制冷劑的概念

制冷劑，又稱冷媒、致冷劑、雪種，是各種熱機中借以完成能量轉化的媒介物質。這些物質通常以可逆的相變（如氣-液相變）來增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽、制冷機中的雪種等等。一般的蒸汽機在工作時，將蒸汽的熱能釋放出來，轉化為機械能以產生原動力；而制冷機的雪種則用來將低溫處的熱量傳動到高溫處。

傳統工業及生活中較常見的工作介質是部分鹵代烴（尤其是氯氟烴），但現在由于它們會造成臭氧層空洞而逐漸被淘汰。其他應用較廣的工作介質有氨氣、二氧化硫和非鹵代烴（例如甲烷）。

制冷劑的工作原理

制冷機中完成熱力循環的工質。它在低溫下吸取被冷卻物體的熱量，然后在較高溫度下轉移給冷卻水或空氣。在蒸氣壓縮式制冷機中，使用在常溫或較低溫度下能液化的工質為制冷劑，如氟利昂（飽和碳氫化合物的氟、氯、溴衍生物），共沸混合工質（由兩種氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液）、碳氫化合物（丙烷、乙烯等）、氨等；在氣體壓縮式制冷機中，使用氣體制冷劑，如空氣、氫氣、氦氣等，這些氣體在制冷循環中始終為氣態；在吸收式制冷機中，使用由吸收劑和制冷劑組成的二元溶液作為工質，如氨和水、溴化鋰（分子式：LiBr。白色立方晶系結晶或粒狀粉末，極易溶于水）和水等；蒸汽噴射式制冷機用水作為制冷劑。制冷劑的主要技術指標有飽和蒸氣壓強、比熱、粘度、導熱系數、表面張力等。1960年以后，人們對非共沸混合工質的應用進行了大量的試驗研究，并已將其用于天然氣的液化和分離等方面。應用非共沸混合工質單級壓縮可得到很低的蒸發溫度，且可增加制冷量，減少功耗。它的性質直接關系到制冷裝置的制冷效果、經濟性、安全性及運行管理，因而對制冷劑性質要求的了解是不容忽視的。

半導體制冷片特點

半導體制冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點：

1.不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應；

2.沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易；

3.既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高；

4.半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制；

5.熱慣性非常小，制冷制熱時間很快；

6.半導體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

半導體制冷片的工作原理

1.N型半導體

離原子核最遠軌道上的電子，經常可以脫離原子核吸引，而在原子之間運動，叫導體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導電，叫絕緣體。半導體導電能力介于導體與絕緣體之間，叫半導體。半導體重要的特性是在一定數量的某種雜質滲入半導體之后，不但能大大加大導電能力，而且可以根據摻入雜質的種類和數量制造出不同性質、不同用途的半導體。

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體，也稱電子型半導體。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子，由熱激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。

2.P型半導體

P型半導體，是靠“空穴”來導電。在外電場作用下“空穴”流動方向和電子流動方向相反，即“空穴”由正極流向負極，這是P型半導體原理。

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

N型半導體中的自由電子，P型半導體中的“空穴”，他們都是參與導電，統稱為“載流子”，它是半導體所特有，是由于摻入雜質的結果。

3.PN結

在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質，分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

↓

空間電荷區形成形成內電場

↓

內電場促使少子漂移

↓

內電場阻止多子擴散

最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。

4.散熱

在原理上，半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。

但是半導體自身存在電阻當電流經過半導體時就會產生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現。

風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導體制冷片冷熱端的溫差可以達到40～65度之間，如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應的下降，從而達到更低的溫度。

半導體制冷片不用制冷劑實現制冷原因

半導體制冷片不需要任務制冷劑這是它的一大特點，并且半導體制冷片還可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，而且也不會產生回轉效應。

半導體制冷片的應用

1、在醫療領域中的應用

半導體溫控系統在醫學上的應用更為廣泛。如：用于蛋白質功能研究、基因擴增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養箱等；用于開發具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。

2、在高技術領域和軍事領域

對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導體制冷器體積非常小，只有1個平方毫米，可以和激光器一起使用TO封裝。

3、在農業領域的應用

溫室里面過高或過低的溫度，都將導致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統應用于現代農業。