熱電制冷技術(shù)

1、熱電制冷技術(shù)的熱電制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用 BY：袁麗芬：袁麗芬 能動(dòng)能動(dòng)B22 2120301172 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)目錄目錄u制冷原理制冷原理u應(yīng)用方向應(yīng)用方向u優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)u發(fā)展發(fā)展一、制冷原理一、制冷原理 熱電制冷又稱(chēng)半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在熱電制冷又稱(chēng)半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在18341834年發(fā)現(xiàn)的帕爾年發(fā)現(xiàn)的帕爾貼效應(yīng)的熱力學(xué)原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型的制冷方式?？偟馁N效應(yīng)的熱力學(xué)原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型的制冷方式?？偟臒犭娦?yīng)的包含五中不同的效應(yīng)。其中塞貝克、帕爾貼和湯姆遜三種熱電效應(yīng)的包含五中不同的效應(yīng)。其中塞貝克、帕爾貼和湯姆遜三種效應(yīng)表明

2、熱和電能相互轉(zhuǎn)換開(kāi)始直接可逆的。另外兩種效應(yīng)是熱的不效應(yīng)表明熱和電能相互轉(zhuǎn)換開(kāi)始直接可逆的。另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)，即焦耳和傅里葉效應(yīng)?？赡嫘?yīng)，即焦耳和傅里葉效應(yīng)。1 1、五種效應(yīng)、五種效應(yīng)塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：塞貝克發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩個(gè)接頭處的溫度不同，其 周?chē)蜁?huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)了回路中有一電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)或溫差電效應(yīng)。如圖所示,由a、b兩種不同材料構(gòu)成的電路,若兩個(gè)接點(diǎn)A、B之間存在溫差T，則在點(diǎn) C、D 之間會(huì)產(chǎn)電動(dòng)勢(shì)Eab.Eab的大小與接點(diǎn)間的溫度正比：式中ab稱(chēng)為塞貝克系數(shù)，又稱(chēng)為材料對(duì)的溫差電動(dòng)勢(shì)率，TEabab帕爾貼

3、效應(yīng)帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。帕耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程。直流電回路時(shí)，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。吸熱量稱(chēng)為帕耳帖熱，它正比于電流 I:TIQabababp式中 稱(chēng)為帕爾貼系數(shù)ab湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)：若電流通過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體與周?chē)h(huán)境之間將進(jìn)行能量交換，這種現(xiàn)象稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)得出單位長(zhǎng)度吸收或放出的熱與電流和溫度梯度的乘積成比例：dxdTIQTQT每單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的吸（放熱）率，也稱(chēng)湯姆遜熱 比例常數(shù)，稱(chēng)為湯姆遜系數(shù)； I通過(guò)導(dǎo)體的電流； dT/dx溫度梯度 一般因這種熱交換是二級(jí)效應(yīng)，它在電路的熱分析計(jì)

4、算中處于次要地位，其數(shù)值與帕耳帖效應(yīng)相比甚微，作為工程或設(shè)計(jì)計(jì)算，可以忽略不計(jì)。 焦耳效應(yīng)焦耳效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積：SlIRIQJ22傅里葉效應(yīng)：傅里葉效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積和該方向的溫度梯度的乘積成正比:TKQK2 2、熱電制冷的產(chǎn)冷量、熱電制冷的產(chǎn)冷量 在制冷熱電偶中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上放熱，而另一個(gè)結(jié)點(diǎn)上吸熱，因此兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間有溫差。由于熱傳導(dǎo)，熱從熱結(jié)點(diǎn)流向冷結(jié)點(diǎn)。因熱電偶內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生焦耳熱，使局部溫度升高，溫度升高就使更多的熱流向冷結(jié)點(diǎn)，起了增加從熱結(jié)點(diǎn)至冷結(jié)點(diǎn)總熱量的作用。若熱在電流為I的導(dǎo)體上達(dá)到

5、平衡，則傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的純熱流可用一維傅里葉方程來(lái)表示：TKRIQQQKJhc22121 由傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的總熱量影響了帕爾貼制冷，因此，把它減掉就得到了單個(gè)熱電偶的純產(chǎn)冷量：TKRIITQCNP2021)(3 3、制冷原理、制冷原理 若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷移當(dāng)做電流來(lái)看，則每種材料載流子的勢(shì)能不同。因此，為滿足能量守恒的要求，載流子通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)必然與其周?chē)h(huán)境進(jìn)行能量交換。這就是帕爾貼效應(yīng)。如右圖，n型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。p型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)。當(dāng)電子從p型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至n型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫度降低來(lái)證明。反之，

