姜 坪 魏晓雯 穆宜轩

(浙江理工大学建筑环境与能源应用工程系 杭州 310018)

1 引言

半导体制冷(也称热电制冷,thermo electric cooler,TEC)装置具有体积小、无运动部件、无噪音、无制冷剂、制冷速度快、易于维护等优点,并且可组合成多级半导体制冷系统实现低温制冷,半导体制冷技术被认为是最具潜力的制冷技术之一。研究者发现一种电子迁移现象,在电流密度较高的金属上,由于电子迁移所产生的动量会使得金属原子逃逸金属表面,长此以往会对金属造成不可逆的影响,且温度越高,电子迁移的速率就越快,长时间会导致材料烧毁[1]。实际应用的半导体制冷装置的冷、热端需要不断地热交换才能保持正常工作。工作时,半导体制冷片的冷、热端面的散热密度可以达到104W/m2[2]。半导体制冷片的冷、热端换热性能的好坏直接影响整个制冷系统的运行。

提高半导体制冷片制冷效果的关键是:

(1)半导体材料的开发。半导体制冷技术发展的瓶颈之一在于材料的优值系数低,同晶类化合物形成类质同晶固溶体,可使晶格热导率降低,从而使得材料优值系数增加[3]。S W Kim 等以TiNiSn 为基底,在惰性气体环境下,结合热压成型和粉末冶金技术,实现了超高热电性能合金材料的制造,其优值系数高达0.7—0.8,热电性能提高较为显著[4]。

(2)提高热端散热效率。由于半导体制冷片的厚度很小,在工作时热端产生的热量如果没有及时散去很容易通过半导体制冷片本身渗透到冷端,影响制冷效果[5]。半导体制冷常见的散热方式有:自然对流散热、气体强制对流散热、液体对流散热、相变散热[6]等。……