半導(dǎo)體制冷原理

第三節(jié) 其他形式的制冷循環(huán)2.3.1空氣制冷2.3.2熱電制冷2.3.2.1熱電制冷的原理2.3.2.2熱電制冷的特性分析2.3.2.3多級熱電堆2.3.3蒸氣噴射式制冷循環(huán)當(dāng)前1頁，總共38頁。2.3.1空氣制冷歷史上第一次實(shí)現(xiàn)的氣體制冷機(jī)是以空氣作為工質(zhì)的，并且稱為空氣制冷機(jī)壓縮式空氣制冷機(jī)的工作過程也是包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個(gè)過程這與蒸汽壓縮式制冷機(jī)的四個(gè)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)生集態(tài)改變當(dāng)前2頁，總共38頁。 圖2-162無回?zé)峥諝庵评錂C(jī)系統(tǒng)圖Ⅰ-壓縮機(jī)Ⅱ-冷卻器Ⅲ-膨脹機(jī)Ⅳ-冷箱 圖2-163

無回?zé)峥諝庵评錂C(jī)理論循環(huán)的p-V圖與T-s圖當(dāng)前3頁，總共38頁。NEXT當(dāng)前4頁，總共38頁。

圖2-162示出無回?zé)峥諝庵评錂C(jī)系統(tǒng)圖

圖2-163所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境介質(zhì)的溫度1-2是等熵壓縮過程2-3是等壓冷卻過程3-4是等熵膨脹過程4-1是在冷箱中的等壓吸熱過程當(dāng)前5頁，總共38頁?，F(xiàn)在進(jìn)行理論循環(huán)的性能計(jì)算，單位制冷量及冷卻器的單位熱負(fù)荷分別是：(2-144)(2-145)單位壓縮功和膨脹功分別是：(2-146)(2-147)當(dāng)前6頁，總共38頁。從而可計(jì)算出循環(huán)消耗的單位功及制熱系數(shù)：(2-149)(2-148)若不計(jì)比熱隨溫度的變化，并注意到當(dāng)前7頁，總共38頁。則上式可簡化為：(2-150)(2-149)當(dāng)前8頁，總共38頁。因?yàn)闊嵩礈囟仁呛阒担藭r(shí)比較標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)應(yīng)當(dāng)是可逆卡諾循環(huán)，其制冷系數(shù)為：因此上述理論循環(huán)的熱力完善度為：(2-151)顯然，永遠(yuǎn)當(dāng)前9頁，總共38頁。圖2-164無回?zé)峥諝庵评錂C(jī)實(shí)際循環(huán)當(dāng)前10頁，總共38頁。

圖2-164中1-2s-3-4s-1為實(shí)際循環(huán)，而循環(huán)1-2a-3-4a-1可認(rèn)為是只考慮換熱端部溫差，這樣計(jì)算的實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)為：(2-152)當(dāng)前11頁，總共38頁。由上式可以看出，在 給定的情況下，必然有一個(gè)最佳值 最大。(2-153)稱為循環(huán)的特性系數(shù)。而上式中：當(dāng)前12頁，總共38頁。為此對式(2-152)，求導(dǎo)，并令 可得：(2-154)因?yàn)榕c壓力比y的關(guān)系為：(2-155)當(dāng)前13頁，總共38頁。則按式(2-154)可求出最佳壓力比：(2-156)在分析理論循環(huán)時(shí)，認(rèn)為提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)性應(yīng)采用盡可能小的壓比。但對于實(shí)際循環(huán)存在最佳壓力比，此時(shí)制冷系數(shù)最高。當(dāng)前14頁，總共38頁。2.3.2熱電制冷2.3.2.1熱電制冷的原理

熱電制冷(亦名溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或電子制冷)是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應(yīng)的逆反應(yīng)——珀?duì)柼?yīng)的原理達(dá)到制冷目的。

塞貝克效應(yīng)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(diǎn)的溫度不同，就會在兩接觸點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)電勢差——接觸電動(dòng)勢。同時(shí)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中，若通以直流電，就會使一個(gè)接點(diǎn)變冷，一個(gè)變熱，這稱為珀?duì)栙N效應(yīng)，亦稱溫差電現(xiàn)象當(dāng)前15頁，總共38頁。NEXT當(dāng)前16頁，總共38頁。半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，亦稱半導(dǎo)體制冷

圖2-165所示，當(dāng)電偶通以直流電流時(shí)，P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子)在外電場作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，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。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。當(dāng)前17頁，總共38頁。當(dāng)電偶對通以直流電I時(shí)，因珀?duì)栙N效應(yīng)產(chǎn)生的吸熱量與電流I成正比

