半导体制冷原理

制冷原理与技术第三节其他形式的制冷循环2.3.1空气制冷2.3.2热电制冷2.3.2.1热电制冷的原理2.3.2.2热电制冷的特性分析2.3.2.3多级热电堆2.3.3蒸气喷射式制冷循环制冷原理与技术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图2-162无回热空气制冷机系统图Ⅰ-压缩机Ⅱ-冷却器Ⅲ-膨胀机Ⅳ-冷箱图2-163无回热空气制冷机理论循环的p-V图与T-s图制冷原理与技术NEXT制冷原理与技术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制冷原理与技术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：)(41410TTchhqp)(3232TTchhqpc(2-144)(2-145)单位压缩功和膨胀功分别是：)(1212TTchhwpc)(4343TTchhwpe(2-146)(2-147)制冷原理与技术从而可计算出循环消耗的单位功及制热系数：)()(4312TTcTTc)()()(4312410TTcTTcTTcwqppp(2-149)(2-148)若不计比热随温度的变化，并注意到kkcppTTTT104312)(制冷原理与技术则上式可简化为：434121101)(1TTTTTTppkkc(2-150))()()(4312410TTcTTcTTcwqpppkkcppTTTT104312)((2-149)制冷原理与技术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：131TTTc因此上述理论循环的热力完善度为：020113121))((TTTTTTTTTTcc(2-151)显然，永远ccTT2图2-164无回热空气制冷机实际循环制冷原理与技术图2-164中1-2s-3-4s-1为实际循环，而循环1-2a-3-4a-1可认为是只考虑换热端部温差，这样计算的实际循环的制冷系数为：scsesescsescsepryyxxyyyxx1111(2-152)制冷原理与技术由上式可以看出，在给定的情况下，必然有一个最佳值最大。00,,,TTTTcc141214341243)1()1()()(TTTTTTTTTTcTTcyaaaaapap(2-153)称为循环的特性系数。而13/TTx上式中：propiy制冷原理与技术为此对式(2-152)，求导，并令可得：0)(prdydscscscopixxxxxxxxy11)1)(11(11(2-154)因为与压力比y的关系为：kkcaappxTTTTTTy10341314)((2-155)制冷原理与技术则按式(2-154)可求出最佳压力比：10)()(kkopiopicyxpp(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比，此时制冷系数最高。制冷原理与技术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，亦称温差电现象制冷原理与技术NEXT制冷原理与技术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。制冷原理与技术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IQ(2-157)它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算cNPT)((2-158)制冷原理与技术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：RIQj2(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1221,ss)(2211ssLR(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。制冷原理与技术除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的热量：kQ)(chkTTkQ(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：21,21,ss)(12211ssLk(2-162)制冷原理与技术电偶对工作时，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ITTRIwchNP))((2(2-164)因此电偶对的制冷系数可以表示为：ITTRITTkRIITchNPchcNP))(()(5.0)(22(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：)(21)(20chcNPTTkRIITQ(2-163)制冷原理与技术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：00Q]5.0)[(12RIITkTTcNPch可见最大温差的大小与电流的大小有关。(2-166)制冷原理与技术将上式对I取偏倒数，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:RTIcNPopt)(RkTTTcNPch2)()(22max将式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得:))(()(21)(2211221122maxssssTTTcNPch(2-167)(2-168)(2-169)制冷原理与技术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21ss21214)(21)2(2)(21)(2222maxcNPcNPchTssTTT或4)(21)(22cNPamxchrTTT(2-170)(2-171)式中——热电元件材料的电导率er/1制冷原理与技术若，则Np22max21)(cchTrTT(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,,rcTrZ2(2-173)制冷原理与技术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)1())((MRTTIchNPopt1))(())((MTTMTTRIUchNPchNPoptopt(2-174)(2-175)制冷原理与技术1maxMTTMTTTchchc式中21)](5.01[chTTZM(2-176)故制冷系数与温差以及材料优质系数Z有显著关系。chTT制冷原理与技术2.3.2.3多级热电堆一对电偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.3～4.2kJ/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。电绝缘导热层电绝缘导热层I2III1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)串并联三级热电堆制冷原理与技术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制冷原理与技术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制冷原理与技术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。制冷原理与技术NEXT图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。制冷原理与技术现在可根据图2-168进行理论循环的热力计算。)(410hhGQo(2-177)式中——被引射制冷蒸气的流量0G锅炉的供热量)(5711hhGQ(2-178)式中——工作蒸气流量1G冷凝器放热量))((3201hhGGQk(2-179)制冷量泵所消耗的功折合成热量)(351hhGQp(2-180)制冷原理与技术泵功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的热平衡式为koQQQ1而经济性指标也用热力系数来表示1057411010qquhhhhGGQQ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气的数量(2-181)(2-182)(2-183)217210hhhhGGu△h2/△h1αs(Kg/Kg)图2-169循环倍率αs与△h2/△h1的关系制冷原理与技术图2-169中的实验关系曲线也可用下式表示21212)/(8.15)/(6.125.0hhhhs在有些文献中也给出了如下简化计算式175.021hhu(2-186)(2-187)