半導(dǎo)體制冷原理稻香書屋

1、 制 冷 原 理 與 技 術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 其他形式的制冷循環(huán)其他形式的制冷循環(huán)2.3.1 2.3.1 空氣制冷空氣制冷2.3.2 2.3.2 熱電制冷熱電制冷 熱電制冷的原理熱電制冷的原理 熱電制冷的特性分析熱電制冷的特性分析 多級熱電堆多級熱電堆2.3.3 2.3.3 蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷循環(huán) 1學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)2.3.1 2.3.1 空氣制冷空氣制冷歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質(zhì)的，并且稱為空氣制冷機作為工質(zhì)的，并且稱

2、為空氣制冷機壓縮式空氣制冷機的工作過程也是包括壓縮式空氣制冷機的工作過程也是包括等等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及及等壓吸熱等壓吸熱四個過程四個過程 這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其區(qū)別在于工質(zhì)在循環(huán)過程中不發(fā)生近，其區(qū)別在于工質(zhì)在循環(huán)過程中不發(fā)生集態(tài)改變集態(tài)改變 2學(xué)習(xí)幻燈 圖圖2-162 2-162 無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖 -壓縮機壓縮機 -冷卻器冷卻器 -膨脹機膨脹機 -冷箱冷箱 圖圖2-1632-163 無回?zé)峥諝庵评錂C無回?zé)峥諝庵评錂C 理論循環(huán)的理論循環(huán)的p-vp-v圖與圖與t-st-s圖圖3

3、學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)next4學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖圖2-1622-162示出無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖示出無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖 圖圖2-1632-163所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境介質(zhì)的溫度介質(zhì)的溫度1-21-2是等熵壓縮過程是等熵壓縮過程2-32-3是等壓冷卻過程是等壓冷卻過程3-43-4是等熵膨脹過程是等熵膨脹過程4-14-1是在冷箱中的等壓吸熱過程是在冷箱中的等壓吸熱過程5學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制冷量及冷卻器的冷量及冷卻器的 單位熱負荷單位熱負荷 分

4、別是：分別是：)(41410ttchhqp)(3232ttchhqpc(2-144) (2-145) 單位壓縮功單位壓縮功 和和 膨脹功膨脹功 分別是：分別是：)(1212ttchhwpc)(4343ttchhwpe(2-146) (2-147) 6學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)從而可計算出循環(huán)消耗的從而可計算出循環(huán)消耗的 單位功單位功 及及 制熱系數(shù)制熱系數(shù)： )()(4312ttcttcwwwppec)()()(4312410ttcttcttcwqppp(2-149) (2-148) 若不計比熱隨溫度的變化，并注意到若不計比熱隨溫度的變化，并注意到 kkcpptttt104312)(

5、7學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)則上式可簡化為：則上式可簡化為：434121101)(1ttttttppkkc(2-150) )()()(4312410ttcttcttcwqpppkkcpptttt104312)(2-149) 8學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 因為熱源溫度是恒值，此時比較標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)因為熱源溫度是恒值，此時比較標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)應(yīng)當(dāng)是可逆卡諾循環(huán)，其應(yīng)當(dāng)是可逆卡諾循環(huán)，其 制冷系數(shù)制冷系數(shù) 為：為：131tttc因此上述理論循環(huán)的因此上述理論循環(huán)的 熱力完善熱力完善 度為：度為：020113121)(ttttttttttcc (2-151) 顯然，永遠顯然，永遠cctt29學(xué)習(xí)

6、幻燈圖圖2-164 2-164 無回?zé)峥諝庵评錂C實際循環(huán)無回?zé)峥諝庵评錂C實際循環(huán)10學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖圖2-1642-164中中 1-2s-3-4s-11-2s-3-4s-1 為實際循環(huán)，而為實際循環(huán)，而循環(huán)循環(huán) 1-2a-3-4a-11-2a-3-4a-1 可認為是只考慮換熱端部可認為是只考慮換熱端部溫差，這樣計算的溫差，這樣計算的 實際循環(huán)的制冷系數(shù)實際循環(huán)的制冷系數(shù) 為：為：scsesescsescsepryyxxyyyxx1111(2-152) 11學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)由上式可以看出，在由上式可以看出，在 給定的情況下，必然有一個最佳值給定的情況下

