半导体制冷与应用技术论文
随着我国技术的发展，半导体制冷技术已经被广泛的应用起来。这是学习啦小编为大家整理的半导体制冷技术论文，仅供参考!
半导体制冷技术论文篇一：《浅谈半导体制冷技术的研究现状及前景》
摘要：目前节能和环保已经成为衡量一种新技术的基本标准，半导体制冷技术被誉为是21世纪的绿色“冷源”，它的发展具有广阔的空间和重大的意义。本文介绍了半导体制冷技术在国内外的研究现状、工作原理以及影响其制冷效率的因素;提出了提高其制冷效率的有效途径;总结了半导体制冷技术的应用与前景。
关键词：半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景
引 言
随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。
1、半导体制冷国内外研究现状
从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。
2、半导体制冷的工作原理
半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P，温度降低形成冷端，从外界吸热;电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向外界放热。
3、半导体制冷效率的影响因素
半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点，其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：
(1) 半导体材料优值系数Z
半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。
(2) 半导体制冷装置热端散热效果的影响。
热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2，系统工作消耗的电功为W0。
显然，Q2=Q1+W0
4、提高半导体制冷效率的途径
制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手，找出有效的解决方法。
(1)寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。
(2)优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好的状态。
5、半导体制冷应用与前景
随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。
为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料，但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。
千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便;而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。
在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求，设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未来会发展得越来越好，越来越广。■
参考文献
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半导体制冷技术论文篇二：《试谈半导体制冷专利技术》
摘 要：半导体制冷是一种可应用于多种领域的制冷技术，具有结构紧凑、体积小、可靠性强、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制、无环境污染等优点。本文主要介绍半导体制冷的相关技术领域的专利申请数据进行统计、整理以及分析，总结该技术领域专利技术的特点、现状以及发展趋势，通过获取国内外该领域的专利申请情况，简要分析半导体制冷技术的研究进展。
1、概述
热电制冷是具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时具有制冷功能，由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性，所以人们把热电制冷称为半导体制冷。由于其结构紧凑、体积小、可靠性强、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制、无环境污染等优点，半导体制冷的应用范围渗透到各个行业，尤其在制冷量不大，又要求装置小型化的场合，更有其优越性，甚至在某些方面，有着压缩式无法替代的能力。
本文主要介绍半导体制冷的相关技术领域的专利申请数据进行统计、整理以及分析，总结该技术领域专利技术的特点、现状以及发展趋势，通过获取国内外该领域的专利申请情况，简要分析半导体制冷技术的研究进展。
2、半导体制冷原理
半导体制冷是利用半导体材料组成P-N结，通过两端施加直流电进行制冷， 将电能直接转化为热能的技术。
载流子从一种材料迁移到另一种材料形成电流，而每种材料载流子的势能不同。因此，为了满足能量守恒的要求，载流子通过结点时，必然与其周围环境进行能量的交换。能级的改变是现象的本质，这使构成制冷系统成为可能。
如图1把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移。在上面的接头处，电流方向是N →P，温度下降并吸热，这就是冷端。而在下面的接头处，电流方向是P→N，温度上升并放热， 因此是热端。