式中——珀?duì)栙N系數(shù)(2-157)它與導(dǎo)體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，可按下式計(jì)算(2-158)當(dāng)前18頁，總共38頁。當(dāng)電流通過電偶對時(shí)，熱電元件內(nèi)還要放出焦耳熱。焦耳熱與電流的平方成正比，即：(2-159)

式中R為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為L,電阻率為及，截面積為 ，則(2-160)

計(jì)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。當(dāng)前19頁，總共38頁。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熱量：(2-161)式中k——長L的熱電元件總導(dǎo)熱系數(shù)若兩電偶臂的導(dǎo)熱系數(shù)及截面積分別為及則：(2-162)當(dāng)前20頁，總共38頁。電偶對工作時(shí)，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的功率為(2-164)因此電偶對的制冷系數(shù)可以表示為：(2-165)因此，電偶對的制冷量應(yīng)為珀?duì)栙N熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導(dǎo)熱量之差，即：(2-163)當(dāng)前21頁，總共38頁。2.3.2.2熱電制冷的特性分析在電流I為某一定值的情況下，令 ，由式(2-163)得：可見最大溫差的大小與電流的大小有關(guān)。(2-166)當(dāng)前22頁，總共38頁。將上式對I取偏倒數(shù)，并令其等于零，就可以求出最佳電流值與其對應(yīng)的最大溫降:將式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得:(2-167)(2-168)(2-169)當(dāng)前23頁，總共38頁。若兩電偶臂的幾何尺寸相同( )具有相同的導(dǎo)熱系數(shù) 及相同的電阻率 ，則式（2-169）變?yōu)榛?2-170)(2-171)式中 ——熱電元件材料的電導(dǎo)率當(dāng)前24頁，總共38頁。若 ，則(2-172)由此可見:

熱電制冷的最大溫差取決于材料的組成的一個(gè)綜合參數(shù)及冷端溫度。此綜合參數(shù)稱為制造電偶對材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z

，即(2-173)當(dāng)前25頁，總共38頁。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(2-165)對電流取偏倒數(shù)，并令其等于零，得到與最大制冷系數(shù)相對應(yīng)的電流及電壓值

(2-174)(2-175)當(dāng)前26頁，總共38頁。式中(2-176)故制冷系數(shù)與溫差 以及材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z有顯著關(guān)系。當(dāng)前27頁，總共38頁。2.3.2.3多級熱電堆一對電偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的電偶對,其制冷量僅為3.3～4.2kJ/h為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯(lián)成熱電堆，稱單級熱電堆

單級熱電堆在通常情況下只能得到大約50℃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)的方法組出多級熱電堆，圖2-166示出多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)前28頁，總共38頁。圖2-166

多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式a)串聯(lián)二級熱電堆b)并聯(lián)二級熱電堆c)串并聯(lián)三級熱電堆當(dāng)前29頁，總共38頁。半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用1、半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用 不用制冷劑

無機(jī)械傳動(dòng)部分

冷卻速度和制冷溫可任意調(diào)節(jié)

可將冷熱端互換

體積和功率都可做得很小當(dāng)前30頁，總共38頁。2、半導(dǎo)體制冷的用途方便的可逆操作

可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可制成低溫醫(yī)療器具

可對儀器進(jìn)行冷卻可做成零點(diǎn)儀當(dāng)前31頁，總共38頁。2.3.3蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷機(jī)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工質(zhì),但到目前為止，只有以水為工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷機(jī)得到實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)用水為工質(zhì)所制取的低溫必須在0℃以上，故蒸氣噴射式制冷機(jī)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。當(dāng)前32頁，總共38頁。NEXT當(dāng)前33頁，總共38頁。圖2-168蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖蒸氣噴射式制冷機(jī)的工作過程也可以表示在溫熵圖上。如圖2-168所示。圖中實(shí)線表示理想循環(huán)，虛線表示實(shí)際過程。當(dāng)前34頁，總共38頁?，F(xiàn)在可根據(jù)圖2-168進(jìn)行理論循環(huán)的熱力計(jì)算。(2-177)式中 ——被引射制冷蒸氣的流量鍋爐的供熱量(2-178)式中 ——工作蒸氣流量冷凝器放熱量(2-179)制冷量泵所消耗的功折合成熱量(2-180)當(dāng)前35頁，總共38頁。泵功較小，如果予以忽略，則整個(gè)制冷機(jī)的熱平衡式為而經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也用熱力系數(shù)來表示其中比值稱為噴射系數(shù)