21半导体制冷应用在电冰箱上的研究

工作时衣物是不可能完全平衡的， 不平衡就会产生振动， 由于内 筒和外筒已装成一起， 因此外筒也将产生振动。所以要增加外筒的 重量， 以减少衣物偏心时所产生的振动和对外筒的影响； 其次将外 筒配平衡， 尽可能的使外筒的重心靠近轴心和中心平面的交点上， 保持相对的稳定。该机的简化模型如图 ! 所示。 该机额定容量为 "$%&’ ， 脱水转速为 (%%) * +,- 左右， 样机定 形后， 可变动的减振系统参数为上配重、 下配重、 吊簧刚度、 支撑 簧刚度， 分析对象的初始参数为： 上配重 ($%&’ 、 下配重 .$%&’ 、 吊 簧刚度 /$%&’ * ++0两组 1、 支撑簧刚度 /$2&’ * ++0两组 1。首次实验 时， 在洗衣机各个面的中间 （底面除外） 分别用一个位移传感器 进行测量， 并对测试结果进行频谱分析， 得出如下初步结论 （分 满负载和部分负载进行试验） 3
! 半导体冰箱的工作原理
在半导体冰箱中， 主要由以下几个部分组成： 箱体绝热层、 箱内的吸热装置、 箱外的散热装置、 处于吸热装置和放热装置之 间的半导体制冷片、 开关电源装置。吸热装置、 半导体制冷片及 放热装置之间的合理连接以及高效的电源系统也是半导体冰箱 设计的关键所在。半导体制冷是半导体材料的一种效应 77帕尔 帖效应： 当电流流过两种不同材料组成的结点时， 结点将产生吸 热或放热现象。 如组成电偶， 则一个结点变热， 另一个结点变冷。 半导体冰箱的冷量主要是以半导体材料制成的半导体片通 以直流电后获得的，图 ? 是典型的半导体制冷片制冷的工作原
#121! 碲化铋材料
碲化铋晶体材料有几个重要特性。由于碲化铋特殊的晶体 结构， 它的性质呈高度各向异性。这导致了与晶体生长方向 （< 轴） 平行的电导率比垂直 < 轴方向大四倍。而且， 平行于 < 轴方 向的热导率比垂直方向大二倍。正因为电导率的各向异性超过 热导率， 所以优值系数的最大值发生在平行于 < 轴的方向。因 为这种各向异性， 在装配时， 每颗元件的晶体生长方向应与元件 长度或高度方向平行， 即垂直于陶瓷基板。 另一个有趣的特性也
半导体 制冷应用在电冰箱上的研究
闫朝华 潘灯海
! 半导体制冷基本原理 !"! 半导体制冷器
半导体制冷器也称作热电制冷器 （#$%&’(%)%*+&,* -(./)% ） ， 是 一 组 能 起 小 型 热 泵 作 用 的 半 导 体 电 子 元 件 。 当 给 一 个 #0 制冷器的一 面 会 吸 收 热 量 ， 逐渐变 ’(./)% 加上低压直流电时， 冷； 同时另一面会放出热量， 逐渐变热。热量从器件的一面传向 了另一面。重要的是， 这种现象是完全可逆的， 只要改变直流电 的正负极性， 热量传递的方向将会改变。因此， 热电制冷器既可 用于加热又可用于冷却， 非常适合用于精确的温度控制场合。
!"1 热电制冷原理
在机械制冷单元中， 压缩机的作用是使气态的制冷剂 （典型 为氟利昂） 压力升高， 转变为液体， 并使制冷剂在系统内循环。 液 态制冷剂在蒸发器中沸腾， 在变为蒸汽的过程中， 吸热使冷冻区 冷却。 从冷冻区吸收的热量随制冷剂转移到冷凝器， 并通过冷凝 器， 将热量散发到空气中去。 在热电制冷系统中，掺杂半导体的材料代替了制冷剂的作 用， 冷凝器被散热器取代， 压缩机被直流电源取代。加在热电制
冷器上的直流电迫使电流通过半导体材料。在半导体材料的冷 端， 电子的运动吸收热量， 并穿过半导体材料， 在热端放出热量。 由于半导体材料的热端与散热器相连，热量就从半导体材料传 给散热器， 然后排放到室内空气中。塞贝克、 珀尔帖和汤姆逊效 应， 连同其他一些现象， 形成了实用热电设备的基础。
!"1"! 塞贝克效应
#1212 热电制冷器件
现代热电制冷器中同时使用 3 型和 4 型两种掺杂半导体 材料， 这些半导体热电元件被装在两块陶瓷基板之间， 电路上互 相串联并保持热流方向一致。这种结构使得当电流在上下基板 间交替通过 3 和 4 型元件时， 热流定向通过制冷器。经过掺杂 的 3 型材料中含有多余的电子 （比构成稳定的分子结构所需电 子数更多） ， 而 4 型材料含有多余的 “空穴” （ 比构成稳定的分子 结构所需电子数少） ， 这就是使热量流过热电材料的载体。 图 ? 表示当电流通过时一个典型的热电制冷器时的热量移 动。大多数热电制冷器中的 3 型和 4 型半导体材料数量相等， 一对 3、 4 型半导体形成一个热电对。
! 振动形成原因
振动是反映洗衣 机 性能好坏的一个重要指 标，洗衣机在脱水过程 中要进行高速旋转， 很 容易会产生较大的振 动，因此选择合理的减 振系统参数很有必要。 振动主要是由于系统不
图! 倾斜轴滚筒洗衣机简化模型
!洗衣机的振动在每次脱水时的情况都不完全相同，其随
机性取决于洗衣量及衣物不平衡等因素引起离心力的变化。 由于内筒转速较低 （"%4(%) * +,- ） ， 衣物没有 "洗涤衣物时， 紧贴于筒壁， 离心力小， 振动也较小。 显示的波形基本为谐波信号。 #当洗衣机到达脱水速度后，