6、當(dāng)電子從n型流至p型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就升高。 右圖所示的連接方法在實(shí)際中無(wú)用，因此要用左圖的連接方法代替。在上面的一個(gè)接頭處，電流方向是n到p,溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而在下面的一個(gè)接頭，電流方向是p到n，溫度上升并且放熱，因此是熱端。 把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)。而在傳熱方面則是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了一個(gè)常見(jiàn)的制冷熱電堆。接上直流電源后，這個(gè)熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中取吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。 熱電制冷是一種不用制冷劑、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)件的電器。它的熱電堆起著普通制冷壓

7、縮機(jī)的作用，冷端及其熱交換器相當(dāng)于普通制冷裝置的蒸發(fā)器，而熱端及其熱交換器相當(dāng)于冷凝器。通電時(shí)，自由電子和空穴在外電場(chǎng)的作用下，離開(kāi)熱電堆的冷端想熱端運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于制冷劑在制冷壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程。在熱電堆的冷端，通過(guò)熱交換器吸熱，同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這相當(dāng)于制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱和蒸發(fā)。在熱電堆的熱端，發(fā)生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，同時(shí)通過(guò)熱交換器散熱，相當(dāng)于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)。4 4、熱電制冷與機(jī)械壓縮式制冷的比較、熱電制冷與機(jī)械壓縮式制冷的比較一對(duì)電偶消耗的電功率為：TIRIUINNP)(20一對(duì)電偶的制冷系數(shù)定義為為：?jiǎn)挝浑姽β仕芪盏臒崃浚篢IRITKRIITNQNPCNP)(21)

8、(2200一對(duì)熱電偶在熱端放出的熱量：TKRIITNQQHNPH20021)(5 5、熱電制冷的基本公式、熱電制冷的基本公式 使制冷器獲得最大的制冷量是設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)之一。從制冷量的計(jì)算式可知，當(dāng)工作溫度、半導(dǎo)體材料性質(zhì)和幾何尺寸一定時(shí)，制冷量的大小只與電流有關(guān)。帕耳帖熱越大，焦耳熱越大，則制冷量越大。帕耳帖熱與電流成正比，焦耳熱與電流的平方成正比，故存在著使制冷量最大的電流，求導(dǎo)，得到最佳電流和最大制冷量：TKRTQRTICCQ2)(2max0max0 同時(shí)，性能系數(shù)對(duì)電流求導(dǎo)，則可得制冷系數(shù)取最大時(shí)的最佳電流：1)(211)(211)1211(maxCHCHCHCHCOPTTZTTTTZT

9、TTRTZTI 根據(jù)前面關(guān)于熱點(diǎn)效應(yīng)的討論，顯然對(duì)于熱電材料的特性可得以下結(jié)論（1）為了產(chǎn)生大的制冷效能，溫差電動(dòng)勢(shì)要相當(dāng)高，它是所選電偶材料的函數(shù)，該電動(dòng)勢(shì)是隨溫度變化的塞貝克電壓。（2）電阻率要低，否則電阻產(chǎn)生的熱可能超過(guò)制冷效能。（3）要維持冷熱節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)大的溫差，導(dǎo)熱系數(shù)要低。 通常，把這三個(gè)因素綜合成優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z，這個(gè)值是衡量熱電器件材料有用性的指標(biāo).RKRKZZTTnPC222max)(21 Z是熱電偶的優(yōu)值系數(shù)，是衡量熱電偶對(duì)的最佳因素，它的值只與電偶的材料的物理性質(zhì)有關(guān)，反映了電偶的熱電特性。Z值越大，則制冷量，制冷效率也越大，因此，提高優(yōu)值系數(shù)是改善半導(dǎo)體制冷性能的根本措施

10、。圖1為制冷量，性能系數(shù)，冷熱端溫差三者之間的關(guān)系，圖2為Z值與溫差之間的關(guān)系3 3、多級(jí)制冷熱電堆、多級(jí)制冷熱電堆 一級(jí)熱電堆在通常情況下只能得到大約60度的溫差，為了得到更大的溫差和更低的溫度，可用級(jí)聯(lián)的方法制造多級(jí)制冷器，第二級(jí)熱電堆熱端貼在第一級(jí)熱電堆的冷端上，第一級(jí)熱電堆實(shí)際上起到第二級(jí)的散熱器的作用，如圖所示為三級(jí)熱電堆示意圖：設(shè)第一，二，三級(jí)熱電堆的溫差和制冷系數(shù)分別為321321,;,TTT則總的溫差為:321TTTT總的制冷系數(shù)為：1321 1)11)(11)(11(如果選取 ，則 0321此種情況下總的制冷系數(shù)最大。 因?yàn)橹评淦鳠岫松崃勘壤涠水a(chǎn)冷量大許多倍，熱端放出的熱量

