（机械工程专业论文）小型半导体制冷冰箱设计.pdf

中文摘要 、仁导体制冷是利用特种半导体材料在外加商流电源的情况f 芦，- ，1 低温的 种制冷方式，目前在人工制冷技术，h ，有独特的地位。基7 ： 、f 导体制冷技术的冷藏箱的j i 要优点足无噪音，抗振，具有传统压缩 ，| ：j i 制冷所1 ：能取代的优势。i 到此，特别适用于高档宾馆、别墅。本文 通过x , l - t - - 导体制冷技术的原理分析和研究，并基于压缩机制冷冰箱 的7 r 发制造经验，设计了一种? 仁导体电子冷藏箱。该半导体电子冷藏 衍利用铝板作为吸热换热器，三层分离式热管作为放热换热器，充分 利j t jj 7 热传导、对流换热、沸腾与凝结换热、辐射换热等热传递力+ 式。 小文通过实验与理论研究相结合的途径，改变了原有半导体冰箱制冷 速俊慢，制冷量小，制冷温度小低的缺点，彻底摒弃了传统冰箱的压 缩机，其有真一意义上的无声特点，使冰箱制冷进入1 r 无声时代。 最后，在电冰箱性能试验室内，采用计算机数据处理系统，对所 设计冷藏箱和国内同行业样机进行了性能测试对比实验，验证了所设 计的制冷系统的优越性。 天键词：、j i 导体制冷冷藏箱换热器 a b s t r a c t w h e nt h es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a li s p a s s e dt h r o u g h d c ，t h e t e m p e r a t u r eo n o n es i d eo ft h es e m i c o n d u c t o rw i l lb ev e r yl o wa n do nt h e o t h e rs i d et h et e m p e r a t u r ew i l lb eh i g h s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o ni s ar e f i + i g e r a n tm o d e b yu s i n g t h ep h e n o m e n a i th a sp a r t i c u l a rs t a t i o ni nt h e m a n p o w e rr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y f i e l d t h em a i n a d v a n t a g e o ft h e s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o r i sn o i s e l e s s n e s sa n da n t i s h a k e ，b u tt h e t r a d i t i o n a lc o m p r e s s o rr e f r i g e r a t o rc a n t s oi t e s p e c i a ll y f i tf o rt h et o p g r a d eh o t e la n d v i l l a i nt h i st h e s i sas e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o r i s d e s i g n e db ya n a l y z i n ga n ds t u d 3 7 i n gt h ep r i n c i p l eo f t h es e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y a n d u s i n g t h e e x p e r i e n c e o f d e s i g n i n g c o m p r e s s o rr e f r i g e r a t o r f o rr e f e r e n c e i nt h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o r t h ea l u m i n i u mb o a r d sa r eu s e da sa b s o r p t i v ea p p a r a t u so fh e a t ，a n dt h e p i p e sf i l l e dw i t hr e f r i g e r a n ta r eu s e da sr a d i a t o r m a n yh e a td e l i v e rw a y s a r e a p p l i e d i t c o m b i n e sh e a t c o n d u c t i o n ，b o i l i n g h e a t t r a n s f e r , c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r i to v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g eo f i n t r i n s i cs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o r ，s