半导体制冷系统性能分析

摘要：本文主要研究了热电半导体制冷机的性能特性，导出半导体制冷机的效率一般表示式，分析了一些参数对最优性能的影响，得到一些新结论．

半导体制冷器件在近年来的广泛应用越来越引起了世界各国的重视．对半导体制冷性能的研究已成为半导体新技术和材料科学发展中的一个热门课题．在半导体热电器件研制中，一方面以提高半导体材料的优值系数和生产工艺为研究方向；另一方面从热电转换系统出发，考虑不同的外部条件，分析各种效应、各种不可逆性对半导体制冷系统性能的影响，应用非平衡态热力学优化控制理论提供优化设计方案和最佳运行准则．本文将在上述研究的基础上对一种较为普遍的半导体制冷机的性能进行分析，研究在给定的外界条件下，半导体优值系数、电流与面积等对制冷效率的影响，所得的结果可对这类制冷机的设计提供理论指导．

1 半导体制冷理论模型

图1给出了半导体制冷系统的结构示意图．它是由 对P型和N型半导体元件串联组成，丁c为制冷端环境温度，丁^为放热端环境温度，半导体制冷系统冷端和热端的温度分别为 和丁^J，半导体制冷系统所涉及的热效应主要有帕尔帖效应、焦耳效应和热传导．其吸热率和放热率分别为

Q 一UcA (Tc— T ，)， (1)

Q 一U A (丁^ — Th)， (2)

1 Q 一alT。一寺J。R—K(丁^J— )，

(3) 图1半导体制冷系统模型

效率。从图3可见系统存在最佳工作电流，即效率与电流有极值关系.由图2与图3可看出半导体两个工作面的大小跟制冷效率存在极值关系.

由(12)式和极值条件a az一0，a a =0，在给定z丁 和 ，当17为最大值时，可求得z和 应满足的条件.通过数值解，可做出图4与图5.从图4可看出当热端工作面积比总面积为z≈ 0.72时，制冷效率叩达到最大;从图5可看出当无量纲电流 ≈ 0.52时，制冷效率17达到最大.可见当设计热电半导体冷机时，为了使其工作在最优状态，必须恰当地选择工作面与电流参量.

给定z=0.72，K一0.03，ZT =1， 一0.52，UhA= A一1，由式(12)可做出两个工作面温度比值oh与效率 的关系曲线，如图6.从图6可见，当制冷系统选择了最优参数时，还必须考虑两个工作面的温度，只有当温比满足0< oh< 1.32时，热电半导体才能正常工作，可见该模型的半导体制冷机温度工作区间是比较小的.给定z=0.72，K=0.03， 一I.2， 一0.52，U^A=U A— I，由式(12)可做出半导体优值系数ZT 与效率17的关系曲线如图7.由图7可见，半导体的优值系数ZT 的提高，对热电半导体制冷效率的影响是显著的.

从以上讨论可知改进半导体材料制造技术，采用新材料，降低芯片的内阻，减少半导体的发热量，降低芯片内部的导热系数，提高半导体的优值系数等是提高制冷效率的有效途径.

综上所述，本文分析了半导体制冷系统的性能，推导出效率的一般表达式.给出该模型温度的工作区间，对工作面积、工作电流进行优化，所获得的结论具有普遍意义，可为半导体制冷系统的设计和运行提供一些理论指导.