6热电制冷V2

6热电制冷制冷原理热电效应组成热电制冷器的基本元件、制冷特性和性能系数影响热电制冷器性能的因素多级热电制冷器的使用热电效应热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，包括五个效应:导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应6.1热电制冷的原理及分析塞贝克效应:在两种不同金属组成的闭合线路中，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，称为温差电流。帕尔贴效应: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，这称为帕尔贴效应，亦称温差电现象热电制冷(温差电制冷、半导体制冷、电子制冷):以温差电现象为基础的制冷方法，利用“塞贝克”效应的逆效应——帕尔帖效应达到制冷目的纯金属材料的导电性好，导热性也好，其帕尔贴效应很弱，制冷效率很低(不到1%)半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来做成小型热电制冷器制冷效果主要取决于两种材料的热电势半导体制冷: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，所以热电制冷都采用半导体材料当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换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材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数表示AWdIdQp/式中I-----流经导体的电流，A。对于P型半导体和N型半导体组成的电偶当电偶对通以直流电I时，因帕尔贴效应产生的吸热量与电流I成正比式中——帕尔贴系数IQ帕尔贴系数与导体的物理化学性质有关，可按下式计算cNPT)(式中α——温差电动势率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：RIQj2式中R为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L,电阻率为及，截面积为，则1221,ss)(2211ssLR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。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：kQ)(0TTkQhk式中k——长为L的热电元件总传热系数若两电偶臂的导热系数及截面积分别为及则：21,21,ss)(12211ssLk热电制冷的特性分析电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的功率为ITTRIwhNP))((02因此电偶对的制冷系数可以表示为：ITTRITTkRIIThNPhNP))(()(5.0)(02020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：)(21)(0200TTkRIITQhNP在电流I为某一定值的情况下，令，得：00Q]5.0)[(12RIITkTTcNPch可见最大温差的大小与电流的大小有关。)(21)(0200TTkRIITQhNP由制冷量将上式对I取偏倒数，并令其等于零，就可以求出最佳电流值与其对应的最大温降:RTIcNPopt)(RkTTTcNPch2)()(22max整理得:))(()(21)(2211221122maxssssTTTcNPch若两电偶臂的几何尺寸相同()具有相同的导热系数及相同的电阻率，则21ss21214)(21)2(2)(21)(2222maxcNPcNPchTssTTT或4)(21)(22maxcNPchrTTT式中——热电元件材料的电导率er/1))(()(21)(2211221122maxssssTTTcNPch若，则Np22max21)(cchTrTT由此可见:热电制冷的最大温差取决于材料的温差电动势率,电导率,导热系数()组成的一个综合参数及冷端温度Tc,此综合参数称为制造电偶对材料的优值系数Z，即,,rrZ2将制冷系数式对电流取偏倒数，并令其等于零，得到与最大制冷系数相对应的电流及电压值)1())((MRTTIchNPopt1))(())((MTTMTTRIUchNPchNPoptopt21)](5.01[chTTZM电堆的制冷系数与供给热电堆的电流值的关系1maxMTTMTTTchchc式中21)](5.01[chTTZM故制冷系数与温差以及材料优值系数Z有显著关系。chTT多级热电堆一对电偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.3～4.2kJ/h为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆单级热电堆在通常情况下只能得到大约50℃的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆将数十个乃至数百个热电电偶串联，将冷端排在一起，热端排在一起，组成热电堆，称单级热电堆借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到被冷却系统中去吸热降温，这就是单级热电堆式半导体制冷器散热的工作原理单级热电堆多级热电堆式半导体制冷器原理图a)串联二级热电堆b)并联二级热电堆c)串、并联三级热电堆为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式半导体制冷。它由单级热电联结而成联结的方式有串联、并联及串并联，其中二级、三级热电堆式半导体制冷最为常见多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为2~3级，最多达8级例1:某二级热电制冷器，第二级用电偶22对；第一级则需用电偶56对（尺寸Ф5×6），串联，风冷，总温差可达70℃例2:某三级热电制冷器，采用同样的电偶，第三级用4对；第二级要18对；第一级则需114对，串联，水冷，总温差可达99℃6~8级的热电制冷器，若热端温度50℃，冷端温度可低到140~160K（-113~-133℃）电绝缘导热层电绝缘导热层I2III1图8－5多级热电堆的结构型式a)串联二级热电堆b)并联二级热电堆c)串并联三级热电堆热电制冷与机械压缩式制冷比较热电制冷中，热电堆起到压缩机的作用，冷端与热端交换器相当于蒸发器与冷凝器6.2热电制冷的特点及应用热电制冷具有的显著特点：1.不用制冷剂2.结构简单，无机械传动部分3.启动快，控制灵活，冷却速度和制冷温度可任意调节4.方便可逆操作，可将冷热端互换5.体积和功率都可做得很小6.效率低，能耗大，半导体制冷装置的COP一般约0.2～0.3，远低于压缩式制冷半导体制冷的用途可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却可做成零点仪汽车冰箱CPU冷却装置半导体制冷饮水机电子冰胆实验装置6.3热电堆设计热电制冷设备:主要由热电堆、电绝缘导热层、冷板和散热器组成，见图8-10冷板：导出冷量散热器：热端散热电绝缘导热层：冷端与冷板间，热端与散热器间绝缘导热设计已知条件制冷量：由热负荷确定制冷温度Tc：由使用要求确定冷却介质温度Ta热结点与冷却介质的温差ΔTH：由热端散热方式及传热系数确定冷结点与被冷却对象的传热温差ΔT0：由冷端传热方式及传热系数确定设计参数确定热端温度：TH=Ta+ΔTH冷端温度：T0=Tc–ΔT0冷热端温差：ΔT=TH–T0热电堆级数按ΔT确定热电堆级数单级热电堆最大温差约50K元件尺寸及其连接方式电偶元件最佳尺寸关系为为减轻重量和节省半导体材料，应尽量减小A，但不应小到使元件的接触电阻表现得过分明显连接方式：图8－13PNNPNPrr设计工作状态的选择按制冷系数最优设计：效率高，耗电少，热端散热少，需电偶元件多，体积大，材料成本高按制冷能力最优设计：利弊相反；适用于微型制冷设计计算步骤①若已给定电源电压Vt，确定电堆的元件尺寸和需用电偶数目n一个电偶的R值为按最大制冷能力设计，电压为设电偶串联，需要电偶数目为n＝Vt/V1P型电臂的面长比rN由此式确定取两臂长度为L，则两臂横截面积为Ap＝rpL，AN＝rNLPmrR/HTV1PNNPNPrrnTTQrmmtP)2(202,0设计计算步骤②若已知电偶元件尺寸（rp，rN），求电源电压Vt和需用电偶数目n一个电偶的R值为制冷量为电压为则需要电偶数目为n＝Q0t/Q0电源电压为Vt＝nV1PmrR/HTV1)(21)(0200TTkRIITQhNP