平衡所致，因为内筒在
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材料的优值系数比较
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半导体制冷原理 ・
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研 发 必 读
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理示意， 半导体制冷片由 5 和 6 半导体粒子和上下陶瓷基板组 成，借助于直流电流的流动，热量从制冷片的一面向另一面移 动， 由此， 制冷片的一面被冷却， 相反面则被加热。另外通过改变 电源的极性， 使热量的移动方向逆转， 从而实现加热、 冷却的完全 互换。 所以， 半导体制冷器具可以具备既能制冷又能加热的特点。 半导体冰箱在工作时， 应选择合理高效的散热装置将半导体 制冷片的热面热量散到环境空气中， 目前有两种解决方案， 一种 是利用翅片加风扇强制对流散热， 这在车载便携式半导体冰箱上 采用， 风扇散热使半导体冰箱保留了便携的优点， 但由于风扇的 运转而带来了噪声； 另一种散热方式是利用热管散热， 这种散热 方式主要在小型冷藏箱中采用， 这类小型冷藏箱一般不具备便携 性， 利用热管散热可以使冰箱做到绝对静音， 并且效率相对风扇 散热要高。合理高效的散热方式是半导体冰箱市场化的关键。
#12 热电装置和材料的基本原理 #121# 热电材料
目前热电制冷器最常用的半导体热电材料是经过适当掺杂 的碲化铋合金， 分 3、 4 两种。制造热电材料的方法最常用的是 熔质的定向结晶法和粉末冶金法。 两种方法各有长处， 但定向长 晶材料更普遍些。除碲化铋之外 （’5!"62 ） ， 还有铋锑 （’5789 ） 合 金、 铅碲 （49"6 ） 合金， 硅锗 （85:6; 合金用于特定场合。图 2 表示 在一定温度范围内不同材料的优值系数比较。
图 ! 所示的热电偶回路。 热电偶导线是两种不同金属， 标为 材料 2 和材料 3。 “参 考 这是一个典型的温度测量电路， 热电偶 4 端是用 作 端” ， 保持着较低的温度 #*。热电偶 5 端用于测量想了解的温度 图 ! 中 #$ 高于 #*。随着 5 端温度的变化， 在 #!、 #$， #1 间会产生 电压。该电压 6( 被称为塞贝克电动势， 数学表达式如下： （#$;#*） 6(7!89: 输出电压 （伏） ； 6(： 单位： 伏 < =>； !89： 8 材料相对 9 材料的塞贝克系数， 热、 冷端温度， 单位： #$、 #*： =>。
国际、国内市场上的应用半导体制冷技术的产品日渐丰富 起来， 如饮水机 （冷热两用型） ， 小型冷藏箱， 便携式汽车 * 旅游冰 箱， 冷热两用杯， 高档名贵酒类陈藏柜， 女性用的化妆盒等等。 随 着人们的生活水平提高， 人们越来越注重生活品质， 应该说， 这 些产品在不久的将来将有较大的市场。 半导体制冷技术有其广阔的应用前景和范围，特别是在电 子、 军工、 医疗卫生等行业， 半导体制冷往往是唯一的选择。 在冰 箱上的应用国内仍处于起步阶段，这主要是受到半导体材料本 身的性能指标的限制， 也就是材料的优值系数的限制， 以至于半 导体冰箱只能应用于制冷量较小、 只需要冷藏温度的场合， 在现 阶段的应用中，主要是半导体片的热面散热问题未能得到很好 的解决， 随着基础科学的研究， 材料性能得以提高， 实际的散热 问题的解决， 半导体冰箱将会占取一定的市场份额。
%& 或 %()!*+,这里： 单位伏； !*+： . 对 / 的相对帕尔玷系数， 单位安培； -：是电流， 分别是制冷和加热的功率， 单位瓦； %&、 %(： 回路中有电流时也会产生焦耳热 （- 0 ） 。焦耳热起到与珀尔
!
帖效应相反的效果， 引起制冷器有效制冷量的减少。

#1!12 汤姆逊效应
当电流通过一个在长度方向有着温度梯度的导体时，热量 将被吸收和排放。 吸热与放热取决于电流和温度梯度的方向。 这 就是汤姆逊效应。汤姆逊效应在实际热电设备运行时只发挥较 小的作用。当模拟热电设备性能时， 须采用平均塞贝克系数。
与材料的晶体结构有关。’5!"62 晶体由相似原子排列构成的六 方晶格层状结构组成：铋和碲原子层内是由牢固的共价键结合 的， 而相邻层间由范德瓦尔斯力结合。结果， 碲化铋晶体很容易 在这些 ［"6# ］ ［"6# ］ 面间裂开， 这种现象很类似云母片。幸运的 当组装在 一 个 热 电 制 冷 器 中 时 是， 解离面一般都与 < 轴平行， 半导体材料相当牢固。 用定向长晶法制造碲化铋材料时， 常做成棒状或球状， 然后 切割成不同厚度的晶片。 晶片表面经适当处理后， 被切割成用于 组立的小颗粒， 称为 “元件” 或 “=-<>” 。这些碲化铋颗粒材料， 也 可以用压力粉末冶金法来制造。