u c ha sr e f r i g e r a n t s p e e ds l o w ，r e f r i g e r a n tc a p a c i t ys m a l l ，r e f r i g e r a n tt e m p e r a t u r eh i g h t h e c o m p r e s s o r i ss p u m e d e x h a u s t i v e l y ，t h en o i s er o o t i sa v o i d e d a tl a s t ，i nt h er e f r i g e r a t o rf u n c t i o nl a b o r a t o r y ，a d o p t i n g c o m p u t e r d a t ah a n d l e s y s t e m ，w e h a v et h ef u n c t i o nc o n t r a s tt e s tt ot h e s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o r a n dt h eo t h e r d o m e s t i c s a m p l e t h e t e s t 、e r i f i e st h ea d v a n t a g eo f t h es e m i c o n d u c t o j r e f r i g e r a t i o ns y s t e m 。 k e y w o r d ：s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o nr e f r i g e r a t o rh e a tt r a n s f e r 猁 创一h i 声叫j 本人声明所，交的学位i l - 艾避本人在导师指导卜边行的五 1 究工作和取符的 研究战果，除了文c 啤 别 _ j 7 以； 和致谢之处外，论文中不包含其他人已纾发表 戚援。t j 过的研究成果，也1 ：包岔乃扶樗叁星盘堂或其他教育机构的学位或诩 i l f 【j 使j j 过的栩料。i 我l l _ j ，0 【】 i 志刈4 x 研究所做的任似负献均已在沦史t f 1 7 明确的说明刊表小了i 射童 f 奠眨义件肯毽袈奎洪三 箍7 乒f 期：帅z ； 6 j3 3 0 学位论文版权使用授权书 水学位论父作者完全解墨盗盘堂何天保留、使1 j 学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学f j + ：全文的令部或部分内容编入囱1 关数捌库进行检 索，并采j l j 影印、缩印豉；】推等复制于段保存、汀编以供查阅和f 阀。同意学校 n 家有荚部门或机卡勾送交：2 。：! j 叫件和磁盘， t 侏常日0 学位论文存缸。年二。三嘲小授椒说明_ ) 州，沦艾誉：奄洋云 刘巾醐：夕应陆参厅吨 i ：j ? fj ! f i i ：z o 己6 j3 0 。! j - | j j ：? t ”2 - 1 z j 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 常见的制冷方法有以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡 流管制冷、和热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为j “泛它是利 r 液体汽化时吸热效应实现制冷的。蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射 ，和吸附式制冷都属于液体汽化制冷。 液体汽化形成蒸汽。当液体处在密闭容器内时，若此容器内除了 液体及液体本身的蒸汽外不存在任何其他气体，那么液体和气体在某 j i j 力r 将达到平衡，此时的气体称为饱和蒸汽，它所具有的压力称 为饱和j 1 1 力，温度称为饱和温度。饱和压力随温度的升高而升高。如 果将一部分饱和蒸汽从容器中抽走液体中就必然再汽化一部分蒸汽 柬维持平衡。液体汽化时，需要吸收热量，此热量称为汽化潜热汽化 潜热束自被冷却对象，它使被冷却对象变冷，或者使它维持在低于环 境温度的某一低温。 为使上述过程连续进行，必须不断的从容器中抽走蒸汽，再不断 地将液体补充进去。通过一定的方法把蒸汽抽走，并使它凝结成液体 后冉回到容器中，就能满足这一要求。从容器中抽走的蒸汽，如果直 接凝结成液体，所需冷却介质的温度比液体的蒸发温度还要低，而我 们希望蒸汽的冷凝过程在常温下实现，因此需要将蒸汽的压力提高到 常温下的饱和压力。这样，制冷工质将在低温、低压下蒸发，产生制 冷效应，并在常温、高压下冷凝，向环境或冷却介质放出热量。因此， 汽化制冷循环由工质汽化、蒸汽升压、高压蒸汽的液化和高压液体降 压四个过程组成。 蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷都 具备上述四个基本过程。 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，是5 0 年代术发展起来的 制冷新技术，半导体制冷的主要特点为：一、无机械运动、制冷迅速。 