半導體制冷原理

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)當前1頁，總共38頁。2.3.1空氣制冷歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質的，并且稱為空氣制冷機壓縮式空氣制冷機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過程這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其區(qū)別在于工質在循環(huán)過程中不發(fā)生集態(tài)改變當前2頁，總共38頁。 圖2-162無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖Ⅰ-壓縮機Ⅱ-冷卻器Ⅲ-膨脹機Ⅳ-冷箱 圖2-163

無回熱空氣制冷機理論循環(huán)的p-V圖與T-s圖當前3頁，總共38頁。NEXT當前4頁，總共38頁。

圖2-162示出無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖

圖2-163所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境介質的溫度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前5頁，總共38頁?，F(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制冷量及冷卻器的單位熱負荷分別是：(2-144)(2-145)單位壓縮功和膨脹功分別是：(2-146)(2-147)當前6頁，總共38頁。從而可計算出循環(huán)消耗的單位功及制熱系數(shù)：(2-149)(2-148)若不計比熱隨溫度的變化，并注意到當前7頁，總共38頁。則上式可簡化為：(2-150)(2-149)當前8頁，總共38頁。因為熱源溫度是恒值，此時比較標準循環(huán)應當是可逆卡諾循環(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，永遠當前9頁，總共38頁。圖2-164無回熱空氣制冷機實際循環(huán)當前10頁，總共38頁。

圖2-164中1-2s-3-4s-1為實際循環(huán)，而循環(huán)1-2a-3-4a-1可認為是只考慮換熱端部溫差，這樣計算的實際循環(huán)的制冷系數(shù)為：(2-152)當前11頁，總共38頁。由上式可以看出，在 給定的情況下，必然有一個最佳值 最大。(2-153)稱為循環(huán)的特性系數(shù)。而上式中：當前12頁，總共38頁。為此對式(2-152)，求導，并令 可得：(2-154)因為與壓力比y的關系為：(2-155)當前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，認為提高循環(huán)經(jīng)濟性應采用盡可能小的壓比。但對于實際循環(huán)存在最佳壓力比，此時制冷系數(shù)最高。當前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、半導體制冷或電子制冷)是以溫差電現(xiàn)象為基礎的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應的逆反應——珀爾帖效應的原理達到制冷目的。

塞貝克效應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，就會在兩接觸點間產(chǎn)生一個電勢差——接觸電動勢。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中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一個變熱，這稱為珀爾貼效應，亦稱溫差電現(xiàn)象當前15頁，總共38頁。NEXT當前16頁，總共38頁。半導體材料內(nèi)部結構的特點，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導體材料，亦稱半導體制冷

圖2-165所示，當電偶通以直流電流時，P型半導體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導體內(nèi)載流子(電子)在外電場作用下產(chǎn)生運動，并在金屬片與半導體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉換。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。當前17頁，總共38頁。當電偶對通以直流電I時，因珀爾貼效應產(chǎn)生的吸熱量與電流I成正比

式中——珀爾貼系數(shù)(2-157)它與導體的物理化學性質有關，可按下式計算(2-158)當前18頁，總共38頁。當電流通過電偶對時，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，引起制冷效應降低。當前19頁，總共38頁。除了焦耳熱以外，由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱量：(2-161)式中k——長L的熱電元件總導熱系數(shù)若兩電偶臂的導熱系數(shù)及截面積分別為及則：(2-162)當前20頁，總共38頁。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，電偶對的制冷量應為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導熱量之差，即：(2-163)當前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。(2-166)當前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率當前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)質系數(shù)Z

，即(2-173)當前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)相對應的電流及電壓值

(2-174)(2-175)當前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)質系數(shù)Z有顯著關系。當前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構型式。當前28頁，總共38頁。圖2-166

多級熱電堆的結構型式a)串聯(lián)二級熱電堆b)并聯(lián)二級熱電堆c)串并聯(lián)三級熱電堆當前29頁，總共38頁。半導體制冷設備的特點及應用1、半導體制冷設備的特點及應用 不用制冷劑

無機械傳動部分

冷卻速度和制冷溫可任意調節(jié)

可將冷熱端互換

體積和功率都可做得很小當前30頁，總共38頁。2、半導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

可對儀器進行冷卻可做成零點儀當前31頁，總共38頁。2.3.3蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷機只用單一物質為工質雖然從理論上談可應用一般的制冷劑作為工質,但到目前為止，只有以水為工質的蒸氣噴射式制冷機得到實際應用。當用水為工質所制取的低溫必須在0℃以上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水。當前32頁，總共38頁。NEXT當前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的工作過程也可以表示在溫熵圖上。如圖2-168所示。圖中實線表示理想循環(huán)，虛線表示實際過程。當前34頁，總共38頁?，F(xiàn)在可根據(jù)圖2-168進行理論循環(huán)的熱力計算。(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)當前35頁，總共38頁。泵功較小，如果予以忽略，則整個制冷機的熱平衡式為而經(jīng)濟性指標也用熱力系數(shù)來表示其中比值稱為噴射系數(shù)