1、關于半導體制冷原理現在學習的是第一頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術2.3.1 2.3.1 空氣制冷空氣制冷 歷史上第一次實現的氣體制冷機是以空氣作為工歷史上第一次實現的氣體制冷機是以空氣作為工質的，并且稱為空氣制冷機質的，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壓縮式空氣制冷機的工作過程也是包括等熵壓等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹縮，等壓冷卻，等熵膨脹及及等壓吸熱等壓吸熱四個過程四個過程 這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其區別在于工質在循環過程中不發生集態改變區別在于工質在循環過程中不發生集態改變 現在學習的是第二頁，共38

2、頁 圖圖2-162 2-162 無回熱空氣制冷機系統圖無回熱空氣制冷機系統圖 -壓縮機壓縮機 -冷卻器冷卻器 -膨脹機膨脹機 -冷箱冷箱 圖圖2-1632-163 無回熱空氣制冷機無回熱空氣制冷機 理論循環的理論循環的p-Vp-V圖與圖與T-sT-s圖圖現在學習的是第三頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術NEXT現在學習的是第四頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 圖圖2-1622-162示出無回熱空氣制冷機系統圖示出無回熱空氣制冷機系統圖 圖圖2-1632-163所示是冷箱中制冷溫度是環境介質的所示是冷箱中制冷溫度是環境介質的溫度溫度1-21-2是等熵壓縮過程是等熵壓縮過程2-32-

3、3是等壓冷卻過程是等壓冷卻過程3-43-4是等熵膨脹過程是等熵膨脹過程4-14-1是在冷箱中的等壓吸熱過程是在冷箱中的等壓吸熱過程現在學習的是第五頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 現在進行理論循環的性能計算，單位制冷現在進行理論循環的性能計算，單位制冷量及冷卻器的量及冷卻器的 單位熱負荷單位熱負荷 分別是：分別是：)(41410TTchhqp)(3232TTchhqpc(2-144) (2-145) 單位壓縮功單位壓縮功 和和 膨脹功膨脹功 分別是：分別是：)(1212TTchhwpc)(4343TTchhwpe(2-146) (2-147) 現在學習的是第六頁，共38頁 制 冷 原

4、理 與 技 術從而可計算出循環消耗的從而可計算出循環消耗的 單位功單位功 及及 制熱系數制熱系數： )()(4312TTcTTcwwwppec)()()(4312410TTcTTcTTcwqppp(2-149) (2-148) 若不計比熱隨溫度的變化，并注意到若不計比熱隨溫度的變化，并注意到 kkcppTTTT104312)(現在學習的是第七頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術則上式可簡化為：則上式可簡化為：434121101)(1TTTTTTppkkc(2-150) )()()(4312410TTcTTcTTcwqpppkkcppTTTT104312)(2-149) 現在學習的是第八頁，

5、共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 因為熱源溫度是恒值，此時比較標準循環因為熱源溫度是恒值，此時比較標準循環應當是可逆卡諾循環，其應當是可逆卡諾循環，其 制冷系數制冷系數 為：為：131TTTc因此上述理論循環的因此上述理論循環的 熱力完善熱力完善 度為：度為：020113121)(TTTTTTTTTTcc (2-151) 顯然，永遠顯然，永遠ccTT2現在學習的是第九頁，共38頁圖圖2-164 2-164 無回熱空氣制冷機實際循環無回熱空氣制冷機實際循環現在學習的是第十頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 圖圖2-1642-164中中 1-2s-3-4s-11-2s-3-4s-1 為實

6、際循環，而循環為實際循環，而循環 1-2a-3-4a-11-2a-3-4a-1 可認為是只考慮換熱端部溫差，這可認為是只考慮換熱端部溫差，這樣計算的樣計算的 實際循環的制冷系數實際循環的制冷系數 為：為：scsesescsescsepryyxxyyyxx1111(2-152) 現在學習的是第十一頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術由上式可以看出，在由上式可以看出，在 給給定的情況下，必然有一個最佳值定的情況下，必然有一個最佳值 最大。最大。 00,TTTTcc141214341243) 1() 1()()(TTTTTTTTTTcTTcyaaaaapap(2-153) 稱為循環的稱為循環的

7、特性系數特性系數 。而。而 13/TTx 上式中：上式中：propiy現在學習的是第十二頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術為此對式為此對式(2-152)(2-152)，求導，并令，求導，并令 可得：可得：0)(prdydscscscopixxxxxxxxy11)1)(11(11(2-154) 因為與壓力比因為與壓力比y y的關系為：的關系為：kkcaappxTTTTTTy10341314)(2-155) 現在學習的是第十三頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術則按式則按式(2-154)(2-154)可求出最佳壓力比：可求出最佳壓力比：10)()(kkopiopicyxpp(2-156)

