們對微型化的需求。(3)不受失重、超重影響。(4)只要交換電源接向，就能切換制冷與制熱模式。(5)無壓縮機，有效解決由于泵振動帶來的噪聲影響。
因為這些優(yōu)勢，半導體制冷技術(shù)在低溫生物學、超導技術(shù)、低溫外科學、低溫電子學、通訊技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)、以及空間技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應用。[2]
3 太陽能制冷儀工作原理
在熱電效應的基礎(chǔ)上形成的半導體制冷技術(shù)被稱為熱電制冷，也叫做溫差制冷。目前，市場上有許多種制冷的方法，常見的有：液化氣體制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和熱電制冷這四種。熱電效應的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應，包括塞貝克效應，帕爾貼效應，湯姆遜效應，焦耳效應以及傅里葉效應五個效應。其中前三種效應是電和能的相互轉(zhuǎn)化，且可逆，后兩種效應是熱的不可逆效應。
一個P型半導體元件與一個N型半導體元件結(jié)合，組成熱電偶對，熱電偶對是半導體制冷器的基本器件。P型材料缺少電子，電勢為正;N型材料富余電子，電勢為負。當電子從P型端穿過PN結(jié)點到達N型端時，電子能量，并且增加的能量等于PN結(jié)點消耗的能量。
將熱電偶連接成閉合回路，接上直流電源通電后，上面接頭的電流方向是N-P，此時溫度降低，并且吸熱，形成冷端，而下面接頭的電流方向是P-N，此時溫度則上升，并且放熱，形成熱端。
把若干對半導體熱電偶對在電路上串聯(lián)起來，而在傳熱方面則是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了一個常見的制冷熱電堆。接上直流電源后，通過借助各種傳熱器件，就能使熱電堆的熱端不斷散熱，并保持一定的溫度，再把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱，從而產(chǎn)生低溫，達到制冷。這就是熱電制冷的工作原理。[3]
4 太陽能制冷儀應用面臨的問題
在我們研究太陽能半導體制冷儀的過程中，為了進一步了解太陽能半導體制冷箱的性能方面的影響，還遇到了一些問題，例如：
(1)由于非穩(wěn)態(tài)的太陽能半導體制冷儀，在不同的光照和環(huán)境溫度條件下，工作效率不同。所以如果能夠研究在不同條件下，這兩者以及其他因素對制冷箱制冷性能的影響，能將太陽能半導體制冷儀制冷情況更進一步反映出來，更能為其實際應用提供很好的依據(jù);
(2)由于人體對環(huán)境感知不如儀表測量明顯，所以筆者建議可以在實驗電路中串聯(lián)一個靈敏電表，實時反映太陽能輻射強度變化時，通過監(jiān)控參數(shù)變化、用計算機模擬生成的辦法，進一步弄清制冷箱的制冷情況;
(3)根據(jù)數(shù)字電子控置理論方面的知識，為太陽能半導體制冷儀提供可靠高效的數(shù)控裝置，確保太陽能半導體制冷裝置的高效率運行。
筆者相信隨著科技的發(fā)展，太陽能半導體制冷儀這一新型產(chǎn)品，必然會像電子計算機一樣，能走進千家萬戶，走進大眾生活，成為人民日?；顒又胁豢扇鄙俚囊徊糠?。
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