第一章绪论 没有复杂的机械结构，无传统制冷机必需的制冷剂，当直流电通过用 特种半导体材料组成p n 结时，p n 结一端的温度将急剧降低，另一 端的温度将急剧升高。二、使用方便、应用广泛。半导体制冷器可以 任意做成大小不一，形状各异，制冷量可以从毫瓦级到于瓦级变化， 制冷温差可达3 0 15 0 。三、改变制冷器的供电电压，可以实现制冷 量的连续调节，改变电源供电方向，可以从制冷转为制热，两者配合 温度调节范围大。四、半导体制冷器可做成重量轻、体积小的微型、 亚微型、小型半导体制冷器，供高技术领域使用。由于上述的优点， 世界各国都对此非常重视并组织了较大规模的工艺生产，特别是美、 苏、德、法、日等国发展较快，应用广泛，大到核潜艇的空调，小到 红外探测器探头的冷却，都与此项技术相联系。我国虽起步较晚，但 从6 0 年代末开始，也生产了性能较好的半导体制冷材料，开辟了半导 体制冷广泛应用的新领域。随着对对大气层有破坏性的氟利昂等制冷 物质的被禁止使用，半导体制冷技术的应用将会得到进一步的发展。 现在半导体制冷技术应用较为普遍的有以下几个方面： 1 、军事：导弹、雷达、潜艇等； 2 、医疗：冷刀、冷台、白内障摘除器等； 3 、专用装置：电脑、石油低温测试仪等； 4 、日常生活：空调、冷暖保温箱、冷热饮水机等。 传统冰箱采用压缩机制冷方式，不仅因其制冷剂氟里昂对环境有 较大的破坏作用，而且因其成本高、噪音大等缺点，越来越难以满足 人们求经济、求环保、求健康的要求。采用半导体制冷的冰箱，应用 热电制冷效应，彻底摒弃了传统冰箱的压缩机，具有真正意义上的无 氟、无噪音，该冰箱还具有以下特点：寿命长，使用寿命长达2 0 年； 安全，电磁辐射同类产品最低：轻便抗振，体积小，重量轻，不怕倾 斜，价格便宜；这种采用半导体技术生产的冰箱由于无压缩机，彻底 消除噪音，特别适合宾馆、办公室、家庭等场所使用。， 1 2 半导体制冷技术国内外研究综述 ( 1 ) 国内技术水平现状 2 第一章绪论 我国半导体制冷技术始于5 0 年代初，是早期研究制冷技术的国 家之一。6 0 年代中期半导体材料的性能达到了国际水平，6 0 年代术 至8 0 年代初是我国半导体制冷技术发展的一个台阶。中国科学院半 导体研究所投入了大量的人力、物力，获得了半导体制冷器，因而才 有了现在的半导体制冷器的生产及其二次产品的丌发和应用。 目前在国内应用半导体制冷技术的产品有河北节能投资有限贵任 公司的半导体电子冷藏箱，河北华冷半导体有限公司研制开发的主要 用于汽车内的半导体冷暖箱，浙江安吉尔有限公司的电子冷热箱，杭 州建华的冷热饮水机。 2 )国外技术水平现状： 半导体制冷是建立在l9 世纪初期发现的帕尔帖效应的原理基础 上，帕尔帖效应发现后的一百多年里，一直无法得到应用。直到本世 纪扛 年代，苏联科学院半导体研究所约弋院士对半导体进行了大量 研究于一九五四年前发表研究成果，表明碲化铋化合物国溶体有良 好的制冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是 温莘制冷中半导体材料的一种主要成分。约飞的理论得到实践后，有 众多的学者进行研究，到六十年代半导体制冷材料的优值系数达到相 当水平，半导体制冷器才得到大规模的应用。目前半导体制冷器的生 产除中国外，还有r 本、美国、俄罗斯等少数国家生产，中国在半导 体制冷器的总生产上居世界首位，其主要原因是半导体制冷器的原材 料在中国储存量最多，且在应用开发上有较大的成功。最近几年，半 导体制冷器的应用产量逐年上升。从1 9 9 6 年的全国总产量的5 0 万 片到】9 9 9 年的3 5 0 万片，预计2 0 0 1 年的产量会超过4 5 0 万片。 1 3 课题的提出和研究内容 随着市场竞争的愈演愈烈，如何发现新的卖点，刺激消费者的购 买欲望，是摆在每个企业面前的课题。消费者日益挑剔的目光，使生 产者在不断提高其加工制造技术的同时，不得不加大新产品开发力 度。山东小鸭集团冰柜有限公司原有产品都是采用压缩式制冷的冰 柜、冷藏箱。设计一种性能优越的半导体冷藏箱，增加自己的竞争砝 第谭绪论 码，势在必行。而半导体制冷的关键技术难点就是怎样把半导体热电 堆所产生的冷量和热量最大限度的传递出去，以达到最佳的制冷效 果。且由于半导体冷藏箱体积小、无噪音等优点越来越受到宾馆、 家庭等消费者的青睐。 本文通过对半导体制冷技术的原理分析和研究，结合实验验证， 着重设计了一整套制冷系统。其主要研究内容如下： 1 ) 半导体制冷的原理及功能研究 2 ) # 导体冷藏箱的热负荷计算； 3 ) 放热换热器的设计及计算：采用分离式热管结构，内充制冷剂辅 助散热。 4 ) 吸热换热器的设计及计算：主要靠铝板散热。 5 ) 机械结构设计。 6 ) 半导体冷减箱工艺路线的确定。 第二章热电制冷的基本原理 第二章热电制冷的基本原理 热电制冷是因具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时 有制冷功能，而得名。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特 性，它的应用j 真正使热电制冷实用化，为此人们又把热电制冷称 为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来，是由于人们发现了材 料的温差电动势之后再发现其反效应，即具有制冷功能的帕尔贴效 应，与温差发电对应，把后者称为温差电制冷。 上世纪初人们在利用电磁能的大量科学实验中，发现了某些 金属材料有热电效应。