8、 在分析理論循環時，認為提高循環經在分析理論循環時，認為提高循環經濟性應采用盡可能小的壓比。但對于實際濟性應采用盡可能小的壓比。但對于實際循環存在最佳壓力比，此時制冷系數最高循環存在最佳壓力比，此時制冷系數最高。現在學習的是第十四頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術2.3.2 2.3.2 熱電制冷熱電制冷 熱電制冷的原理熱電制冷的原理 熱電制冷熱電制冷( (亦名溫差電制冷、半導體制冷或電亦名溫差電制冷、半導體制冷或電子制冷子制冷) )是以溫差電現象為基礎的制冷方法，它是以溫差電現象為基礎的制冷方法，它是利用是利用“塞貝克塞貝克”效應的逆反應效應的逆反應珀爾帖效

9、應珀爾帖效應的原理達到制冷目的。的原理達到制冷目的。 塞貝克效應塞貝克效應就是在兩種不同金屬組成的閉合線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，就會在兩路中，如果保持兩接觸點的溫度不同，就會在兩接觸點間產生一個電勢差接觸點間產生一個電勢差接觸電動勢接觸電動勢。同時閉。同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，在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，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，這稱為就會使一個接點變冷，一個變熱，這稱為珀爾貼效珀爾貼效應應，亦稱，亦稱溫差電現象溫差電現象現

10、在學習的是第十五頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術NEXT現在學習的是第十六頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 半導體材料內部結構的特點，決定了它產生的半導體材料內部結構的特點，決定了它產生的溫差電現象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷溫差電現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，亦稱都采用半導體材料，亦稱半導體制冷半導體制冷 圖圖2-1652-165所示，當電偶通以直流電流時，所示，當電偶通以直流電流時，P P型型半導體內載流子半導體內載流子( (空穴空穴) )和和N N型半導體內載流子型半導體內載流子( (電電子子) )在外電場作用下產生運動，并在金屬片與半在外

11、電場作用下產生運動，并在金屬片與半導體接頭處發生能量的傳遞及轉換。導體接頭處發生能量的傳遞及轉換。 如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端與發熱端也隨之互換。與發熱端也隨之互換。現在學習的是第十七頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 當電偶對通以直流電當電偶對通以直流電I I 時，因珀爾貼效應產時，因珀爾貼效應產生的生的 吸熱量吸熱量 與電流與電流I I 成正比成正比 式中式中 珀爾貼系數珀爾貼系數IQ(2-157) 它與導體的物理化學性質有關，可按下式計算它與導體的物理化學性質有關，可按下式計算cNPT)(2-158)現在學習的是第十八頁，共38頁 制

12、冷 原 理 與 技 術 當電流通過電偶對時，熱電元件內還要放當電流通過電偶對時，熱電元件內還要放出焦耳熱。出焦耳熱。焦耳熱焦耳熱 與電流的平方成正比，即與電流的平方成正比，即 ：RIQj2(2-159) 式中式中R R 為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為L L , ,電阻率為電阻率為 及及 ，截面積為，截面積為 ，則，則1221,ss)(2211ssLR(2-160) 計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電元件的冷端，引起制冷效應降低。元件的冷端，引起制冷效應降低。現在學習的是第十九頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 除了焦耳熱

13、以外，由于半導體的導熱，從電堆除了焦耳熱以外，由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱端還要傳給冷端一定的 熱量熱量 ：kQ)(chkTTkQ(2-161)式中式中k k 長長L L 的熱電元件的熱電元件 總導熱系數總導熱系數 若兩電偶臂的導熱系數及截面積分別為若兩電偶臂的導熱系數及截面積分別為 及及 則：則：21,21,ss)(12211ssLk(2-162)現在學習的是第二十頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的勢做功，故消耗的 功率功率 為為 ITTRIwchNP)(2(

14、2-164)因此電偶對的因此電偶對的 制冷系數制冷系數 可以表示為：可以表示為： ITTRITTkRIITchNPchcNP)()(5 . 0)(22(2-165) 因此，電偶對因此，電偶對 的制冷量的制冷量 應為珀爾貼熱量與傳應為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導熱量之差，即：回冷端的焦耳熱量和導熱量之差，即： )(21)(20chcNPTTkRIITQ(2-163)現在學習的是第二十一頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 熱電制冷的特性分析熱電制冷的特性分析 在電流在電流I I 為某一定值的情況下，令為某一定值的情況下，令 ，由式由式(2-163)(2-1

15、63)得：得： 00Q5 . 0)(12RIITkTTcNPch可見最大溫差的大小與電流的大小有關。可見最大溫差的大小與電流的大小有關。 (2-166)現在學習的是第二十二頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 將上式對將上式對I I 取偏倒數，并令其等于零，就可以取偏倒數，并令其等于零，就可以求出求出 最佳電流值最佳電流值 與其對應的與其對應的 最大溫降最大溫降: : RTIcNPopt)(RkTTTcNPch2)()(22max將式將式(2-160)(2-160)及及(2-162)(2-162)代入式代入式(2-168)(2-168)得得: : )()(21)(2211221122max

