半導(dǎo)體制冷原理

1、半導(dǎo)體制冷原理第1頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二2.3.1 空氣制冷歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質(zhì)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等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個過程 這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其區(qū)別在于工質(zhì)在循環(huán)過程中不發(fā)生集態(tài)改變 第2頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 圖2-162 無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖 -壓縮機 -冷卻器 -膨脹機 -冷箱 圖2-163 無回?zé)峥諝庵评錂C 理論循環(huán)的p-V圖與T-s圖第3頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二NEXT第4頁，共

2、38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 圖2-162示出無回?zé)峥諝庵评錂C系統(tǒng)圖 圖2-163所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境介質(zhì)的溫度1-2是等熵壓縮過程2-3是等壓冷卻過程3-4是等熵膨脹過程4-1是在冷箱中的等壓吸熱過程第5頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制冷量及冷卻器的 單位熱負荷 分別是：(2-144) (2-145) 單位壓縮功 和 膨脹功 分別是：(2-146) (2-147) 第6頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二從而可計算出循環(huán)消耗的 單位功 及 制熱系數(shù)： (2-149) (2-148) 若

3、不計比熱隨溫度的變化，并注意到 第7頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二則上式可簡化為：(2-150) (2-149) 第8頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 因為熱源溫度是恒值，此時比較標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)應(yīng)當(dāng)是可逆卡諾循環(huán)，其 制冷系數(shù) 為：因此上述理論循環(huán)的 熱力完善 度為： (2-151) 顯然，永遠第9頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二圖2-164 無回?zé)峥諝庵评錂C實際循環(huán)第10頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 圖2-164中 1-2s-3-4s-1 為實際循環(huán)，而循環(huán) 1-2a-3-4a-1 可認為是只考慮

4、換熱端部溫差，這樣計算的 實際循環(huán)的制冷系數(shù) 為：(2-152) 第11頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二由上式可以看出，在 給定的情況下，必然有一個最佳值 最大。 (2-153) 稱為循環(huán)的 特性系數(shù) 。而 上式中：第12頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二為此對式(2-152)，求導(dǎo)，并令 可得：(2-154) 因為與壓力比y的關(guān)系為：(2-155) 第13頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二則按式(2-154)可求出最佳壓力比：(2-156) 在分析理論循環(huán)時，認為提高循環(huán)經(jīng)濟性應(yīng)采用盡可能小的壓比。但對于實際循環(huán)存在最佳壓力

5、比，此時制冷系數(shù)最高。第14頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二2.3.2 熱電制冷2.3.2.1 熱電制冷的原理 熱電制冷(亦名溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷或電子制冷)是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應(yīng)的逆反應(yīng)珀爾帖效應(yīng)的原理達到制冷目的。 塞貝克效應(yīng)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，就會在兩接觸點間產(chǎn)生一個電勢差接觸電動勢。同時閉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，就會使一個接點變冷，一個變熱，這稱為珀爾貼效應(yīng)，亦稱溫差電現(xiàn)象第15頁，共38頁，2022年，5月20日，1點3

6、9分，星期二NEXT第16頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，亦稱半導(dǎo)體制冷 圖2-165所示，當(dāng)電偶通以直流電流時，P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子)在外電場作用下產(chǎn)生運動，并在金屬片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉(zhuǎn)換。 如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端與發(fā)熱端也隨之互換。第17頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 當(dāng)電偶對通以直流電I 時，因珀爾貼效應(yīng)產(chǎn)生的 吸熱量 與電流I 成正比 式中 珀爾貼系數(shù)(2-157) 它與導(dǎo)體

7、的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，可按下式計算(2-158)第18頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 當(dāng)電流通過電偶對時，熱電元件內(nèi)還要放出焦耳熱。焦耳熱 與電流的平方成正比，即 ：(2-159) 式中R 為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為L ,電阻率為 及 ，截面積為 ，則(2-160) 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(yīng)降低。第19頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 除了焦耳熱以外，由于半導(dǎo)體的導(dǎo)熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的 熱量 ：(2-161)式中k 長L 的熱電元件 總導(dǎo)熱系數(shù) 若兩電偶臂的導(dǎo)熱系數(shù)及截面積分別為 及 則：(2-