7、，必然有一個最佳值 最大。最大。 00,ttttcc141214341243) 1() 1()()(ttttttttttcttcyaaaaapap(2-153) 稱為循環(huán)的稱為循環(huán)的 特性系數(shù)特性系數(shù) 。而。而 13/ttx 上式中：上式中：propiy12學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)為此對式為此對式(2-152)(2-152)，求導(dǎo)，并令，求導(dǎo)，并令 可得：可得：0)(prdydscscscopixxxxxxxxy11)1)(11(11(2-154) 因為與壓力比因為與壓力比y y的關(guān)系為：的關(guān)系為：kkcaappxtttttty10341314)(2-155) 13學(xué)習(xí)幻燈 制 冷

8、 原 理 與 技 術(shù)則按式則按式(2-154)(2-154)可求出最佳壓力比：可求出最佳壓力比：10)()(kkopiopicyxpp(2-156) 在分析理論循環(huán)時，認為提高循環(huán)在分析理論循環(huán)時，認為提高循環(huán)經(jīng)濟性應(yīng)采用盡可能小的壓比。但對于經(jīng)濟性應(yīng)采用盡可能小的壓比。但對于實際循環(huán)存在最佳壓力比，此時制冷系實際循環(huán)存在最佳壓力比，此時制冷系數(shù)最高。數(shù)最高。14學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)2.3.2 2.3.2 熱電制冷熱電制冷 熱電制冷的原理熱電制冷的原理 熱電制冷熱電制冷( (亦名溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或亦名溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或電子制冷電子制冷)

9、 )是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用它是利用“塞貝克塞貝克”效應(yīng)的逆反應(yīng)效應(yīng)的逆反應(yīng)珀爾帖珀爾帖效應(yīng)的原理達到制冷目的。效應(yīng)的原理達到制冷目的。 塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)就是在兩種不同金屬組成的閉就是在兩種不同金屬組成的閉合線路中，如果保持兩接觸點的溫度不同，就合線路中，如果保持兩接觸點的溫度不同，就會在兩接觸點間產(chǎn)生一個電勢差會在兩接觸點間產(chǎn)生一個電勢差接觸電動接觸電動勢勢。同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差。同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會使一個接

10、點變冷，一中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一個變熱，這稱為個變熱，這稱為珀爾貼效應(yīng)珀爾貼效應(yīng)，亦稱，亦稱溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象15學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)next16學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，決定了它產(chǎn)半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，亦稱熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，亦稱半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷 圖圖2-1652-165所示，當(dāng)電偶通以直流電流時，所示，當(dāng)電偶通以直流電流時，p p型半導(dǎo)體內(nèi)載流子型半導(dǎo)體內(nèi)載流子( (空穴空穴) )和和n

11、n型半導(dǎo)體內(nèi)載流型半導(dǎo)體內(nèi)載流子子( (電子電子) )在外電場作用下產(chǎn)生運動，并在金屬在外電場作用下產(chǎn)生運動，并在金屬片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉(zhuǎn)換。片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉(zhuǎn)換。 如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端與發(fā)熱端也隨之互換。與發(fā)熱端也隨之互換。17學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 當(dāng)電偶對通以直流電當(dāng)電偶對通以直流電i i 時，因珀爾貼效時，因珀爾貼效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)產(chǎn)生的 吸熱量吸熱量 與電流與電流i i 成正比成正比 式中式中 珀爾貼系數(shù)珀爾貼系數(shù)iq(2-157) 它與導(dǎo)體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，可按下式計算它與導(dǎo)體的物理化學(xué)性質(zhì)