其中最著名的是塞贝克发现的温差电流现象 和珀尔帖发现的温度反常现象。其后，有人进行了热电发电和热电 制冷的研究。出于当时只能使用热电性能较差的金属材料，能量转 换的效率很低。因此，一百多年束除了把金属热电偶用于温度测量 外，热电效应在技术上没有得到实际应用。本世纪5 0 年代以后，半 导体材利在各个领域得到了广泛应用，发展非常迅速。热电性能较 好的半导体材料使热电效应的效率大大提高，从而使热电发电和热 点制冷进入实践领域。 2 1 热电效应的产生 总的热电效应有同时发生的五种不同效应组成。其中塞贝克、 珀尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的。另 外两种效应是热的不可逆效应，即焦耳和傅立叶效应。 2 1 1 塞贝克效应 18 2 1 年，塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个 接头处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验之后，发现 了回路中有一电动势存在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应， 这种电动势就称塞贝克电动势或温差电动势。 如图2 1 所示，材料a 和材料b 构成了两个结点，当两个结点问 第二审热电制冷的基本原理 有小的温差时，产生的开路电动势正比于结点间的温差 e = 。b t公式( 2 - i ) 式中u 开路电动势； a 。b 一材料a 和b 的相对塞贝克系数，单位为v k ( 或uv k ) ； t 材料a 和b 构成的两个结点之间的温差，单位为k 。 若用a - 和a ：表示两种材料的绝对塞贝克系数，由这两种材料 所制成的热电偶的相对塞贝克系数为： o l2 = ol - o2公式( 2 2 ) b a 图2 1 塞贝克效应 b 显然，当q1 为正、n2 为负时，oi2 最大。 一般由纯金属构成的热电偶，al2 的平均值约为2 0uv k ：由合 金材料构成的热电偶，ol2 的平均值约为5 0uv k ；而对于半导体材 料，ol2 可达1 0 0 0uv k 。 2 1 2 帕尔帖效应 当直流电通过两种不同材料构成回路时，结点上将产生吸热或放 热( 图2 2 ) 现象，这是帕尔帖最早发现的，18 3 4 年首次发表于法国 物理和化学年鉴上，因此这个现象称帕尔帖效应。 实验表明，结点上的换热量( 帕尔帖) 与电流成正比 q p = j ra b l 式中n 。b 是比例常数，称为帕尔帖系数。 公式( 2 - 3 ) 第一二煮熟屯制冷的藻本原理 图2 - 2帕尔帖效应的示意图 b 帕尔糖系数也取决予4 对奉孝料，丽不只取决于萁中萃牵材孝茸。 对n n 也翁个媲定符号黪酒邀，这必须与a 。致。通嚣，器材辩 a 对奉季料b 为讦三，当热漱偶程冷结点断开时，n 。为f 。i 川样，当材 制a 对材料b 在温差魄上为正时， n 。为征。这样，若a 楚b 的电 流 为匿邀浚，粼在终点上鼹产生q 。 由汤姆逊完成的滠麓电路热力学分析，确立了塞贝壳和懒尔帖 系数之阗熬关系 式中t 魑缝对温度。丽姥，掰种不同材料结点主单位时胤内暇收或 鼗受懿熬为 q p = d 。b i t公式( 2 ，5 ) 惫耩热毫耩秘襁尔靛效瘦，可鞋震缓触电馥差瑷象爱程熬滋髓。 出于接融电位差的存在，搜缀过接头的咆子经历电位突变，当接触 电位蓑与外愈场同囱辩，毫场力傲功健奄予戆鬣增加e u 。嗣辩， 嚣二攀燕电剩冷豹基本摄壤 “”“。_ 。_ 一 电子与晶体点阵碰撞将此能量变为晶体内能的增量。结果使接头温 度升高，并释放出热量。巍接触电位差与外电场反向时，电子反抗 电场力傲功e u 。，其能爨来自接头出的晶体点阵。结果使接头的温 褒下降，势从蔫圈环境吸收热萎。 对予零警体蒸毫爨，旗尔稚效应章誓剐篾著。当电流方愈铁空穴 半导体流向电子半导体( p n ) 时，接头处温度升高并放出热量： 反之，接汰处温度降低并从外界吸收热最。由于半导体内有两种导 电机构，它的帕尔帖效应不能只用接触电位差来解释，谮则将得出 与上述搴实截然捃反静结论。下瑟翅p - n 绻鹣藐带国来邀步阐明 这个闫瑟( 謦2 3 ) 。 。i 一 、丧。! ! 盘鲎j o 秸 d 了了了芦、。= ) ： 一一j jjj ! j 。 n ，j 。) ，= ? ：专? ( a ) 接头放热( b ) 接扶吸熟 图2 - 3半导体接头鲶鹣泊尔旗效应 当电流方向是p n 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的 自由电予相向向接头处运动。在接头处，n 型半导体导带内的自由 电子将通道接触面进入p 裂半导体的导带。这时，自由电子的运动 方淘是冬接皴电整差一致瓣，这褪当予鑫瓣热电霾冷壤熬繁况，当 自由电子遴过接头拜重将蔽l | 芟髓量。僵是，遴入p 登半导律释带的爨 由电子立刻与满带中的空穴复合，它们的熊量转交为热量从接头处 放出。由午这部分能量大火超过它们为了党服接触电位差所吸收的 能量，抵消部分之后逐楚星现放热。同样，p 型半导体满带中的 空定将灌避犊簸瑟逡入n 黧拳导体豹潢黎，遣阂撵要壳黢狻缝毫霞 差丽吸热。由于进入n 型半导体满带雏空穴立刻与导带中的自由电 毫 第一二章热电制冷的基本原理 予复合，它i f 的能量变为热量从接头处放出，这部分热量也大大超 过克服接触电位差所吸收的能量一部分抵消后还是防放热。