8、162)第20頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的 功率 為 (2-164)因此電偶對的 制冷系數(shù) 可以表示為： (2-165) 因此，電偶對 的制冷量 應(yīng)為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導(dǎo)熱量之差，即： (2-163)第21頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二2.3.2.2 熱電制冷的特性分析 在電流I 為某一定值的情況下，令 ，由式(2-163)得： 可見最大溫差的大小與電流的大小有關(guān)。 (2-166)第22頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 將上式對I 取偏倒數(shù)，

9、并令其等于零，就可以求出 最佳電流值 與其對應(yīng)的 最大溫降: 將式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得: (2-167)(2-168)(2-169)第23頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 若兩電偶臂的幾何尺寸相同( )具有相同的 導(dǎo)熱系數(shù) 及相同的 電阻率 ，則式（2-169）變?yōu)榛?(2-170)(2-171)式中 熱電元件材料的 電導(dǎo)率第24頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二若 ，則 (2-172)由此可見: 熱電制冷的 最大溫差取決于材料的 組成的一個綜合參數(shù)及冷端溫度 。此綜合參數(shù)稱為制造電偶對材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z ，即 (2-

10、173)第25頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 下面再來分析電堆的制冷系數(shù)與供給熱電堆的電流值的關(guān)系。將式(2-165)對電流取偏倒數(shù)，并令其等于零，得到 與最大制冷系數(shù)相對應(yīng)的電流及電壓值 (2-174)(2-175)第26頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二式中 (2-176)故制冷系數(shù) 與溫差 以及材料優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z有顯著關(guān)系。第27頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二2.3.2.3 多級熱電堆 一對電偶的制冷量是很小的，如6xL7的電偶對,其制冷量僅為3.34.2kJ/h 為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯(lián)成熱電堆，稱單級

11、熱電堆 單級熱電堆在通常情況下只能得到大約50的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)的方法組出多級熱電堆，圖2-166示出多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式。 第28頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二圖2-166 多級熱電堆的結(jié)構(gòu)型式 a) 串聯(lián)二級熱電堆 b) 并聯(lián)二級熱電堆 c) 串并聯(lián)三級熱電堆第29頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用 1、半導(dǎo)體制冷設(shè)備的特點及應(yīng)用 不用制冷劑 無機械傳動部分 冷卻速度和制冷溫可任意調(diào)節(jié) 可將冷熱端互換 體積和功率都可做得很小第30頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，

12、星期二2、半導(dǎo)體制冷的用途 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可制成低溫醫(yī)療器具可對儀器進行冷卻 可做成零點儀第31頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二2.3.3 蒸氣噴射式制冷循環(huán) 蒸氣噴射式制冷機只用單一物質(zhì)為工質(zhì) 雖然從理論上談可應(yīng)用一般的制冷劑作為工質(zhì),但到目前為止，只有以水為工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷機得到實際應(yīng)用。 當(dāng)用水為工質(zhì)所制取的低溫必須在0以上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調(diào)裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二NEXT第33頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二圖

13、2-168 蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖 蒸氣噴射式制冷機的工作過程也可以表示在溫熵圖上。如圖2-168所示。圖中實線表示理想循環(huán)，虛線表示實際過程。 第34頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二現(xiàn)在可根據(jù)圖2-168進行理論循環(huán)的熱力計算。(2-177)式中 被引射制冷蒸氣的流量 鍋爐的供熱量 (2-178)式中 工作蒸氣流量冷凝器放熱量 (2-179)制冷量泵所消耗的功折合成熱量 (2-180)第35頁，共38頁，2022年，5月20日，1點39分，星期二 泵功較小，如果予以忽略，則整個制冷機的 熱平衡式 為 而 經(jīng)濟性指標(biāo) 也用熱力系數(shù)來表示 其中比值稱為 噴射系數(shù)，它表示1Kg工作蒸氣能引射的低壓蒸