3、专利技术现状分析
半导体制冷由于应用范围很广泛，除主要用于制冷、通风及温度控制的系统外，其他领域的涉及也很多。因此主要在VEN数据库、CNABS数据库里通过半导体制冷、热电制冷、温差电制冷的关键词进行专利文献的分析，以上述所有的专利文献为研究对象，其中VEN中的文献11666篇，CNABS中的文献5214篇。
3.1 全球申请量的年度发展趋势
由图5中可以看出，从1970年起半导体制冷的专利申请逐年相对稳定增长，我国应用半导体制冷的第一件专利申请出现在1987年。世界范围内在1970年～1988年这段时间申请量较少，1988年以后，申请量开始逐年稳定增长。近两年的时间里，随着半导体制冷材料的不断改进，半导体制冷技术正处于一个快速发展的时期，并且由于半导体制冷技术存在着一些缺点和不足，还有很大发展的空间，从图中也可以很明显看出，半导体制冷领域的专利申请大部分都在中国，可见我国对于该领域给予了很高的重视。
3.2 国家和地区分布
图6示出世界范围内半导体制冷领域专利申请量按国家和地区的分布情况。从图6可以看出中国的专利申请量远远大于其他各个国家，占据了全部专利申请量的42%，处于世界的领先地位。其次是美国、日本和欧洲其他发达国家。
3.3 中国申请专利分析
3.3.1 各领域分布情况
半导体制冷的应用分类号的前五名为：F25B21+、F24F5+、F25D11+、G05D23+、H01S3+，其中前三个分类号为制冷、冷却、空气调节、通风相关领域，G05D23/00为温度的控制，H01S3/00为激光器，可见除制冷、温度控制等专业领域外，半导体制冷在激光器的冷却应用可以达到比较好的效果。另外，由于半导体制冷可应用于各个行业，针对行业应用情况进行统计，如下图所示：
3.3.2 主要申请人
表1示出了在华申请量前20名的申请人，大部分为高校和研究所申请，还包括部分公司申请及个人申请。
可见，我国的半导体制冷领域大部分还停留在理论研究阶段，尚未发展成熟。可以预见对半导体制冷领域的研究将越来越深入，也会逐步的将其应用于产品中。
3.4 国外专利申请分析
3.4.1各领域分布情况
如图8所示，在世界范围内，半导体制冷领域多应用于电学类，其次为机械、照明、加热，由于半导体制冷在制冷量不大，又要求装置小型化的场合有着明显的优势，因此在电学领域应用最广也是可以预见的，从此也可以看出世界范围内的发展已经达到了比较成熟的程度，可以将其广泛的应用于最适合的领域。
3.4.2 主要申请人
表2示出了世界范围内申请量前20名的申请人，大部分为外国企业申请，且日本申请占据大多数。可见，在世界范围内半导体制冷领域已经广泛的应用于实际应用中，而虽然我国的申请量占据大多数，但整体实用价值不明显。但是，现在正是我国半导体制冷技术发展的高峰期，随着技术的不断完善，将其大量的应用于实践也是必然的趋势。
4、小结
中国是一个能耗大国，如何能降低能耗，实现可持续发展，研究和开发具有环境友好型的技术就成为一种必须。半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术，是一种具有良好前景的制冷方式。由于半导体制冷具有清洁、无噪音污染和有害物质排放、寿命长、坚固、可靠性高、稳定性好等一系列优点，符合绿色环保要求，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。目前，我国的半导体制冷领域正处于快速发展的阶段，应继续加强对该领域的研究，我国企业也应加大创新力度，完善优化系统结构，以实现半导体制冷的普遍应用。
参考文献
[1] 贾艳婷，徐昌贵， 闫献国， 田志峰，半导体制冷研究综述. 制冷. 2012.3(1)：49-55.
[2] 书名： 《制冷原理》 ，作者： 姜守忠，匡奕珍主编，第：210-212页.
半导体制冷技术论文篇三：《全自动太阳能半导体制冷仪制冷》
【摘 要】 太阳能半导体制冷技术是在半导体制冷技术的基础上发展起来的一项新型制冷技术，其理论基础是热电制冷原理。由于其无需制冷剂，无噪音，无污染等优势，加上常规能源短缺和太阳能源的开发利用优势，使得太阳能半导体制冷技术受到越来越多的相关学者关注，并取得很大程度的突破。本文从提高太阳能半导体制冷仪制冷效率的目的出发，针对影响其制冷性能的几个问题进行分析和实验研究。
【关键词】 太阳能 半导体 制冷仪
随着社会发展和经济的发展，人们越来越注重生活品质，空调作为近代工业上发展起来，现如今无论是民用还是工业上都有广泛运用。由于广泛应用的氟利昂制冷工质对臭氧层有极大的破坏作用，寻求氟利昂的替代工质是大势所趋。太阳能半导体制冷是利用太阳能电池产生的电能来驱动半导体制冷装置，实现热能传递的特殊制冷方式，其工作原理主要是光伏效应和帕尔贴效应。本小组希望制作小型的、环保全自动太阳能半导体制冷仪，为环保型制冷仪的制作拓宽思路。
1 太阳能供电系统
利用太阳能原理发电的系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池三部分组成。太阳能电池输出为直流电，如需将其给家用电器供电，还需要配置逆变器，将输出电压转为为220V常用交流电。
太阳能电池板：太阳能电池板是整个发电系统中的与太阳能接触最为紧密的部分，也是发电系统中最为核心的部分，既能将太阳的热辐射转化为电能，也能将吸收的太阳能输送至蓄电池中储存起来，还可以直接对负载进行供电使其工作。太阳能发电系统整体水平的高低很大程度上就由这块电池板决定。市面上太阳能电池板的售价根据功率的大小有几十到几百不等的规格，用户可以根据自己的需要进行选择。
