半导体制冷原理

1、半导体制冷原理第1页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二2.3.1 空气制冷历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生集态改变 第2页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 图2-162 无回热空气制冷机系统图 -压缩机 -冷却器 -膨胀机 -冷箱 图2-163 无回热空气制冷机 理论循环的p-V图与T-s图第3页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二NEXT第4页，共

2、38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 图2-162示出无回热空气制冷机系统图 图2-163所示是冷箱中制冷温度是环境介质的温度1-2是等熵压缩过程2-3是等压冷却过程3-4是等熵膨胀过程4-1是在冷箱中的等压吸热过程第5页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 现在进行理论循环的性能计算，单位制冷量及冷却器的 单位热负荷 分别是：(2-144) (2-145) 单位压缩功 和 膨胀功 分别是：(2-146) (2-147) 第6页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二从而可计算出循环消耗的 单位功 及 制热系数： (2-149) (2-148) 若

3、不计比热随温度的变化，并注意到 第7页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二则上式可简化为：(2-150) (2-149) 第8页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 因为热源温度是恒值，此时比较标准循环应当是可逆卡诺循环，其 制冷系数 为：因此上述理论循环的 热力完善 度为： (2-151) 显然，永远第9页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二图2-164 无回热空气制冷机实际循环第10页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 图2-164中 1-2s-3-4s-1 为实际循环，而循环 1-2a-3-4a-1 可认为是只考虑

4、换热端部温差，这样计算的 实际循环的制冷系数 为：(2-152) 第11页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二由上式可以看出，在 给定的情况下，必然有一个最佳值 最大。 (2-153) 称为循环的 特性系数 。而 上式中：第12页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二为此对式(2-152)，求导，并令 可得：(2-154) 因为与压力比y的关系为：(2-155) 第13页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二则按式(2-154)可求出最佳压力比：(2-156) 在分析理论循环时，认为提高循环经济性应采用尽可能小的压比。但对于实际循环存在最佳压力

5、比，此时制冷系数最高。第14页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二2.3.2 热电制冷2.3.2.1 热电制冷的原理 热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“塞贝克”效应的逆反应珀尔帖效应的原理达到制冷目的。 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差接触电动势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象第15页，共38页，2022年，5月20日，1点3

6、9分，星期二NEXT第16页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷 图2-165所示，当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。第17页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效应产生的 吸热量 与电流I 成正比 式中 珀尔贴系数(2-157) 它与导体

7、的物理化学性质有关，可按下式计算(2-158)第18页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 当电流通过电偶对时，热电元件内还要放出焦耳热。焦耳热 与电流的平方成正比，即 ：(2-159) 式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L ,电阻率为 及 ，截面积为 ，则(2-160) 计算证明，有一半的焦耳热传给热电元件的冷端，引起制冷效应降低。第19页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的 热量 ：(2-161)式中k 长L 的热电元件 总导热系数 若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 及 则：(2-

8、162)第20页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的 功率 为 (2-164)因此电偶对的 制冷系数 可以表示为： (2-165) 因此，电偶对 的制冷量 应为珀尔贴热量与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即： (2-163)第21页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二2.3.2.2 热电制冷的特性分析 在电流I 为某一定值的情况下，令 ，由式(2-163)得： 可见最大温差的大小与电流的大小有关。 (2-166)第22页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 将上式对I 取偏倒数，

9、并令其等于零，就可以求出 最佳电流值 与其对应的 最大温降: 将式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得: (2-167)(2-168)(2-169)第23页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 若两电偶臂的几何尺寸相同( )具有相同的 导热系数 及相同的 电阻率 ，则式（2-169）变为或 (2-170)(2-171)式中 热电元件材料的 电导率第24页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二若 ，则 (2-172)由此可见: 热电制冷的 最大温差取决于材料的 组成的一个综合参数及冷端温度 。此综合参数称为制造电偶对材料的优质系数Z ，即 (2-

10、173)第25页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电堆的电流值的关系。将式(2-165)对电流取偏倒数，并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对应的电流及电压值 (2-174)(2-175)第26页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二式中 (2-176)故制冷系数 与温差 以及材料优质系数Z有显著关系。第27页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二2.3.2.3 多级热电堆 一对电偶的制冷量是很小的，如6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.34.2kJ/h 为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级

11、热电堆 单级热电堆在通常情况下只能得到大约50的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆，图2-166示出多级热电堆的结构型式。 第28页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二图2-166 多级热电堆的结构型式 a) 串联二级热电堆 b) 并联二级热电堆 c) 串并联三级热电堆第29页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 半导体制冷设备的特点及应用 1、半导体制冷设备的特点及应用 不用制冷剂 无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小第30页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，

12、星期二2、半导体制冷的用途 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却 可做成零点仪第31页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二2.3.3 蒸气喷射式制冷循环 蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质 虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为工质,但到目前为止，只有以水为工质的蒸气喷射式制冷机得到实际应用。 当用水为工质所制取的低温必须在0以上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制备某些工艺过程需要的冷媒水。第32页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二NEXT第33页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二图

13、2-168 蒸气喷射式制冷系统的温熵图 蒸气喷射式制冷机的工作过程也可以表示在温熵图上。如图2-168所示。图中实线表示理想循环，虚线表示实际过程。 第34页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二现在可根据图2-168进行理论循环的热力计算。(2-177)式中 被引射制冷蒸气的流量 锅炉的供热量 (2-178)式中 工作蒸气流量冷凝器放热量 (2-179)制冷量泵所消耗的功折合成热量 (2-180)第35页，共38页，2022年，5月20日，1点39分，星期二 泵功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的 热平衡式 为 而 经济性指标 也用热力系数来表示 其中比值称为 喷射系数，它表示1Kg工作蒸气能引射的低压蒸