半导体制冷原理

1、第3节，其他制冷循环，2.3.1空气制冷，2.3.2热电制冷，2.3.2.1热电制冷原理，2.3.2.2热电制冷特性分析，2.3.2.3多级热电堆，2.3.3蒸汽喷射制冷循环，2.3压缩空气制冷机的工作过程也包括等熵压缩、等压冷却、等压膨胀和等压吸热四个过程，与蒸汽压缩制冷机的四个工作过程相似。不同之处在于工作介质在循环过程中状态不变。图2-162无回热式空气制冷机系统图-压缩机-冷却器-膨胀机-冷箱，图2-163无回热式空气制冷机理论循环的p-V图和T-s图，下一步，图2-162无回热式空气制冷机系统图，图2-163冷箱制冷温度为环境介质温度，1-2为等熵压缩过程，2-3为等熵冷却过程，3-

2、4为等熵膨胀过程，4单元制冷量(2-144)、(2-145)和单位压缩功和单位膨胀功分别是：(2-146)、(2-147)，这样就可以计算单位功和单位加热系数的循环消耗：(2-149)、(2 (2-149)，由于热源温度是一个恒定值，比较标准循环应该是可逆卡诺循环，其制冷系数为：所以上述理论循环的热力学完善度为：(2-151)，显然是永远的，图2-164无再生的实际循环然而，循环1-2a-3-4a-1可被视为仅考虑热交换结束时的温差，因此实际循环的计算制冷系数为：(2-152)。从上述公式可以看出，在给定的条件下，必须有一个最大值的最优值。(2-153)，称为循环的特征系数。然而，在上面的公式

3、中，由于这个原因，取公式(2-152)的导数并得到：(2-154)，因为与压力比Y的关系是：(2-155)，那么根据公式(2-154)可以获得最佳压力比。然而，实际循环有一个最佳的压力比，此时制冷系数最高。2.3.2热电制冷，2.3.2.1热电制冷原理，热电制冷(也称为热电制冷、半导体制冷或电子制冷)是一种基于热电现象的制冷方法，它利用“塞贝克”效应的逆反应珀尔帖效应原理来达到制冷的目的。塞贝克效应是指在由两种不同金属组成的闭合电路中，如果两个接触点的温度保持不变，两个接触点之间就会产生电位差接触电动势。同时，在闭合电路中有电流流动，这被称为温差电流。相反，在由两种不同金属组成的闭合电路中，如

4、果施加直流电流，一个结将变冷，另一个将变热，这被称为珀尔帖效应，也称为热电现象。半导体材料内部结构的特性决定了它所产生的热电现象比其他金属要重要得多，因此热电制冷使用半导体材料，也称为半导体制冷。如图2-165所示，当电偶加直流电时，P型半导体中的载流子(空穴)和N型半导体中的载流子(电子)在外加电场的作用下移动，能量转移和转换发生在金属片和半导体的连接处。如果电源的极性互换，则热电偶的冷却端和加热端互换。当直流电流加到热电偶上时，由珀耳帖效应引起的热吸收与电流成正比，其中珀耳帖系数(2-157)与导体的物理和化学性质有关，可以根据下面的公式(2-158)计算，当电流通过热电偶时，热电元件将释

5、放焦耳热。焦耳热正比于电流的平方，即(2-159)，其中r是热电元件的电阻。如果力偶臂的长度为1，电阻率为，截面积为(2-160)，那么通过计算证明，焦耳热的一半传递到热电元件的冷端，引起制冷除了焦耳热之外，由于半导体的热传导，一定量的热量将从堆的热端传递到冷端：(2-161)，其中长度为l的k个热电元件的总导热系数为：(2-162)如果两个力偶臂的导热系数和横截面积相等，当力偶工作时，电源应在电阻上做功，克服热电势，因此它被消耗掉。因此，力偶的制冷系数可以表示为：(2-165)。因此，热电偶的制冷能力应该是珀耳帖热和焦耳热之间的差值以及返回到冷端的热传导，即：(2-163)，2.3.2.2热

6、电制冷的特性分析。在电流I为某一值的条件下，方程为(2-165)，(2-166)，通过将上述公式的部分倒数取为I并使其等于零，我们可以找到最佳电流值及其对应的最大温降：并将公式(2-160)和(2-162)代入公式(2-168)，得到3360，(2-167)，(。然后公式(2-169)变成，或者，(2-170)，(2-171)，其中热电元件材料的电导率是，如果是，(2-172)，因此可以看出，热电制冷的最大温差取决于材料成分和冷端温度的综合参数。这个综合参数被称为用于制造电偶的材料的质量系数z，即(2-173)，热电堆的制冷系数和提供给热电堆的电流值之间的关系在下面进行分析。对应于最大制冷系数

7、的电流和电压值是通过取公式(2-165)的部分倒数并使其等于零(2-174)、(2-175)、(2-176)而获得的，因此制冷系数与温差和材料质量系数z有显著的关系。在多级热电堆中，一对电偶的制冷量很小，例如6xL7电偶的制冷量仅为3.34.2kj/h。为了获得更大的制冷量，可以使用多对电偶一般来说，单级热电堆只能得到大约50的温差。为了获得较低的冷端温度，多级热电堆可以通过串联、并联和串并联来组装。图2-166显示了多级热电堆的结构类型。图2-166多级热电堆的结构类型1)串联二级热电堆2)并联二级热电堆3)串联和并联三级热电堆，半导体制冷设备的特点和应用，1 .半导体制冷设备的特点及应用，

8、没有制冷剂和机械传动的部件的冷却速度和冷却温度可以随意调节，冷热端的体积和功率可以互换很小。2.应用半导体制冷，方便的可逆操作可制成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器械，仪器可冷却制成零点仪器。2.3.3蒸汽喷射制冷循环，其中仅使用单一物质作为工作介质，虽然理论上可以使用普通制冷剂作为工作介质，但到目前为止，实际上仅使用了以水为工作介质的蒸汽喷射制冷机。当水作为工作介质时，低温必须在0以上。因此，蒸汽喷射制冷机仅用于空调设备或制备某些工艺过程所需的冷冻水。下一页，图2-168蒸汽喷射制冷系统的温度曲线图。蒸汽喷射制冷机的工作过程也可以用温度熵图来表示。如图2-168所示。在图中，实线代表理想循环，虚线代表实际过程。根据图2-168，现在可以进行理论循环的热力学计算。(2-177)，其中注入的制冷剂蒸汽的流量，锅炉的供热，(2-17