热电制冷技术课件.ppt

1、热电制冷技术的热电制冷技术的发展与应用发展与应用 BY：袁丽芬：袁丽芬 能动能动B22 2120301172 西安交通大学西安交通大学目录目录u制冷原理制冷原理u应用方向应用方向u优势与劣势优势与劣势u发展发展一、制冷原理一、制冷原理 热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是在热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是在18341834年发现的帕尔年发现的帕尔贴效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。总的贴效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。总的热电效应的包含五中不同的效应。其中塞贝克、帕尔贴和汤姆逊三种热电效应的包含五中不同的效应。其中塞贝克、帕尔贴和汤姆逊三种效应表明

2、热和电能相互转换开始直接可逆的。另外两种效应是热的不效应表明热和电能相互转换开始直接可逆的。另外两种效应是热的不可逆效应，即焦耳和傅里叶效应。可逆效应，即焦耳和傅里叶效应。1 1、五种效应、五种效应塞贝克效应塞贝克效应：塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其 周围就会出现磁场，进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。如图所示,由a、b两种不同材料构成的电路,若两个接点A、B之间存在温差T，则在点 C、D 之间会产电动势Eab.Eab的大小与接点间的温度正比：式中ab称为塞贝克系数，又称为材料对的温差电动势率，TEabab帕尔贴

3、效应帕尔贴效应：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象。帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程。直流电回路时，回路的一端吸收热量，另一端则放出热量。吸热量称为帕耳帖热，它正比于电流 I:TIQabababp式中 称为帕尔贴系数ab汤姆逊效应汤姆逊效应：若电流通过有温度梯度的导体，则在导体与周围环境之间将进行能量交换，这种现象称为汤姆逊效应。实验得出单位长度吸收或放出的热与电流和温度梯度的乘积成比例：dxdTIQTQT每单位长度导体的吸（放热）率，也称汤姆逊热 比例常数，称为汤姆逊系数；I通过导体的电流；dT/dx温度梯度 一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热分析计算中

4、处于次要地位，其数值与帕耳帖效应相比甚微，作为工程或设计计算，可以忽略不计。焦耳效应焦耳效应：单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积：SlIRIQJ22傅里叶效应：傅里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向的温度梯度的乘积成正比:TKQK2 2、热电制冷的产冷量、热电制冷的产冷量 在制冷热电偶中，一个结点上放热，而另一个结点上吸热，因此两个结点间有温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。因热电偶内流动的电流产生焦耳热，使局部温度升高，温度升高就使更多的热流向冷结点，起了增加从热结点至冷结点总热量的作用。若热在电流为I的导体上达到平衡，

5、则传导给冷结点的纯热流可用一维傅里叶方程来表示：TKRIQQQKJhc22121 由传导给冷结点的总热量影响了帕尔贴制冷，因此，把它减掉就得到了单个热电偶的纯产冷量：TKRIITQCNP2021)(3 3、制冷原理、制冷原理 若我们把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当做电流来看，则每种材料载流子的势能不同。因此，为满足能量守恒的要求，载流子通过结点时必然与其周围环境进行能量交换。这就是帕尔贴效应。如右图，n型材料有多余的电子，有负温差电势。p型材料电子不足，有正温差电势。当电子从p型穿过结点至n型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这一点可用温度降低来证明。反之，当电子

6、从n型流至p型材料时，结点的温度就升高。右图所示的连接方法在实际中无用，因此要用左图的连接方法代替。在上面的一个接头处，电流方向是n到p,温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头，电流方向是p到n，温度上升并且放热，因此是热端。把若干对半导体热电偶在电路上串联起来。而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。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工作环境中取吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。热电制冷是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用，

7、冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端及其热交换器相当于冷凝器。通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆的冷端想热端运动，相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端，通过热交换器吸热，同时产生电子-空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中吸热和蒸发。在热电堆的热端，发生电子-空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结。4 4、热电制冷与机械压缩式制冷的比较、热电制冷与机械压缩式制冷的比较一对电偶消耗的电功率为：TIRIUINNP)(20一对电偶的制冷系数定义为为：单位电功率所能吸收的热量：TIRITKRIITNQNPCNP)(21)(2200一

8、对热电偶在热端放出的热量：TKRIITNQQHNPH20021)(5 5、热电制冷的基本公式、热电制冷的基本公式 使制冷器获得最大的制冷量是设计追求的指标之一。从制冷量的计算式可知，当工作温度、半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的大小只与电流有关。帕耳帖热越大，焦耳热越大，则制冷量越大。帕耳帖热与电流成正比，焦耳热与电流的平方成正比，故存在着使制冷量最大的电流，求导，得到最佳电流和最大制冷量：TKRTQRTICCQ2)(2max0max0 同时，性能系数对电流求导，则可得制冷系数取最大时的最佳电流：1)(211)(211)1211(maxCHCHCHCHCOPTTZTTTTZTTTRTZT

