半导体制冷技术在化工上的应用展望

　　半导体制冷，又称热电制冷，是20世纪60年代迅速发展起来的一项制冷技术[1]。与普通制冷技术不同，半导体制冷不采用压缩机和制冷剂，不依赖制冷剂的相变传递热量，具有体积小、质量轻、无噪声、无污染、寿命长、可靠性高、易于高精度恒温控制及热惯性小等优点[1-2]。随着半导体制造工艺及品质的优化，热电转换效率不断提高，尤其在全球节能和环保意识加强的情况下，这项被称为“21 世纪新的绿色‘冷源’”的技术已经在科研、军事、航空航天、农业和医疗卫生等许多领域得到较广泛的应用[3-4]。然而，半导体制冷技术在化工上的应用并不多见，如果半导体制冷技术能在化工上得到很好的应用，它将对节能环保和化工设备的集成化具有重要的意义。

　　1、半导体制冷的基本原理

　　热电效应是半导体制冷的最基本依据，其中最著名的是塞贝尔效应和帕尔贴效应。1821年塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当2个连接点温度不同时导体回路就会产生电动势，即塞贝尔效应，如图1所示。1834年法国科学家帕尔贴在此基础上做了一个相反的实验，用两种不同导体组成闭合回路并通直流电，连接处出现了一端冷一端热的现象，即帕尔贴效应，如图2所示，显然其本质就是塞贝尔效应的逆效应。

　　半导体制冷器的基本元件是热电偶，热电偶由半导体材料制成。一种为电子型(N型)半导体材料，一种为空穴型(P型)半导体材料。两者交替排列并用金属片相连，如图3所示。N型半导体靠电子移动导电，P型半导体靠空穴移动导电。当接通直流电源后，电子和空穴在外电场的作用下发生移动。由于电子和空穴在半导体中的势能比它们在金属中的势能大，当它们流过节点的时候会引起能量传递。当载流子从较高势能变为较低势能时，向外界放出热量。当载流子从较低势能变为较高势能时则吸收外界热量。于是在两个接头处就会产生温差。若干个这样的热电偶对在电路上串联起来，在传热方面并联就构成一个常见的热电制冷组件(或称热电堆)。借助于热交换器等各种传热元件使热电制冷组件的热端不断散热，并保持一定的温度，把冷端放到工作环境中去吸热，从而达到了制冷的目的。

　　2、半导体制冷的主要特点

　　1) 不需要任何制冷剂，没有污染源，没有运动部件，不会产生回转效应。工作时没有震动、 噪音,使用寿命长，安装容易。

　　2) 应用的灵活性强，只要改变电流电压就能很方便地实现工况转换，而且还可以通过改变电流的方向，达到冷却、加热两用目的。因此。使用一个器件就可以替代分立的加热系统和制冷系统。