半導體制冷與應用技術論文
隨著我國技術的發展，半導體制冷技術已經被廣泛的應用起來。這是小編為大家整理的半導體制冷技術論文，僅供參考!
半導體制冷技術論文篇一：《淺談半導體制冷技術的研究現狀及前景》
摘要：目前節能和環保已經成為衡量一種新技術的基本標準，半導體制冷技術被譽為是21世紀的綠色“冷源”，它的發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在國內外的研究現狀、工作原理以及影響其製冷效率的因素;提出了提高其製冷效率的有效途徑;總結了半導體制冷技術的應用與前景。
關鍵詞：半導體制冷 研究現狀 製冷效率 應用與前景
引 言
隨著經濟的發展，全球能耗劇增，能源資源幾近危機，想要降低能耗，實現可持續發展，研究和開發新型的環境友好型技術就成為了必須。半導體制冷起源於20世紀50年代，由於它結構簡單、通電製冷迅速，受到家電廠家的青睞。但是由於當時侷限於材料元件效能的不足而沒有普遍使用。近年來，科學技術迅猛發展，半導體制冷器件的各個技術難題逐步攻破，使半導體制冷的優勢重新顯現出來，廣泛應用於軍事、航空航天、農業、工業等諸多領域。
1、半導體制冷國內外研究現狀
從國內外文獻研究來看，半導體制冷技術的理論研究已基本成熟。隨著半導體物理學的發展， 前蘇聯科學院半導體研究所約飛院士發現摻雜的半導體材料 ， 有良好的發電和製冷性。這一發現引起學者們對熱電現象的重視， 開啟了半導體材料的新篇章， 各國的研究學者均致力於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2.4。宜向春等人又對影響半導體材料優值係數的因素進行了詳細的分析。指出半導體材料的優值係數除與電極材料有關，也與電極的截面和長度有關， 不同電阻率和導熱率的電極應有不同的幾何尺寸， 只有符合最優尺寸才能獲得最大優值係數的半導體制冷器。
2、半導體制冷的工作原理
半導體制冷又稱熱電製冷，系統僅包括冷熱端、電源、電路等裝置。P型半導體元件和N型半導體元件構成熱電對，熱電對兩端均有金屬片導流條。如圖1所示：當電流流經熱電對時，就會發射帕爾貼效應，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外學者關注的熱點， 但也面臨諸多難點，其中影響其製冷效率主要有兩個基本因素：
***1*** 半導體材料優值係數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換效率不高，是半導體制冷空調器效率較低的主要原因。決定熱電材料效能優劣的是優值係數Z 。若要半導體制冷效率達到機械製冷效率水平，製冷材料優值係數必須從3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如圖2 給出了不同優值Z時，半導體制冷與機械式製冷製冷係數的比較結果。
***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效能的重要因素。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鍵，如若設製冷器冷端散熱量為Q1，熱端散熱量為Q2，系統工作消耗的電功為W0。
顯然，Q2=Q1+W0
4、提高半導體制冷效率的途徑
製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***尋找高優值係數Z的半導體材料：研製功能性非均質材料、方鈷礦的研究、帶量子空穴的超晶格研究。
***2***優化設計半導體制冷熱端散熱系統，以保證熱端的散熱處於良好的狀態。
5、半導體制冷應用與前景
隨著低溫電子學得到迅速的發展， 在多種元器件和裝置冷卻上， 半導體制冷有獨特的作用。 採用半導體制冷技術， 對電子元件進行冷卻， 能有效改善其引數的穩定性， 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製冷方式和間接製冷方式來冷卻電子器件和裝置。
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，汽車空調執行比較困難。半導體制冷空調冷熱一體，獨立執行，可直接利用車輛直流電源，因而系統簡單，且與車輛具有很好的相容性，因此半導體制冷在汽車領域內有較好的發展前景。
千瓦級以上的半導體制冷空調成本比壓縮製冷空調成本要高的多。但百瓦級的小型空調裝置的成本與壓縮製冷空調的成本相差不大，且無製冷劑、調控方便、無噪音等特點，用於某些特殊的小型空間非常方便;而十瓦級的微型空調裝置的成本則遠低於壓縮製冷裝置，在電子裝置冷卻、區域性微環境溫度控制方面，具備壓縮製冷裝置無法替代的優勢，使中小型半導體制冷空調器進入民用領域成為可能。
在半導體制冷技術的應用中，需要因地制宜，根據不用的使用要求，設計出不用的效能，以拓展該技術的應用領域，可以堅信，半導體制冷技術的未來會發展得越來越好，越來越廣。■
參考文獻
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半導體制冷技術論文篇二：《試談半導體制冷專利技術》
