半导体制冷原理 ppt课件

原
效应的原理达到制冷目的。
理 ➢ 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭
与 技
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
术 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
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 Q k：
制 冷
Qk k(ThTc) (2-161)
原 式中k ——长L 的热电元件 总导热系数
理
与 技
若两电偶臂的导热系数及截面积分别为1,2
及 s1, s2 则：
术
kL1(1s12s2) (2-162)
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：
冷 原
q0
cp(T1T4)
(2-149)
w cp(T2T1)cp(T3T4)
理
与 若不计比热随温度的变化，并注意到
技 术
T2
T3
(
pc
k1
)k
T1 T4
p0
则上式可简化为：
q0
cp(T1T4)
(2-149)
制
w cp(T2T1)cp(T3T4)
冷
原
T2
T3
(
pc
k1
)k
理
T1 T4 p0
与
技 术
制
➢ 图2-163所示是冷箱中制冷温度是环境
冷
介质的温度
原
1-2是等熵压缩过程
理
与
2-3是等压冷却过程
技
3-4是等熵膨胀过程
术
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：
制
q 0 h 1 h 4 cp(T 1 T 4) (2-144)
冷
原
q c h 2 h 3 c p(T 2 T 3 ) (2-145)
制 冷 原 理 与 技 术
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，所以
制
热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷
冷 ➢ 图2-165所示，当电偶通以直流电流时，P 原 型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流
理 子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属
第三节 其他形式的制冷循环
2.3.1
制
冷
2.3.2 热电制冷
原
2.3.2.1 热电制冷的原理
理
2.3.2.2 热电制冷的特性分析
与 技
2.3.2.3 多级热电堆
术
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
制
作为工质的，并且称为空气制冷机
冷
原
➢ 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
(2-156)
理
与 ➢ 在分析理论循环时，认为提高循环经 技 济性应采用尽可能小的压比。但对于实
术 际循环存在最佳压力比，此时制冷系数
最高。
2.3.2 热电制冷
2.3.2.1 热电制冷的原理
➢ 热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或
制 电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，
冷 它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖
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：
制
Qj I 2R
(2-159)
冷
原
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的
理 与 技 术
长s1度, s为2L，R,则电阻L率(为11 及22)，截(面2-1积60为)
s1 s2
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。
与
片与半导体接头处发生能量的传递及转换。
技 术
➢ 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
制 冷
Q I
(2-157)
原 理
式中 ——珀尔贴系数
与 它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算
技
术
( P N)Tc (2-158)
理
源自文库
四个过程
与
技
➢ 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相
术
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
制 冷 原 理 与 技 术
NEXT
➢ 图2-162示出无回热空气制冷机系统图
术
显然，永远 TcT2 c
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
制 循环 1-2a-3-4a-1 可认为是只考虑换热端部 冷 温差，这样计算的 实际循环的制冷系数 为：
原 理 与 技 术
pr
1xxyse
1
ysc
se
ysc11xyxysessce
(pc)1kk1
T1 1 T2T1
T4 T3T4
(2-150)
p0
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：
制 冷
c
T1 T3 T1
原 因此上述理论循环的 热力完善 度为：
理 与 技
( T 1 )T (3 T 1)T c T 0 (2-151) c T 2 T 1 T 1 T 2 T 0
制
Q 0 (PN )IcT 1 2 I2 R k (T h T c)(2-163)
冷
电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克
d dy
(
p
r)
0
制 冷 原
1 yopi
1(1xxx1sc)(xxsc1) 1xxx1sc
(2-154)
理
与
因为与压力比y的关系为：
技 术
yT4a T1
T3 T1
T4a T3
(
x
pc
k1
)k
(2-155)
p0
则按式(2-154)可求出最佳压力比：
制 冷 原
(
pc p0
)opi
(
x
k
)k1
yopi
理
与
单位压缩功 和 膨胀功 分别是：
技
w c h 2 h 1 cp(T 2 T 1 )(2-146)
术
w e h 3 h 4 cp(T 3 T 4)(2-147)
从而可计算出循环消耗的 单位功 及 制热系数：
w w c w e c p (T 2 T 1 ) c p (T 3 T 4 ) (2-148) 制
(2-152)
上式中：
制
ycp(T3T4a) T4a(TT43a 1) T4a (2-153)
冷 原
cp(T2a T1) T1(TT21a 1)
T1
理 称为循环的 特性系数 。而 xT3 /T1
与
技
由上式可以看出，在 Tc,T0,Tc,T0
术
给定的情况下，必然有一个最佳值
yopipr最大。
为此对式(2-152)，求导，并令 可得：