太阳能控制器：太阳能控制器最主要的功能就是控制电路对蓄电池的充电以及对负载的供电，依据太阳能电池板电能的输出大小，合理有效地调整电路的开关状态，使整个系统达到最佳配置。当蓄电池充满或是负载过重时，控制器自动跳电，起到过电保护的作用。太阳能控制器目前常见的有12V、24V、220V这几个标称电压等级。
蓄电池：常用为铅酸电池，也可用镍氢电池或锂电池。用户在进行系统模拟实验中可以选择不同电压等级的蓄电池，通常为DC12V和DC24V，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再取出，给负载供电。
由于在自然界中，太阳不同于煤炭等资源，人们一般难以对其进行有效控制。太阳的光照时间和强度都是不定的，所以如果单纯用太阳能进行供电，当雨季来临时，负载会因电源电能耗尽无法工作而成为一堆废铁。为此，作者建议在选择利用太阳能作为系统电源进行主供电时，不妨选择电能等可控能源作为辅助电源，在无日照的情况下，仍可对蓄电池进行充电或是直接给系统供电，从而达到既节约能源、保护环境，又能提高系统运行效率、降低系统的成本。
2 太阳能制冷仪制冷片构造说明
随着半导体材料的发展，1960年出现了半导体制冷器，它是由半导体所构成的一种冷却装置。半导体制冷器对材料的要求比较高，要同时具备N型和P型两种半导体特性，还要根据需要掺入杂质来改变半导体的温差电动势率、导电率和导热率，从而使这种特殊半导体能作为制冷的材料。[1]我们现在在中国可以见到的半导体常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金。在碲化铋中混合不纯物之后经过一系列的特殊处理制成N型或P型半导体温度差原件，其中Bi2Te3―Sb2Te3的是P型，Bi2Te3―Bi2Se3的是N型。下图1是半导体制冷器的简单示意图。
半导体制冷器中有许许多多的P型和N型颗粒，它们之间相互紧密排列，并且与普通的导体，比如铜、铝等金属导体相连接，形成通路，接着在外面夹上两片陶瓷片，将其包裹起来，对陶瓷片也有一定的要求，首先是绝缘性好，其次是导热性好。
另外，半导体制冷元件具有其他材料制成的制冷片所不具有的一些优势：(1)环保无污染，不破坏生态，不产生有毒有害物质。(2)半导体制冷器件功率低，量小质轻，适合人们对微型化的需求。(3)不受失重、超重影响。(4)只要交换电源接向，就能切换制冷与制热模式。(5)无压缩机，有效解决由于泵振动带来的噪声影响。
因为这些优势，半导体制冷技术在低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术、以及空间技术等领域具有广泛的应用。[2]
3 太阳能制冷仪工作原理
在热电效应的基础上形成的半导体制冷技术被称为热电制冷，也叫做温差制冷。目前，市场上有许多种制冷的方法，常见的有：液化气体制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷这四种。热电效应的理论基础是固体的热电效应，包括塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆逊效应，焦耳效应以及傅里叶效应五个效应。其中前三种效应是电和能的相互转化，且可逆，后两种效应是热的不可逆效应。
一个P型半导体元件与一个N型半导体元件结合，组成热电偶对，热电偶对是半导体制冷器的基本器件。P型材料缺少电子，电势为正;N型材料富余电子，电势为负。当电子从P型端穿过PN结点到达N型端时，电子能量，并且增加的能量等于PN结点消耗的能量。
将热电偶连接成闭合回路，接上直流电源通电后，上面接头的电流方向是N-P，此时温度降低，并且吸热，形成冷端，而下面接头的电流方向是P-N，此时温度则上升，并且放热，形成热端。
把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，通过借助各种传热器件，就能使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，再把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，从而产生低温，达到制冷。这就是热电制冷的工作原理。[3]
4 太阳能制冷仪应用面临的问题
在我们研究太阳能半导体制冷仪的过程中，为了进一步了解太阳能半导体制冷箱的性能方面的影响，还遇到了一些问题，例如：
(1)由于非稳态的太阳能半导体制冷仪，在不同的光照和环境温度条件下，工作效率不同。所以如果能够研究在不同条件下，这两者以及其他因素对制冷箱制冷性能的影响，能将太阳能半导体制冷仪制冷情况更进一步反映出来，更能为其实际应用提供很好的依据;
(2)由于人体对环境感知不如仪表测量明显，所以笔者建议可以在实验电路中串联一个灵敏电表，实时反映太阳能辐射强度变化时，通过监控参数变化、用计算机模拟生成的办法，进一步弄清制冷箱的制冷情况;
(3)根据数字电子控置理论方面的知识，为太阳能半导体制冷仪提供可靠高效的数控装置，确保太阳能半导体制冷装置的高效率运行。
笔者相信随着科技的发展，太阳能半导体制冷仪这一新型产品，必然会像电子计算机一样，能走进千家万户，走进大众生活，成为人民日常活动中不可缺少的一部分。
参考文献：
[1]唐春晖.半导体制冷――21世纪的绿色“冷源”[J].半导体技术，2005，30(5)：32～34.
[2]YAO J C Semiconductor refrigeration and its application[J].Electronic Engineer，1998，1：46～48(in Chinese)
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