其结果， 接头处温度升高而成为热端，并向外界放热。 当电流方向是n p 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的 自由电子作离开接头的背向运动。在接头处，p 型半导体满带内的 电子跃入导带成为自由电子，在满带中留下一个空穴，即产生电子一 空穴对。而新生的自由电子立刻通过接触面进入n 型半导体的导带， 这时自由电子的运动方向是与接触电位差相反的，这相当于金属热 电偶热端的情况，电子通过接头处放出能量，但是，产生电子空穴 对时所吸收的能量大大超过了它们通过接头时放出的能量。l 司样，n 型半导体也产生电子空穴对，新生的空穴也立刻通过接触面进入p 型半导体的满带，产生电子空穴对时所吸收的能量也大大超过了它 们通过接头时所放出的能量。总的结果使接头处的温度下降而成为 冷端，并要从外界吸热，即产生制冷效果。 由丁二碲化铋等半导体材料具有优异的热电性能，使帕尔帖效应 非常显著，因此产生了实际应用的价值。近3 0 年来，以碲化铋为元 件的热电制冷器不断得到推广应用，出现了种类繁多、性能各异和 大小不一的半导体制冷器件，满足了各方面的特殊需要，以致在制 冷领域中独树一旗。 2 1 3 汤姆逊效应 若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行 能量交换( 图2 - 4 ) 。这种现象称汤姆逊效应。 实验得出单位长度吸收或放出的热与电流和温度梯度的乘积成比 例 或 q t = li 。d x t q ，= li t 公式( 2 - 6 ) 公式( 2 7 ) 式中q ，每单位长度导体的吸热( 放热) 率，也称汤姆逊热 第二章热电制冷的基本原理 一一 比例常数，称为汤姆逊系数； i 一一 通过导体的电流； d t d x 、t 温度梯度和温差。 如果习惯电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤 姆逊系数为正值。汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。 t t ，的值越大，汤姆逊现象愈明显。因此，对于某些计算考虑 汤姆逊热可以提高计算精度。一般因这种热交换是二级效应，它在 电路的热分析计算处于次要地位，可以忽略不计。 温度梯度 2 1 4 焦耳效应 图2 - 4 汤姆逊效应示意图 单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方 的乘积 式中q ， i 一 q j = 1 ：r = i ：导 由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热 通过导体的电流： 导体的电阻； 1 0 公式( 2 - 8 ) 第二章热电制冷的基本原理 p导体的电阻率； l导体长度； s导体截面积。 2 1 5 傅立叶效应 单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向 的面积和咳方向温度梯度的乘积成正比 q 。= 。? ( t h - - t c ) = k x t 武中k 、k导体的热导率和总热导 t 。 热端绝剥温度： t 。 冷端绝对温度。 2 1 6 热电制冷的产冷量 公式( 2 - 9 1 在制冷热电偶中，一个结点上放热，而另一个结点上吸热，因 此，在两个结点州有温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。 因热电偶内流动的电流产生焦耳热( 1 2 r ) ，使局部温度升高，温度 升高就使更多的热流向冷结点，起了增加从热结点至冷结点总热量 的作用。若热在电流为i 的导体上达到平衡，则传导给冷结点的纯 热流可用一维傅立叶方程来表示 q 。；jq ，+ q 。：；i ：r + k g t 公式( 2 1 0 ) 由传导传给冷结点的总热量影响了帕尔帖制冷，因此把它减掉 就得到了单个热电偶的纯产冷量，即 q 。= q ，+ q 。a b i t 。一；i 2 r k a t 公式( 2 1 1 ) 第。：章热电制冷的基本原理 2 2 热电制冷原理 2 2 1 帕尔帖效应的应用 热电制冷是热电效应主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应 用。实用的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比 较高的半导体热电偶构成的。 冷结点 热结点 图2 - 5 两种不同的热电材 料片之间的冷热结点 像金属这样的材料都有自由电 子分布着，这些电子由于温度梯度 或电场的作用而运动。若对金属棒 的一端加热，自由电子的动能就将 增加，致使纯电子流流向冷端。电 荷是与每个电子相连系着，所以出 热能引起的电子流动也是电流。在 导体或温度场中，载流子的浓度关 系实际上是塞贝克效应。 若把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当作电流来看，则每 种材料载流子的势能不同。因此，为满足能量守恒的要求，载流子 通过结点时，必然与其周围环境进行能量交换。这就是帕尔帖效应。 能级的改变是现象的本质，这使构成制冷系统成为可能。例如图2 7 所示的组合在一起的两种热电材料片。 n 型材料有多余的电子，有负温差电势。p 型材料电子不足，有 正温差电势。