11、為其所消耗的電功率之加上冷端負(fù)載之和，為得到較大溫差，第一級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)應(yīng)比第二級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)大許多倍。由于這個(gè)原因以及溫度越低元件性能越差，并不是級(jí)數(shù)越多，溫差按比例提高。因此級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)不能很多，一般2到3級(jí)。1)11(130多級(jí)熱電制冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器 串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是各級(jí)工作電流相同。級(jí)與級(jí)之間需要一層電絕緣導(dǎo)熱層，工藝比較簡(jiǎn)單，在要求同一溫差和和承受同一負(fù)載時(shí)比下面要介紹的并聯(lián)型要消耗較大的功率。圖所示分別為二，三，四，五級(jí)串聯(lián)型熱電堆。并聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器 并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流較大，級(jí)與級(jí)之間無(wú)需電絕熱導(dǎo)熱層。達(dá)

12、到同一溫差和承受同一負(fù)載時(shí)比串聯(lián)型耗電要小些，單線路設(shè)計(jì)上比較麻煩些，特別是要求負(fù)載較大的情況a,最簡(jiǎn)單的并聯(lián)型二級(jí)堆；b,一般并聯(lián)型二級(jí)堆，d,并聯(lián)型三級(jí)堆e,并聯(lián)型四級(jí)堆4 4、熱電制冷器的散熱方式、熱電制冷器的散熱方式空氣自然對(duì)流散熱空氣自然對(duì)流散熱 在很多小型熱電制冷器中，常采用空氣自然對(duì)流散熱的換熱系統(tǒng)，它需要一定形式的散熱片作為熱交換器。這種散熱方式的熱電制冷器的溫度分布如圖所示。制冷對(duì)象所要移走的熱量，通過(guò)冷端吸熱器與周?chē)諝獾臒峤粨Q吸收熱量，然后經(jīng)過(guò)連接片及絕緣層的導(dǎo)熱，使這些熱量被熱電堆冷端所吸收，經(jīng)熱電制冷效應(yīng)又把熱量移至熱端，再經(jīng)各層的導(dǎo)熱把熱量傳給熱端散熱器。強(qiáng)迫通風(fēng)散

13、熱強(qiáng)迫通風(fēng)散熱 散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可大大提高，在相同的散熱功率下，散熱面積相應(yīng)地縮小許多倍。水冷散熱水冷散熱 這種方法散熱的效率高，其換熱系數(shù)比空氣自然對(duì)流散熱大100到1000倍熱管散熱熱管散熱 通常半導(dǎo)體制冷中傳統(tǒng)的散熱器采用的是翅片式散熱器，然而應(yīng)用熱管式散熱器，散熱效率要比傳統(tǒng)的翅片式高很多。目前熱管散熱器大多采用中空的圓柱形鋁管或銅管，其中一部分空間填充易于蒸發(fā)的液體，管壁有由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成的吸液芯。管內(nèi)空間始終保持真空狀態(tài)，因而其中液體的蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度相近。當(dāng)熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)候，蒸發(fā)端的液體就會(huì)迅速氣化。由于氣化后蒸汽壓力較大，在壓力差的作用下，蒸汽運(yùn)

14、動(dòng)至冷卻端遇冷重新液化，氣體液化釋放熱量，從而把熱量從蒸發(fā)端帶向冷卻端。二、應(yīng)用方向二、應(yīng)用方向 熱電制冷具有諸多特點(diǎn)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)幾乎涉及所有制冷領(lǐng)域，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場(chǎng)合，更有其優(yōu)越性。它在國(guó)防、科研、工農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于儀器儀表、電子元件、藥品、疫苗等的冷卻、加熱和恒溫。如無(wú)線電元件恒溫器、微機(jī)制冷器、紅外探測(cè)器制冷器、便攜式冰箱、旅游汽車(chē)?yán)錈醿捎孟洹雽?dǎo)體空調(diào)器、軍用和醫(yī)用制冷帽、白內(nèi)障摘除器、病理切片冷凍臺(tái)、潛艇空調(diào)器等。半導(dǎo)體制冷器未來(lái)將向大功率與微小型方向發(fā)展，尤其在民用和其它市場(chǎng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中。1 1、小型恒溫器 小型恒溫器是由一個(gè)或幾個(gè)

