关键词：半导体制冷；帕尔帖效应；制冷效率；热电堆
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252
0引言
上个世纪初，人们做了很多电磁的实验，发现了金属材料的热电效应，但是由于这些金属材料的热电性能比较差，所以效率是非常低的。直到本世纪50年代之后，半导体材料发展迅速，所以致使热电效率也大幅的增加，从而使热电制冷也开始发展。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换性质，将它的这一性质在热电制冷中得到了应用，所以把热电制冷叫做半导体制冷；同时又由于帕尔帖效应与温差发电对应，所以又叫做温差电制冷。这种比较新型的制冷技术与传统的制冷技术不同，没有制冷剂和一些制冷设备，从而在一些特殊的领域中将得到十分广阔的前景。
热电效应是由塞贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和富里叶五种不同的效应组成的，其中前三种效应电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应的热是不可逆效应。
1半导体制冷技术
1.1半导体制冷的原理
热电制冷装置是由热电制冷效率较好的，热电效应比较明显的半导体热电偶构成的。如图1-1所示，把一只N型半导体元件和一个P型半导体元件组合成的热电偶，通电之后，就会在接头处产生热量的转移和温度差。对于N型半导体，其导电机构是自由电子，与金属的价电子相类似；对于P型半导体，其导电机构是空穴，与自由电子的区别是电荷数相等而符号相反。所以，上面的接头处是冷端，吸热且温度下降，电流的方向是N到P；下面的接头处是热端，放热且温度上升，电流的方向是P到N。其次借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去不断的吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。
Z代表了热点材料的一种特性。同时可以决定制冷元件所能达到的最大温差。由上式可以得到，为了提高优值系数Z，就要提高温差电动势α，降低电阻率R和导热系数K。上式公式也说明热电材料性能的提高还要有待于半导体材料的发展，因为金属的热电势很低，而半导体靠空穴和电子可以呈现出非常大的温差电动势。
其次电偶在热端放出的热量：QH=Q0+Q1，其中Q1为一对电偶的消耗功率，故放热系数ε1=QH/Q1=1+ε。可以看出利用热电原理做热泵是很有利的。
1.2多级半导体制冷
一个P型和N型半导体制冷元件与连接片串联起来，组成的制冷单元称为单级热电堆。但是由于单个制冷电偶的制冷效率比较低，如果把电偶进行串联或并联起来组成多级热电堆，这样就会增大制冷温差，所以制冷效率将会大大提高。
如下图所示，图1-2是常见的二级堆串联电路，图1-3是常见的二级堆并联电路，图1-4是常见的串并联混合电路。
串联型多级热电堆的特点是各级的电流都相同。级与级之间需要一层电绝缘导热层，（一般用阳级氧化铝、氧化铍等[1]），同时为了使每一级都处于最佳工作电流，上一级元件的长度比下一级元件的长度要略长一点，来防止上一级元件电导率增加引起的电流的偏离。对于串联型多级热电堆在同一温差和承受同一负载时要比并联型消耗较大的功率。
并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝缘导热层，因此级间无有害温差。同时各级的电偶数与级数应对应相等，每一级的两边的两个元件的截面积应比中间的大一些。其次把并联型多级堆各级的中间部位断开，在级与级之间加上绝缘层之后，用导线连接起来可以成为串联多级电堆。
串并联多级热电堆的特点结合串联型多级热电堆的特点和并联型多级热电堆的特点。
如前所述，热端的散热量比冷端产冷量要大很多倍，由QH=Q0+Q1可知，为了得到较大温差，第一级元件对数比第二级元件对数大许多倍。由于这个因素以及温度越低热电性能越差，所以级数不宜过多，一般2到3级为宜。
1.3半导体制冷技术与机械压缩制冷技术的异同
半导体制冷与机械压缩制冷相比，在正常工作通入电流时，自由电子和空穴在电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动，这一过程相当于制冷机中的压缩过程，其中热电堆起压缩机的作用。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生空穴―电子对，这一过程相当于在蒸发器中的吸热和蒸发过程，其中冷端及其热交换器起着蒸发器的作用。在热电堆的热端，发生空穴―电子对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结，其中热端及其热交换器起着冷凝器的作用。
半导体制冷与机械压缩制冷的区别在于：不使用制冷剂，有很好的环境友好型，消除了制冷剂泄漏对环境的危害，所以对一些特定的场合比较适用；没有制冷装置的运动部件，所以无噪音，无振动，工作可靠，维护比较方便；半导体制冷的尺寸比较小型化，在一些场合可以提现出它的优势；半导体制冷可以通过调节工作电压来改变它的制冷量；半导体制冷一般使用直流电工作，所以对工作电压的脉动范围有一定的要求。
基于以上半导体制冷所表现出来的特点，在一些特殊的，不能使用制冷剂的情况中，以及一些小容量等一些制冷条件中，半导体制冷表现出了它的优越性，同时也成为了现代制冷技术中的一个重要的组成部分。
2半导体制冷技术的发展前景
2.1半导体制冷在工业技术的应用