摘 要：半導體制冷是一種可應用於多種領域的製冷技術，具有結構緊湊、體積小、可靠性強、製冷迅速、操作簡單、容易實現高精度的溫度控制、無環境汙染等優點。本文主要介紹半導體制冷的相關技術領域的專利申請資料進行統計、整理以及分析，總結該技術領域專利技術的特點、現狀以及發展趨勢，通過獲取國內外該領域的專利申請情況，簡要分析半導體制冷技術的研究進展。
1、概述
熱電製冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有製冷功能，由於半導體材料具有最佳的熱電能量轉換效能特性，所以人們把熱電製冷稱為半導體制冷。由於其結構緊湊、體積小、可靠性強、製冷迅速、操作簡單、容易實現高精度的溫度控制、無環境汙染等優點，半導體制冷的應用範圍滲透到各個行業，尤其在製冷量不大，又要求裝置小型化的場合，更有其優越性，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技術領域的專利申請資料進行統計、整理以及分析，總結該技術領域專利技術的特點、現狀以及發展趨勢，通過獲取國內外該領域的專利申請情況，簡要分析半導體制冷技術的研究進展。
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，通過兩端施加直流電進行製冷， 將電能直接轉化為熱能的技術。
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，為了滿足能量守恆的要求，載流子通過結點時，必然與其周圍環境進行能量的交換。能級的改變是現象的本質，這使構成製冷系統成為可能。
如圖1把一隻P型半導體元件和一隻N型半導體元件聯結成熱電偶，接上直流電源後，在接頭處就會產生溫差和熱量轉移。在上面的接頭處，電流方向是N →P，溫度下降並吸熱，這就是冷端。而在下面的接頭處，電流方向是P→N，溫度上升並放熱， 因此是熱端。
3、專利技術現狀分析
半導體制冷由於應用範圍很廣泛，除主要用於製冷、通風及溫度控制的系統外，其他領域的涉及也很多。因此主要在VEN資料庫、CNABS資料庫裡通過半導體制冷、熱電製冷、溫差電製冷的關鍵詞進行專利文獻的分析，以上述所有的專利文獻為研究物件，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定增長，我國應用半導體制冷的第一件專利申請出現在1987年。世界範圍內在1970年～1988年這段時間申請量較少，1988年以後，申請量開始逐年穩定增長。近兩年的時間裡，隨著半導體制冷材料的不斷改進，半導體制冷技術正處於一個快速發展的時期，並且由於半導體制冷技術存在著一些缺點和不足，還有很大發展的空間，從圖中也可以很明顯看出，半導體制冷領域的專利申請大部分都在中國，可見我國對於該領域給予了很高的重視。
3.2 國家和地區分佈
圖6示出世界範圍內半導體制冷領域專利申請量按國家和地區的分佈情況。從圖6可以看出中國的專利申請量遠遠大於其他各個國家，佔據了全部專利申請量的42%，處於世界的領先地位。其次是美國、日本和歐洲其他發達國家。
3.3 中國申請專利分析
3.3.1 各領域分佈情況
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製冷、冷卻、空氣調節、通風相關領域，G05D23/00為溫度的控制，H01S3/00為鐳射器，可見除製冷、溫度控制等專業領域外，半導體制冷在鐳射器的冷卻應用可以達到比較好的效果。另外，由於半導體制冷可應用於各個行業，針對行業應用情況進行統計，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域大部分還停留在理論研究階段，尚未發展成熟。可以預見對半導體制冷領域的研究將越來越深入，也會逐步的將其應用於產品中。
3.4 國外專利申請分析
3.4.1各領域分佈情況
如圖8所示，在世界範圍內，半導體制冷領域多應用於電學類，其次為機械、照明、加熱，由於半導體制冷在製冷量不大，又要求裝置小型化的場合有著明顯的優勢，因此在電學領域應用最廣也是可以預見的，從此也可以看出世界範圍內的發展已經達到了比較成熟的程度，可以將其廣泛的應用於最適合的領域。
3.4.2 主要申請人
表2示出了世界範圍內申請量前20名的申請人，大部分為外國企業申請，且日本申請佔據大多數。可見，在世界範圍內半導體制冷領域已經廣泛的應用於實際應用中，而雖然我國的申請量佔據大多數，但整體實用價值不明顯。但是，現在正是我國半導體制冷技術發展的高峰期，隨著技術的不斷完善，將其大量的應用於實踐也是必然的趨勢。
4、小結
中國是一個能耗大國，如何能降低能耗，實現可持續發展，研究和開發具有環境友好型的技術就成為一種必須。半導體制冷作為一種新興發展起來的製冷技術，是一種具有良好前景的製冷方式。由於半導體制冷具有清潔、無噪音汙染和有害物質排放、壽命長、堅固、可靠性高、穩定性好等一系列優點，符合綠色環保要求，對國民經濟的可持續發展具有重要的戰略意義。目前，我國的半導體制冷領域正處於快速發展的階段，應繼續加強對該領域的研究，我國企業也應加大創新力度，完善優化系統結構，以實現半導體制冷的普遍應用。
參考文獻
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[2] 書名： 《製冷原理》 ，作者： 姜守忠，匡奕珍主編，第：210-212頁.
