半导体制冷原理.ppt

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1、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NEXT图2

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)从而可计算出循环消耗的单位功及制热系数：(2-149)(2-148)若不计比热随温度的变化，并注意到则上式可简化为：(2-150)(2-149)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

3、完善度为：(2-151)显然，永远图2-164无回热空气制冷机实际循环图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：(2-152)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：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)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比，此时制

4、冷系数最高。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NEXT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

5、，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。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)它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算(2-158)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

6、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。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：(2-162)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)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

7、)得：可见最大温差的大小与电流的大小有关。(2-166)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:将式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得:(2-167)(2-168)(2-169)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(2-173)下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电

8、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