半导体制冷在工业上的应用也是非常广泛的，一些产品的生产工艺及产品的性能的测试都离不开半导体制冷；一些变电站的除湿问题也需要通过半导体制冷解决；油等一些液体的恒温控制，通过半导体制冷都能很方便的解决。其次半导体制冷在真空技术中也有非常重要的应用。所以，半导体制冷技术的发展对工业技术具有非常大的意义。
2.2半导体制冷在电子技术的应用
半导体制冷在电子技术的发展中是一项不可缺少的先进技术，在一些大规模的集成电路，功率元件和一些设备冷却方面，半导体都提现了它独一无二的功能。同时，随着现代技术的进步，对各类电子元器件的温度性能要求越来越高，而利用热电制冷器的正反向工作特性，就能早就一个合适的高低温条件，而且工作容积非常小，使用方便，应用范围也非常广泛。
2.3半导体制冷在测温技术的应用
随着现代制冷技术的进步，半导体制冷技术在测温技术方面也表现出了它极大的优势。例如半导体制冷零点仪的出现，改变了一般习惯上使用冰作为电热偶测温零度基准点的传统，并且操作简单，零点准确，在测温技术中是一个重大的创新。由此可见半导体制冷在测温技术中的应用是其他制冷技术所不能代替的。
3结论
（1）半导体制冷技术虽然在制冷过程中表现出了它独特的优势，但是其制冷效率还是比较低的，所以现在提高半导体的优值系数Z显得尤为重要。
（2）相比与单级制冷热电堆，多级制冷热电堆可以获得更大的温差和更低的温度，所以大大提高了制冷效率，同时也更加实用。
（3）半导体制冷在一些特殊行业和环境中的应用以及考虑节能等因素，表现出了它的重要性，对半导体制冷技术的深入研究是非常必要的。
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1、半导体制冷技术
1.1、工作原理
半导体制冷器件的工作原理是基于珀耳帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且珀耳帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。
1.2、半导体制冷技术的优缺点
半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm3小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，均能够正常地工作。而且作用速度快，使用寿命长，且易于控制。
半导体制冷片正常工作时，冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热，需要散去的热量包含珀耳帖效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。这个热量远比冷端的吸热量大。所以导致半导体制冷片的效率较低。而且，对半导体制冷片热端的散热一般要采用主动散热。
因此，半导体制冷技术较适合应用于封闭的小型空间的冷却。
2、方案确立
冷却装置必须可以安装在自动化设备屏柜内部。因此，设计、组装出来的整个装置尺寸应合适，如果太小，则冷却效果不明显；太大，则无法安装在屏柜内部。经过在网上查阅有关半导体制冷技术的相关资料后，制定了设计、组装方案：将多片半导体制冷片拼在一起，使其制冷面积增大，同时散热端使用尺寸较大的散热器和散热风扇，以确保其散热性能良好。冷却端使用比散热端尺寸小点的散热器和风扇，使其能保持适合温度，避免出现温度过低或者冷却效率低。
3、现场安装试验
根据日常变电站自动化设备的运维经验，及多个变电站进行现场勘查，发现自动化设备屏柜内的热量主要集中在柜内顶部，而柜内底部的温度基本与室内温度相当。甚至在某些变电站，由于屏柜底部的电缆沟空间较大且密封严实，能起到很好的保温效果，使得在屏柜内底部测得的温度比变电站二次设备间的温度要更低。
针对现场勘查所得的情况，采用1个直流电源模块同时带2台半导体冷却装置的运行方式，将冷却装置安装在交换机柜内顶部，将电源模块放置在屏柜底部。使用适当数量和长度的角钢在柜内顶部搭建一个支架，将冷却装置固定在支架上。利用冷、热空气相互对流的原理，使冷却端产生的冷空气往柜内底部流动，热空气向上升并通过顶部散热孔排出屏柜，从而使屏柜内温度整体下降，达到为柜内自动化设备降温的目的。
4、运行情况分析
为了尽可能的获得自动化设备屏柜内部的各个部位的温、湿度，分别在屏柜内的上部、中部和下部分别放置了温、湿度计。另外在屏柜外也放了一个，以获取屏柜外部的环境温度。并在冷却装置安装完成后未投入运行前，先进性了温度抄录。
由于一天当中的各个时段温度不同，会影响屏柜外部的环境温度，进而影响到屏柜的内部温度，尤其屏柜内上部的温度。因此，在记录温度时尽可能的选择在每一天的同个时段进行，以尽可能的减少外部温度变化带来的影响。
通过图1可看出，在冷却装置投入使用后，屏柜内中、上部的温度有一个明显的下降趋势，尤其是顶部的温度，前后温差高达15X2。冷却效果较为明显。而底部温度仍与冷却装置运行前情况基本相同，与屏柜外部环境温度大致相持。
证明冷却装置运行所取得的效果与项目预期效果相同。
5、结语
通过本次对半导体制冷技术在变电站自动化设备的应用研究，发现其可解决用于变电站自动化设备屏柜内部的设备因运行温度过高导致的死机、故障、甚至整个装置失效等重大、紧急缺陷。严重影响电网安全和供电可靠性。
另外，二次O备的长时间高温环境运行也容易导致其生命周期降低，增加相应的运维成本。该半导体冷却装置主要有以下3个优点：
（1）安装方便，可灵活运用；
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