12、有關(guān)，可按下式計算cnpt)(2-158)18學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 當(dāng)電流通過電偶對時，熱電元件內(nèi)還要當(dāng)電流通過電偶對時，熱電元件內(nèi)還要放出焦耳熱。放出焦耳熱。焦耳熱焦耳熱 與電流的平方成正比，與電流的平方成正比，即即 ：riqj2(2-159) 式中式中r r 為熱電元件的電阻。若電偶臂的為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為長度為l l , ,電阻率為電阻率為 及及 ，截面積為，截面積為 ，則，則1221,ss)(2211sslr(2-160) 計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電元件的冷端，引起制冷效應(yīng)降低。元件的冷端，引起制冷效應(yīng)降低。19學(xué)習(xí)幻

13、燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 除了焦耳熱以外，由于半導(dǎo)體的導(dǎo)熱，從除了焦耳熱以外，由于半導(dǎo)體的導(dǎo)熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的電堆熱端還要傳給冷端一定的 熱量熱量 ：kq)(chkttkq(2-161)式中式中k k 長長l l 的熱電元件的熱電元件 總導(dǎo)熱系數(shù)總導(dǎo)熱系數(shù) 若兩電偶臂的導(dǎo)熱系數(shù)及截面積分別為若兩電偶臂的導(dǎo)熱系數(shù)及截面積分別為 及及 則：則：21,21,ss)(12211sslk(2-162)20學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的服熱電勢做功，故消耗的 功率功率 為為 it

14、triwchnp)(2(2-164)因此電偶對的因此電偶對的 制冷系數(shù)制冷系數(shù) 可以表示為：可以表示為： ittrittkriitchnpchcnp)()(5 . 0)(22(2-165) 因此，電偶對因此，電偶對 的制冷量的制冷量 應(yīng)為珀爾貼熱量應(yīng)為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導(dǎo)熱量之差，即：與傳回冷端的焦耳熱量和導(dǎo)熱量之差，即： )(21)(20chcnpttkriitq(2-163)21學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 熱電制冷的特性分析熱電制冷的特性分析 在電流在電流i i 為某一定值的情況下，令為某一定值的情況下，令 ，由式由式(2-163)(2

15、-163)得：得： 00q5 . 0)(12riitkttcnpch可見最大溫差的大小與電流的大小有關(guān)?？梢娮畲鬁夭畹拇笮∨c電流的大小有關(guān)。 (2-166)22學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 將上式對將上式對i i 取偏倒數(shù)，并令其等于零，就取偏倒數(shù)，并令其等于零，就可以求出可以求出 最佳電流值最佳電流值 與其對應(yīng)的與其對應(yīng)的 最大溫降最大溫降: : rticnpopt)(rktttcnpch2)()(22max將式將式(2-160)(2-160)及及(2-162)(2-162)代入式代入式(2-168)(2-168)得得: : )()(21)(2211221122maxsssstttc

16、npch(2-167)(2-168)(2-169)23學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 若兩電偶臂的若兩電偶臂的幾何尺寸相同幾何尺寸相同( ( ) )具有相同的具有相同的 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 及相同的及相同的 電阻率電阻率 ，則式（，則式（2-1692-169）變?yōu)椋┳優(yōu)?1ss 21214)(21)2(2)(21)(2222maxcnpcnpchtssttt或或 4)(21)(22cnpamxchrttt(2-170)(2-171)式中式中 熱電元件材料的熱電元件材料的 電導(dǎo)率電導(dǎo)率er/124學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)若若 ，則，則 np22max21)(cchtrtt(2-1

17、72)由此可見由此可見: : 熱電制冷的熱電制冷的 最大溫差最大溫差取決于材取決于材料的料的 組成的一個綜合參數(shù)及冷端溫組成的一個綜合參數(shù)及冷端溫度度 。此綜合參數(shù)稱為制造電偶對材料的。此綜合參數(shù)稱為制造電偶對材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)優(yōu)質(zhì)系數(shù)z z ，即，即 ,rctrz2(2-173)25學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 下面再來分析電堆的制冷系數(shù)與供給熱電下面再來分析電堆的制冷系數(shù)與供給熱電堆的電流值的關(guān)系。將式堆的電流值的關(guān)系。將式(2-165)(2-165)對電流取偏對電流取偏倒數(shù)，并令其等于零，得到倒數(shù)，并令其等于零，得到 與最大制冷系數(shù)與最大制冷系數(shù)相對應(yīng)的電流及電壓值相對應(yīng)的電流及電壓