当电子从p 型穿过结点致n 型时，其能量必然增加， 而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这一点可用温度降低来 证明，相反，当电子从i 1 型流至p 型材料时，结点的温度就升高。 图2 5 所示的电路的连接方法在实际的应用中无用，因此要用 图2 - 6 的连接方法来代替。根据实验证明，在温差电路中引入第三 种材料( 连接片和导线) 不会改变电路的特性。这样，半导体元件 可以各种不同的连接方式来满足使用要求。 1 2 第一章热电制冷的基本原理 如图2 6 把一只p 型半导体元件和一只n 型半导体元件连接成 热电偶接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。 在上面的一个接头处，电流方向是n p ，温度下降并且吸热，这就 是冷端。而在下面的一个接头处，电流方向是p n ，温度上升并且 放热，因此是热端。 按图2 6 把若干对半导体热电偶在电路上串联起来，而在传热方 面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。按图示接上直 流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助热交换器 等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度， 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的 r 作原理。 图2 6热电制冷原理图 2 2 2 热电制冷与机械压缩式制冷的比较 片 热电制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电 堆起着普通制冷压缩机的作用，冷端及其热交换器相当于普通制冷 装置的蒸发器，而热端及其热交换器则相当于冷凝器。通电时，自 由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆的冷端向热端运动， 相当于制冷剂在制冷压缩机的压缩过程。在热电堆的冷端，通过热 交换器吸热，同时产生电子空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中的 吸热和蒸发。在热电堆的热端，发生电子一空穴对的复合，同时通过 热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器中的放热和凝结。 第二章热电制冷的基本原理 一 j 皿 ： l 一一_ t 前、d 了_ 。一 7j 肯卜1 bf 甫时广 i r 艄7二1 卅打 7 、r l 1 ”l 。1 _ 一 一冷剂流 2密闭管路 ：压缩机 4冷凝器 j 蒸发嚣 6节流阀 图2 7系统间的类似 l 、 热电制拎系统 电子魄 = 。 电路 电源 二一热端 j 一冷端 一睫级 制冷剂流电子流 压缩机 q - | 电池 ， h + ”n _ 。+ 十h f _ 、 4 1 o h j “ j “o 一 4 热拎 r 热 一 i ： 器 罐 图2 8能级类似 机械压缩式制冷和热电制冷系统间存在着一些类似的地方，各对 应部件见图2 7 。 每个系统中，最重要的是热边和冷边内能改变的方法。对于蒸 发压缩循环，节流阀是使能量变化的设备。当制冷剂离开冷凝器时， 它是处在高压和中等温度下的饱和液体，当制冷剂通过节流阀时， 它绝热等焓膨胀。因此，制冷剂是作为低压、低温、低质量的蒸汽 1 4 第一二章热电制冷的基本原理 而离开节流阀，而且处于最低的能级状态。这使制冷剂在蒸发过程 中能吸收大量的热。没有节流阀，压力就不变，制冷剂的焓就不变， 也就不会出现“抽热”。在热电制冷系统中的类似部分是p 型和n 型 半导体材料中电子能量的差，假若整个系统电子能级相同，也就不 会出现“抽热”。丽种系统的能级图示于图2 8 。 2 2 3 热电制冷的基本计算公式 图2 - 6 画出了n 型和p 型半导体构成的电偶对。在这电偶中通上 电流后，交界面附近在一秒钟时间内放出或吸收的热量( 帕尔帖热 q 。) 与电流强度i 成正比 式中 q p 2 j i a b i “a b = ( o e l 。) t 公式( 2 - 3 ) 公式( 2 12 ) o 。o 。分别为n 型和p 型电偶臂的温差电动势率，t 为相应接 头上的绝对温度。a 。是正值，o 。是负值，因此在一个接头上的帕 尔帖系数是n 。和a 。的绝对值相加和温度t 的乘积。 如果在放热的接头上预以散热，使它保持一定的温度t 。，那么 另一接头就开始冷却，直到从周围介质传入这个接头的热量q 。和沿 着电偶臂传入的热量q 。的总和等于所吸收的帕尔帖热量时，即 q p = qo + qh 。 此时冷接头的温度达到平衡，设温度为t 。 沿着电偶臂流入冷接头的热量为 公式( 2 13 ) q h 。= i i q j + q k = i 1 i2 r + k a t 公式( 2 1o ) 式中r 为电偶臂的总电阻，其值为 第一二章热电制冷的基本原理 r 。十。b 。 k 是电偶臂的总热导，其值为 k = k i ? “+ k ；， 公式( 2 14 ) 上面两式中的l 。、l p 、o 。、op 、s 。、s ，、k 。、k ，分别为n 和p 型半 导体的长度、电导率、截面积和热导率。 于是得热电偶的产冷量为： 或 q 。= ( a 。