15、制冷模塊構(gòu)成。用來(lái)使一些需要在恒定溫度下工作的電子器件保持恒溫。比如石英晶體振蕩器、鍺三極管或精密電阻等元器件。2 2、 熱電設(shè)備在熱能傳感器中的應(yīng)用 目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了以帕爾帖效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)為原理的許多新型熱能傳感器。這些新穎的傳感器與常規(guī)傳感器相比性能已經(jīng)提高了不少。如低溫?zé)崃鱾鞲衅?、超聲波亮度傳感器、冷凝水探測(cè)器、流體流動(dòng)傳感器、紅外傳感器、薄膜熱電傳感器都是熱電熱能傳感器。3 3、 醫(yī)療保健、生物工程 嬰兒保育箱對(duì)溫度、濕度要求較高，采用電加熱升溫和壓縮式制冷降溫的保育箱系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，而且升溫時(shí)電能利用效率低，降溫時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。利用熱電熱泵可使整個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)化和輕量化，安靜可靠，

16、溫度、濕度控制更為方便；使用同樣容量的蓄電池，路途時(shí)間可以延長(zhǎng) 1.8-3.6 倍。4 4、集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)冷卻 集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)熱電制冷技術(shù)降溫，既可以采用熱電制冷模塊與散熱器結(jié)合，對(duì)電子元件進(jìn)行局部冷卻，也可以通過(guò)獨(dú)立的熱電制冷裝置對(duì)其進(jìn)行整體降溫半導(dǎo)體除濕機(jī)介紹半導(dǎo)體除濕機(jī)介紹除濕原理除濕原理 用半導(dǎo)體冷端制冷量對(duì)空氣冷凝除濕，除濕原理如圖所示，待處理的空氣為狀態(tài)點(diǎn) 1，吸收制冷器冷端產(chǎn)生的冷量冷凝除濕后變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)2，由風(fēng)扇作用強(qiáng)制將處理后的空氣通過(guò)半導(dǎo)體制冷器的熱端，吸熱升溫后變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)3，最終送入室內(nèi)。除濕過(guò)程中，濕空氣的含濕量由d1變?yōu)閐2，溫度由t1冷卻為t2,除

17、濕量為：2211dmdmm式中， 分別為空氣處于狀態(tài)點(diǎn)1,2的質(zhì)量流量， 分別為狀態(tài)點(diǎn)1,2的含濕量，并定義半導(dǎo)體除濕效率為: 21,mm21,dd03600/Pm式中為 為水的汽化潛熱 ，m為除濕量， ， 為熱電堆的輸入功率， kgkJ /hg /0PW 對(duì)半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)進(jìn)行分析：其最大的缺點(diǎn)就是制冷效率低制冷效率低，在車(chē)載冰箱中或者除濕機(jī)中，它的制冷或者除濕效率明顯低于壓縮式制冷設(shè)備或者除濕設(shè)備，這一點(diǎn)極大的限制了熱電制冷的發(fā)展。但是，由于高效能源開(kāi)發(fā)與節(jié)能的技術(shù)及設(shè)備，成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)正是在這種呼聲中應(yīng)運(yùn)而生。它尺寸小、重量輕、尺寸小、重量輕、無(wú)任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作

18、中沒(méi)有噪音、不必使用液態(tài)或氣態(tài)工質(zhì)，因而不造成環(huán)無(wú)任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作中沒(méi)有噪音、不必使用液態(tài)或氣態(tài)工質(zhì)，因而不造成環(huán)境污染、且境污染、且“制冷制冷”“”“制熱制熱”運(yùn)用自如、作用速度快、使用壽命長(zhǎng)又易于控制。運(yùn)用自如、作用速度快、使用壽命長(zhǎng)又易于控制。1、由于不使用制冷劑，消除了制冷劑泄漏對(duì)人體造成的傷害2、由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，在運(yùn)行時(shí)，無(wú)噪音，無(wú)振動(dòng)，無(wú)磨損。因此，工序可靠，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。3、熱電制冷器的容易尺寸宜于小型化，這是一般制冷技術(shù)所辦不到的。小型熱電制冷器的產(chǎn)冷量一般在幾瓦到幾十瓦之間，他的效率與容量大小無(wú)關(guān)，只取決于熱電堆的工作條件。微型熱電制冷器的容積和尺寸是相當(dāng)小的。例如可以達(dá)到零下100度的四級(jí)復(fù)疊式式半導(dǎo)體制冷器，他的產(chǎn)冷量只有幾十毫瓦，外形大小跟一只香煙盒相仿。4、熱電制冷裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作電壓來(lái)改變它的產(chǎn)冷量和制冷溫度。作為儀器儀表的小型冷源，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精密的控制。