半導體制冷技術論文篇三：《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是在半導體制冷技術的基礎上發展起來的一項新型製冷技術，其理論基礎是熱電製冷原理。由於其無需製冷劑，無噪音，無汙染等優勢，加上常規能源短缺和太陽能源的開發利用優勢，使得太陽能半導體制冷技術受到越來越多的相關學者關注，並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，針對影響其製冷效能的幾個問題進行分析和實驗研究。
【關鍵詞】 太陽能 半導體 製冷儀
隨著社會發展和經濟的發展，人們越來越注重生活品質，空調作為近代工業上發展起來，現如今無論是民用還是工業上都有廣泛運用。由於廣泛應用的氟利昂製冷工質對臭氧層有極大的破壞作用，尋求氟利昂的替代工質是大勢所趨。太陽能半導體制冷是利用太陽能電池產生的電能來驅動半導體制冷裝置，實現熱能傳遞的特殊製冷方式，其工作原理主要是光伏效應和帕爾貼效應。本小組希望製作小型的、環保全自動太陽能半導體制冷儀，為環保型製冷儀的製作拓寬思路。
1 太陽能供電系統
利用太陽能原理髮電的系統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，將輸出電壓轉為為220V常用交流電。
太陽能電池板：太陽能電池板是整個發電系統中的與太陽能接觸最為緊密的部分，也是發電系統中最為核心的部分，既能將太陽的熱輻射轉化為電能，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。太陽能發電系統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功率的大小有幾十到幾百不等的規格，使用者可以根據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，依據太陽能電池板電能的輸出大小，合理有效地調整電路的開關狀態，使整個系統達到最佳配置。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。使用者在進行系統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出的電能儲存起來，到需要的時候再取出，給負載供電。
由於在自然界中，太陽不同於煤炭等資源，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供電，從而達到既節約能源、保護環境，又能提高系統執行效率、降低系統的成本。
2 太陽能製冷儀制冷片構造說明
隨著半導體材料的發展，1960年出現了半導體制冷器，它是由半導體所構成的一種冷卻裝置。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，還要根據需要摻入雜質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製冷的材料。[1]我們現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後經過一系列的特殊處理製成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，並且與普通的導體，比如銅、鋁等金屬導體相連線，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製成的製冷片所不具有的一些優勢：***1***環保無汙染，不破壞生態，不產生有毒有害物質。***2***半導體制冷器件功率低，量小質輕，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，就能切換製冷與制熱模式。***5***無壓縮機，有效解決由於泵振動帶來的噪聲影響。
因為這些優勢，半導體制冷技術在低溫生物學、超導技術、低溫外科學、低溫電子學、通訊技術、紅外技術、鐳射技術、以及空間技術等領域具有廣泛的應用。[2]
3 太陽能製冷儀工作原理
在熱電效應的基礎上形成的半導體制冷技術被稱為熱電製冷，也叫做溫差製冷。目前，市場上有許多種製冷的方法，常見的有：液化氣體制冷、氣體膨脹製冷、渦流管制冷和熱電製冷這四種。熱電效應的理論基礎是固體的熱電效應，包括塞貝克效應，帕爾貼效應，湯姆遜效應，焦耳效應以及傅立葉效應五個效應。其中前三種效應是電和能的相互轉化，且可逆，後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型材料富餘電子，電勢為負。當電子從P型端穿過PN接面點到達N型端時，電子能量，並且增加的能量等於PN接面點消耗的能量。
將熱電偶連線成閉合迴路，接上直流電源通電後，上面接頭的電流方向是N-P，此時溫度降低，並且吸熱，形成冷端，而下面接頭的電流方向是P-N，此時溫度則上升，並且放熱，形成熱端。
把若干對半導體熱電偶對在電路上串聯起來，而在傳熱方面則是並聯的，這就構成了一個常見的製冷熱電堆。接上直流電源後，通過藉助各種傳熱器件，就能使熱電堆的熱端不斷散熱，並保持一定的溫度，再把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱，從而產生低溫，達到製冷。這就是熱電製冷的工作原理。[3]
4 太陽能製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，為了進一步瞭解太陽能半導體制冷箱的效能方面的影響，還遇到了一些問題，例如：
***1***由於非穩態的太陽能半導體制冷儀，在不同的光照和環境溫度條件下，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製冷箱製冷效能的影響，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;
***2***由於人體對環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一個靈敏電錶，實時反映太陽能輻射強度變化時，通過監控引數變化、用計算機模擬生成的辦法，進一步弄清製冷箱的製冷情況;
***3***根據數位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控裝置，確保太陽能半導體制冷裝置的高效率執行。
筆者相信隨著科技的發展，太陽能半導體制冷儀這一新型產品，必然會像電子計算機一樣，能走進千家萬戶，走進大眾生活，成為人民日常活動中不可缺少的一部分。
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