一a 。) i t 。一! i 2 r k t 公式( 2 11 ) ( 。，一n 。) i t 。；i 2 r q 。 t = k 公式( 2 - 16 ) 由上式看出，在其他条件不变情况下，冷接头处于理想绝热，即 没有任何热量传入的情况下( q 。= 0 ) ，电偶臂上建立的温差t 。一t 。 将达到最大值t 。当电流强度i 为最佳值i 时，经过简单的运 算可以得出： t 一( 。- 一o ) t 1 i na ) t r c 下 一l7 t 2 jim ax 一9 厶jc 公式( 2 一i8 ) 第二章热电制冷的基本原理 式中z ：而 p i 2 公式( 2 1 9 ) 山 r kr k “，、 z 称为热电材料的优值系数，单位k ，它代表了热电材料的一 种特性，它决定了制冷元件所能达到的最大温差。见图2 - 9 。可得下 列结论： ( 1 ) 为了产生大的制冷性能，温差电动势要相当高，它是所选 电偶材料的函数。前面我们已经指出，该电动势是随温度变 化的塞贝克电压。 ( 2 ) 电阻率要低，否则电阻产生的热可能超过制冷效能。 ( 3 ) 要维持冷热结点之间有一个大的温差，导热系数要低。 8 ： 7r 菊文、 赠 ，o 57n己 10 优值系数7 l u 。 图2 - 9z a t 。关系 通常，把这三个因素综合成优值系数z ，这个值是衡量热电器 件材料有用性的指标。 现在市场上最好的热电材料是碲化铋，最高的优值系数低于 o 0 0 4 k 。 第二章热电制冷的基本原理 必须注意韦芎释工作的温发，因为这三个参数。、r 、k 与滏度密 度相关。 俊德系数的概念说明了：先骨么在熬魄效应酌应拜l 中不麓嗣纯金 属；为什么现在的热电材料性能上的提高还有待于半导体材料的发 聪。缝金属酶煞电势零来藏低，一般只有凡v k ，丽拳导体溉可默 靠负电子流，又可以嚣正空穴流来表示其电或热流特性，因此是现出 非常大酌溢差电动势率。铡如，在稀由碲亿铋制成酶器件中，p 墅 她的p = 2 1 0 pv k ，n 型边的n 。= 2 l5uv k ，总的温差电动势率为 n2op - an = 4 2 5p - v k 电流强度1 。，是半导体制冷元件在最大温差( 也就是最小产冷 麓) 获淼下的电流公筑。在这个条件下，对电偶上的电压酶 u 。i r + ( 8p - 8 。) t 公式( 2 2 0 ) 就变为u 2 ( 8 p - qn ) t c + ( qp - dn ) t = ( d 口。n 。) t h 公式( 2 2 i ) 与制冷元件的尺寸大小无关。 在实际使用中，除了上述的最大温麓工作状态外，有时要求制冷元件 溅制冷器工作程最大效率状态。制冷器的制冷系数e ，定义为单位电 功率所能吸收的热墓，即e = q t n 。 一对电偶消耗电劢率为 n 。2 1 2 r + i ( np - an ) t 公式( 2 2 2 ) 一对电偶麴钊冷系数为 。甓。旦杀篙喜掌娥：粕， 第一章热电制冷的基本原理 经过简单的运算可以得出，当电流 t 一1 一 ( _ p 一? 。j 全t 1 1 0 一， 1 一 ( 1 l + i z t 一1 ) r 时，电偶对的制冷系数最大，其数值为 e = 矗鬻 由上式看出，制冷材料的优值系数z 直接影响制冷电偶的制冷 系数，它也取决于温差( 图2 10 ) 。单独对电偶的产冷量q 。是很 小的，在实际应用中是把若于对热电偶排列成阵，组成半导体制冷 热电堆。根据现在制冷材料性能的水平，一对热电偶，在冷端无热 负栽( q 。= o ) 的情况下，最大温差t 。= 7 5 7 8 k ( 热端保持3 0 3 k ) 。 但是，实际使用中热损失总是存在的，即q 。 0 ，一级半导体制冷 电堆只能实现大约6 0 k 的温差。为了得到更低的制冷温度，往往做 成两极或三级制冷器，目前最低能得到接近于冰的温度( 1 9 5 k ) 。 e 与温差很有关系，当电偶吸热端温度接近或超过放热温度时，制 冷系数将大于l ( 在最大效率工作状态) 。 热电偶哪个接头发热? 哪个接头制冷? 这由电流方向决定。电 流由n 型半导体进入p 型半导体的接头时制冷，方向相反则发热。 电偶在热端放出的热量为 公式( 2 2 6 ) 第二二章热电制冷的基本原理 二、i 一_ l 一l 一j 一“ !i 卜| ， l f 。；p 。一 ； j 】i i a x i t k 图2 10一t 关系 一对电偶在热端的放热系数e ，定义为单位电功率发敖出的热量为 e 一意小e 公式f 2 - 2 7 ) 可以看出，热端释放的热量比消耗电功率大，因此，利用热电原理 做加热器( 热泵) 是很有利的。 热电制冷装置与般制冷装置的显著区别在于：不使用制冷剂， 没有运动部件，容量尺寸宜于小型化，使用直流电工作。 由于不使用制冷剂，消除了制冷荆泄露将对人体造成的毒害。 在这些场合，采用热电制冷是十分合宜的。例如用在密闭的工作室 内。 由于没有运动部件，在热电制冷器运行时，无噪音、无振动、无 磨损。因此工作可靠，维护方便，使用寿命长。对于潜艇等特殊环 境，对噪音和振动有比较高的要求，维护操作亦力求简便。热电制 第二章热电制冷的基本原理 冷装置是比较理想的冷源。 热电制冷器的容积宜于小型化，这是一般制冷技术所办不到的。 小型热电制冷器的产冷量一般在几瓦到几1 一瓦之间，它的效率和容 量大小无关，只取决于热电堆的工作条件。微型热电制冷器的容积 和r 寸是相当小的。例如可以达到零下1o o ( 17 3 k ) 的四级覆叠 式半导体制冷器，它的产冷量只有几十毫瓦，外形大小跟一只香烟 盒相仿。 