16、ssssTTTcNPch(2-167)(2-168)(2-169)現在學習的是第二十三頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 若兩電偶臂的若兩電偶臂的幾何尺寸相同幾何尺寸相同( ( ) )具有相同的具有相同的 導熱系數導熱系數 及相同的及相同的 電阻率電阻率 ，則式（，則式（2-1692-169）變為）變為21ss 21214)(21)2(2)(21)(2222maxcNPcNPchTssTTT或或 4)(21)(22cNPamxchrTTT(2-170)(2-171)式中式中 熱電元件材料的熱電元件材料的 電導率電導率er/1現在學習的是第二十四頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術若若

17、 ，則，則 Np22max21)(cchTrTT(2-172)由此可見由此可見: : 熱電制冷的熱電制冷的 最大溫差最大溫差取決于材料的取決于材料的 組成的一個綜合參數及冷端溫度組成的一個綜合參數及冷端溫度 。此綜合參。此綜合參數稱為制造電偶對材料的數稱為制造電偶對材料的優質系數優質系數Z Z ，即，即 ,rcTrZ2(2-173)現在學習的是第二十五頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 下面再來分析電堆的制冷系數與供給熱電堆的下面再來分析電堆的制冷系數與供給熱電堆的電流值的關系。將式電流值的關系。將式(2-165)(2-165)對電流取偏倒數，并令對電流取偏倒數，并令其等于零，得到其等于

18、零，得到 與最大制冷系數相對應的電流及與最大制冷系數相對應的電流及電壓值電壓值 ) 1()(MRTTIchNPopt1)()(MTTMTTRIUchNPchNPoptopt(2-174)(2-175)現在學習的是第二十六頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術1maxMTTMTTTchchc式中式中 21)(5 . 01 chTTZM(2-176)故制冷系數故制冷系數 與溫差與溫差 以及材料優質系以及材料優質系數數Z Z有顯著關系。有顯著關系。chTT 現在學習的是第二十七頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 多級熱電堆多級熱電堆 一對電偶的制冷量是很小的，如

19、一對電偶的制冷量是很小的，如6xL76xL7的電的電偶對偶對, ,其制冷量僅為其制冷量僅為kJ/h4.2kJ/h 為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯成為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯成熱電堆，稱熱電堆，稱單級熱電堆單級熱電堆 單級熱電堆在通常情況下只能得到大約單級熱電堆在通常情況下只能得到大約5050的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可用串聯的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可用串聯、并聯及串并聯的方法組出、并聯及串并聯的方法組出多級熱電堆多級熱電堆，圖圖2-2-166166示出多級熱電堆的結構型式。示出多級熱電堆的結構型式。 現在學習的是第二十八頁，共38頁電絕緣導熱

20、層 電絕緣導熱層 I2 I I I1 圖圖2-1662-166 多級熱電堆的結構型式多級熱電堆的結構型式 a) a) 串聯二級熱電堆串聯二級熱電堆 b) b) 并聯二級熱電堆并聯二級熱電堆 c) c) 串并聯三級熱電堆串并聯三級熱電堆現在學習的是第二十九頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術 半導體制冷設備的特點及應用半導體制冷設備的特點及應用 1 1、半導體制冷設備的特點及應用、半導體制冷設備的特點及應用 不用制冷劑不用制冷劑 無機械傳動部分無機械傳動部分 冷卻速度和制冷溫可任意調節冷卻速度和制冷溫可任意調節 可將冷熱端互換可將冷熱端互換 體積和功率都可做得很小體積和功率都可做得很小現在學

21、習的是第三十頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術2 2、半導體制冷的用途、半導體制冷的用途 方便的可逆操作方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可制成低溫醫療器具可制成低溫醫療器具可對儀器進行冷卻可對儀器進行冷卻 可做成零點儀可做成零點儀現在學習的是第三十一頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術2.3.3 2.3.3 蒸氣噴射式制冷循環蒸氣噴射式制冷循環 蒸氣噴射式制冷機只用單一物質為工質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。機得到實際應用。 當用水為工質所制取的低溫必須在當用水為工質所制取的低溫必須在00以上以上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調裝置或，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。用來制備某些工藝過程需要的冷媒水。現在學習的是第三十二頁，共38頁 制 冷 原 理 與 技 術NEXT現在學習的是第三十三頁，共38頁P1 T1 Pk Tk P0 T0 P0T1 T s 圖圖2-168 2-168 蒸氣噴射式制冷系統的溫熵圖蒸氣噴射式制冷系統的溫熵圖 蒸氣噴