技术：你知道微型半导体制冷系统吗？

     

半导体制冷系统，又称热电制冷系统，没有压缩机等运动部件，也没有制冷剂，因此具有控制方便、运行可靠、布局灵活、适应性强等特点，在小型空调系统中应用广泛，且随着近年来材料科学的进步，该系统的COP不断上升，与其他微型制冷系统相比优势日益凸显。

半导体制冷系统原理

半导体制冷系统是一种新型的微型制冷系统，它利用的是帕尔贴原理。

帕尔贴效应是热电制冷的基本原理。 典型的半导体制冷器如下图所示，接上直流电源后，电流由N型半导体流向P型半导体时吸收热量，形成冷端，电流由P型半导体流向N型半导体时释放热量，形成热端。N型和P型半导体交替排列，将热量从冷端转移至热端，达到制冷的目的。

 

微型半导体制冷系统的发展

有研究者 对半导体制冷和蒸气压缩制冷的成本进行了对比，指出半导体制冷的成本和制冷量呈线性增长关系，千瓦级的大型半导体制冷机成本是同容量蒸气压缩制冷机的 3 倍以上; 百瓦级的小型半导体制冷机可以做到与蒸气压缩制冷机成本相差较小而系统更加安全可靠、易于调控; 十瓦级的微型半导体制冷机成本远低于蒸气压缩制冷机，具有无法替代的优势。半导体制冷系统在家用汽车和船用空调系统中得到了越来越广泛地应用。

 

也有研究者 对热电制冷系统、余热制冷系统和蒸气压缩制冷系统在电动汽车空调上的应用进行了对比，指出热电制冷系统由于结构紧凑、可靠易于控制、无噪声耐冲击等特性很适用于电动汽车 ，但是由于目前半导体材料优质系数较低，制冷性能不够理想而最终确定了蒸气压缩制冷系统为电动汽车最佳空调系统。

 

还有研究者 将半导体制冷运用到空调服的设计中，空调服使用太 阳能供电，制冷系统使用蓝牙进行控制，为达到美观和舒适性的目的 ，对各个部件的位置进行了合理规划，空调服外形如下图所示。

 

针对目前市场上半导体冰箱的半导体制冷元件 常以一个恒定的工作电流运行的现状。有研究者利用半导体制冷易于控制的特点，提出了一种自调节电流的半导体制冷冰箱，通过实验研究发现，在同样的工作条件下，自调节半导体制冷冰箱在冷却运行时的冷却时间能耗均有所降低，在稳定运行时的耗电量 明显下降。

有研究者 建立了一套将直接蒸发冷却和半导体制冷相结合的制冷系统 ，并对该系统的制冷性 能进行了初步测试，实验结果表明最大性能系数为 3. 3，系统如下图 所示。

 

还有研究者将半导体制冷运用到家用空调系统的过冷器中，以增加系统的过冷度，在最小制冷、额定制冷和最大制冷 3 种工况下进行了实验研究，结果显示系统的制冷量分别提升了 3. 6%、3. 2%和 4. 0%，系 统的性能指数分别提升了 3. 7%、3. 1%和 4. 2%。

 

提出了热管型半导体制冷器，半导体制冷 片和冷端散热器、热端散热器并排布置，通过热管相 连。与常规半导体制冷器相比，改进后的热管半导体制冷器厚度减小了 29. 2%，制冷量提高了 2. 7%，COP 提高了 3. 45%，如下图所示。

其他类型的新型微型制冷系统

 

近年来，一些新型的制冷方式被应用到微型制冷系统中，如磁制冷、激光制冷、热声制冷等，越来越多的新型制冷机被设计和制造出来，制冷系统不断走向多元化。

 

磁制冷是指利用具有磁化放热、退磁吸热的磁制 冷材料获取冷量的制冷方式，因为系统小、无运动部 件、运行可靠、无环境污染等特点，磁制冷在微型制冷系统中的应用不断扩展。磁制冷材料是磁制冷系统的核心，Gd 系材料，GdSiGe系材料，Mn 基化合物，LaFeSi 系材料等是目前磁制冷材料的研究重点。

 

激光制冷基于反Stokes 荧光制冷原理，相较于蒸 气压缩制冷和热电制冷具有结构经凑、制冷温度更低等优点，在微型制冷系统中有很大的应用潜力。与磁制冷类似，固体激光制冷材料是其主要研究方向，常见的材料有: 掺杂浓度为 1 mol% 的块状Tm3+ : ZBLANP玻璃; 掺杂浓度为2 mol%的圆柱状Yb3+: ZBLANP玻璃; 掺杂浓度为5 mol%的块状Yb3+ : YLiF4 玻璃等。

 

热声制冷具有结构简单、机械振动小、工作寿命长、能量来源广泛等特点，便于微型化，在微电子和集成电路散热等方面具有很大的应用前景。有研究者设计了一种加强型的微型热声制冷机，通过引入完整的回热器和换热器，对整个热声制冷系统进行了数值模拟分析，得出了压力和频率对热声制冷效率的提升作用重大的结论，其热声制冷机模型如下图所示。

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