热电制冷装置可以通过调节工作电压柬改变它的产冷量和制冷温 度。作为仪器仪表的小型冷源，易于实现连续、精密的控制。如热 电制冷的零点仪可以达到0 0 0 1 k 的精度。大型的热电空调装置， 改变的连接方式可以调节产冷量，低负荷时效率随工作电流减小而 提高，超负荷时产冷量可成倍增加。热电制冷装置的这种机动性比 较适合船舶的使用要求。 热电制冷装置使用直流电工作，对于工作电压的脉动范围有一一定 的要求。如果允许的产冷量损失为l 左右，那么电压的脉动系数 1 i 得超过表2 一l 的值。 因此，最好采用蓄电池或三相全波整流电源。如果采用单相全波 整流方式，必须加上滤波器j 能使用。 由于热电制冷的上述特点，在不能使用一般制冷剂和制冷装置 的特殊环境以及小容量、小尺寸的制冷条件下，显示出它的优越性， 成了现代制冷技术的一个重要组成部分。但是，半导体材料的成本 比较高，热电制冷的效率比较低，再加上制造工艺比较复杂，必须 使用直流电等因素，这些都在一定程度上限制了热电制冷的推广和 应用。 表2 1 产冷量损失l 时允许的脉动( 波纹) 系数 工作电流脉动系数 i = i l0 i = 0 6 i 15 2 1 第三章半导体冷藏箱的设计 第三章半导体冷藏箱的设计 3 1 冷藏箱的总体布置 本设计的总体布置是以国家标准g b t s 0 5 9 卜1 9 9 5 家用制冷器具 冷 藏箱和q x c b 0 8 6 半导体冷藏箱为依据。现根据所提出的任务给出如 下设计条件。 1 ) 使用环境条件：冰箱周围环境温度t = 2 5 。c ，相对湿度不大于9 0 ； 2 ) 箱内温度：t 1 8 ； 3 ) 箱内有效容积：5 0 l ： 4 ) 制冷系统为热电制冷系统，放热换热器为丝管式。 3 1 1 箱体的的设计 冷藏箱的热负荷与冷藏箱的结构、冷藏箱的内容积、箱体的绝热层厚度 和绝热材料的优劣等因素有关。 卜v 一- 一，一t 一d l 生土= = 7 一芒三刍 图3 1 箱体结构 1 一箱外壳，2 一内胆，3 一绝热层，4 一门外壳 第二章、 ，导体冷藏箱的设计 冷减箱箱体由箱外壳、内胆、绝热层、门外壳、门胆等组成。山于本冷 藏箱主要用于高级宾馆、家庭等室内环境，故箱外壳和门外壳设计为用1 0 毫米刨花板制成，外壳表面烤漆。内胆和门胆采用a b s 塑料板吸塑成型。 绝热层采用聚氯酯泡沫塑料，它是在异氰酸酯与多元醇( 比例1 1 ：1 ) 放热 反应的基础上，通过自身的聚合反应，产生出固态聚氨酯。在聚合混合物中 注入发泡剂，产生气泡，便得到泡沫塑料，门框四周装有磁性密封条，关门 后使门体和箱体吸合。 箱体外形尺寸：4 7 8 m m 4 6 5 m m 6 7 0 m m ( 宽深高) 。箱体结构图 蜘】图3 1 所示。 3 1 2 箱体绝热层厚度 冰箱箱体均采用硬质聚氨酯整体发泡作绝热层，其绝热性能好，适于流 水线大批量生产，发泡后的箱体内外壳被粘接成刚性整体，结构峄固，内外 壳厚度可适当降低。 绝热层厚度的确定将直接影响耗电量和箱体的外形尺寸。若厚度增加， 通过绝热层箱内的热量减少，耗电量减少，但外形尺寸增加，成本也增加。 箱体设计时希望冰箱制冷效果好，保温性能好，同时又售价低耗电省。困 此尽可能在满足冰箱性能指标的基础上，即减少绝热层的厚度，又降低能耗。 根掘实践经验选取绝热层厚度：侧面5 8 7 5 m m ，顶面底面6 0 5 0 m m 背 面6 1 ，3 0 m m ，门体：4 0 m m 。 3 2 总热负荷计算 热负荷包括：箱体漏热量q 。，开门漏热量q ：，储物热量o 。和其它热量 q 。，即 3 2 1 箱体漏热量q ， q = q l + q 2 + q 3 + q 4 箱体漏热量包括：通过箱体隔热层的漏热量 热量q 。，通过箱体结构形成热桥的漏热量q 。即 q i = q 。十q b + q 。 2 3 q ，通过箱门和门封条的漏 公式( 3 - 2 ) 第二章半导体冷藏箱的设计 ) 箱体隔热层的漏热量q 。 由于箱体内胆用a b s 塑料板真空成型，最薄的四周部位只有1 0 m m ，塑 料热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层。因此，箱体的传热可视为双层平 壁的传热过程。即 q 。= k a ( t l t2 ) 公式( 3 - 3 ) 式中a 箱体外表面积，单位n 1 2 传热系数k ( 单位为w ( m 2 k ) ) 为 ”工互三五 o 1 h 12 式中o ，一箱内空气对箱体外表面的传热系数，取1 1 3w ( m 2 k ) o ! 一内箱壁表面对箱内空气的传热系数，取1 1 6w ( 耐k ) 。一箱壳的热导率，取0 0 4 2 w ( m ) 绝热层的热导率，耿0 0 2 5w ( m ) 侧面的漏热量计算为： k = _ 丁孤f 矗两面t ”( m 2 , 咖o 2 8 2 6w ( m 2 k ) 瓦百+ 万i 石+ 百面丁+ f 而 传热量： q = k a a t = k a ( t 2 一t i ) = o 2 8 2 6 0 1 8 7 5 2 ( 2 5 1 0 ) w = 1 5 8 9 6 w 顶面、底面漏热量计算： l k 2 1 百面1 而丽汀 丁f 百+ 百面三+ 百百i + f 而 传热量： q = o 2 7 7 1 0 1 4 0 8 2 ( 2 5 1 0 ) w = 1 1 7 0 5 w 后面漏