18、值 ) 1()(mrttichnpopt1)()(mttmttriuchnpchnpoptopt(2-174)(2-175)26學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)1maxmttmtttchchc式中式中 21)(5 . 01 chttzm(2-176)故制冷系數(shù)故制冷系數(shù) 與溫差與溫差 以及材料以及材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)優(yōu)質(zhì)系數(shù)z z有顯著關(guān)系。有顯著關(guān)系。chtt 27學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 多級熱電堆多級熱電堆 一對電偶的制冷量是很小的，如一對電偶的制冷量是很小的，如6xl76xl7的電偶對的電偶對, ,其制冷量僅為其制冷量僅為kj/h

19、4.2kj/h 為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯(lián)成熱電堆，稱串聯(lián)成熱電堆，稱單級熱電堆單級熱電堆 單級熱電堆在通常情況下只能得到大約單級熱電堆在通常情況下只能得到大約5050的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)的方法組出用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)的方法組出多級熱電多級熱電堆堆，圖圖2-1662-166示出多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式。示出多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式。 28學(xué)習(xí)幻燈電絕緣導(dǎo)熱層 電絕緣導(dǎo)熱層 i2 i i i1 圖圖2-1662-166 多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式 a) a) 串聯(lián)二級熱電堆串聯(lián)

20、二級熱電堆 b) b) 并聯(lián)二級熱電堆并聯(lián)二級熱電堆 c) c) 串并聯(lián)三級熱電堆串并聯(lián)三級熱電堆29學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用 1 1、半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用、半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用 不用制冷劑不用制冷劑 無機械傳動部分無機械傳動部分 冷卻速度和制冷溫可任意調(diào)節(jié)冷卻速度和制冷溫可任意調(diào)節(jié) 可將冷熱端互換可將冷熱端互換 體積和功率都可做得很小體積和功率都可做得很小30學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)2 2、半導(dǎo)體制冷的用途、半導(dǎo)體制冷的用途 方便的可逆操作方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可做成家用冰箱，或

21、小型低溫冰箱可制成低溫醫(yī)療器具可制成低溫醫(yī)療器具可對儀器進行冷卻可對儀器進行冷卻 可做成零點儀可做成零點儀31學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)2.3.3 2.3.3 蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷循環(huán) 蒸氣噴射式制冷機只用單一物質(zhì)為工質(zhì)蒸氣噴射式制冷機只用單一物質(zhì)為工質(zhì) 雖然從理論上談可應(yīng)用一般的制冷劑作為雖然從理論上談可應(yīng)用一般的制冷劑作為工質(zhì)工質(zhì), ,但到目前為止，只有以水為工質(zhì)的蒸氣但到目前為止，只有以水為工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷機得到實際應(yīng)用。噴射式制冷機得到實際應(yīng)用。 當(dāng)用水為工質(zhì)所制取的低溫必須在當(dāng)用水為工質(zhì)所制取的低溫必須在00以以上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調(diào)裝置上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調(diào)裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水?；蛴脕碇苽淠承┕に囘^程需要的冷媒水。32學(xué)習(xí)幻燈 制 冷 原 理 與 技 術(shù)next33學(xué)習(xí)幻燈p1 t1 pk tk p0 t0 p0t1 t s 圖圖2-168 2-168 蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖 蒸氣噴射式制冷機的工作過程也可以表示在溫熵蒸氣噴射式制冷機的工作過程也可以表示在溫熵圖上。如圖圖上。如圖2-1682-168所示。圖中實線表示理想循環(huán)，虛線所示。圖