9、I 根据前面关于热点效应的讨论，显然对于热电材料的特性可得以下结论（1）为了产生大的制冷效能，温差电动势要相当高，它是所选电偶材料的函数，该电动势是随温度变化的塞贝克电压。（2）电阻率要低，否则电阻产生的热可能超过制冷效能。（3）要维持冷热节点之间有一个大的温差，导热系数要低。通常，把这三个因素综合成优质系数Z，这个值是衡量热电器件材料有用性的指标.RKRKZZTTnPC222max)(21 Z是热电偶的优值系数，是衡量热电偶对的最佳因素，它的值只与电偶的材料的物理性质有关，反映了电偶的热电特性。Z值越大，则制冷量，制冷效率也越大，因此，提高优值系数是改善半导体制冷性能的根本措施。图1为制冷量

10、，性能系数，冷热端温差三者之间的关系，图2为Z值与温差之间的关系3 3、多级制冷热电堆、多级制冷热电堆 一级热电堆在通常情况下只能得到大约60度的温差，为了得到更大的温差和更低的温度，可用级联的方法制造多级制冷器，第二级热电堆热端贴在第一级热电堆的冷端上，第一级热电堆实际上起到第二级的散热器的作用，如图所示为三级热电堆示意图：设第一，二，三级热电堆的温差和制冷系数分别为321321,;,TTT则总的温差为:321TTTT总的制冷系数为：1321 1)11)(11)(11(如果选取 ，则 0321此种情况下总的制冷系数最大。因为制冷器热端散热量比冷端产冷量大许多倍，热端放出的热量为其所消耗的电功

11、率之加上冷端负载之和，为得到较大温差，第一级热电堆元件对数应比第二级热电堆元件对数大许多倍。由于这个原因以及温度越低元件性能越差，并不是级数越多，温差按比例提高。因此级联的级数不能很多，一般2到3级。1)11(130多级热电制冷器的实验数据多级热电堆的结构多级热电堆的结构串联型多级热电制冷器 串联型多级热电堆的特点是各级工作电流相同。级与级之间需要一层电绝缘导热层，工艺比较简单，在要求同一温差和和承受同一负载时比下面要介绍的并联型要消耗较大的功率。图所示分别为二，三，四，五级串联型热电堆。并联型多级热电制冷器 并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝热导热层。达到同一温差和承受

12、同一负载时比串联型耗电要小些，单线路设计上比较麻烦些，特别是要求负载较大的情况a,最简单的并联型二级堆；b,一般并联型二级堆，d,并联型三级堆e,并联型四级堆4 4、热电制冷器的散热方式、热电制冷器的散热方式空气自然对流散热空气自然对流散热 在很多小型热电制冷器中，常采用空气自然对流散热的换热系统，它需要一定形式的散热片作为热交换器。这种散热方式的热电制冷器的温度分布如图所示。制冷对象所要移走的热量，通过冷端吸热器与周围空气的热交换吸收热量，然后经过连接片及绝缘层的导热，使这些热量被热电堆冷端所吸收，经热电制冷效应又把热量移至热端，再经各层的导热把热量传给热端散热器。强迫通风散热强迫通风散热

13、散热器采用强迫通风以后，其对流换热系数可大大提高，在相同的散热功率下，散热面积相应地缩小许多倍。水冷散热水冷散热 这种方法散热的效率高，其换热系数比空气自然对流散热大100到1000倍热管散热热管散热 通常半导体制冷中传统的散热器采用的是翅片式散热器，然而应用热管式散热器，散热效率要比传统的翅片式高很多。目前热管散热器大多采用中空的圆柱形铝管或铜管，其中一部分空间填充易于蒸发的液体，管壁有由毛细多孔材料构成的吸液芯。管内空间始终保持真空状态，因而其中液体的蒸发温度与环境温度相近。当热管两端产生温差的时候，蒸发端的液体就会迅速气化。由于气化后蒸汽压力较大，在压力差的作用下，蒸汽运动至冷却端遇冷重

14、新液化，气体液化释放热量，从而把热量从蒸发端带向冷却端。二、应用方向二、应用方向 热电制冷具有诸多特点，应用开发几乎涉及所有制冷领域，尤其在制冷量不大，又要求装置小型化的场合，更有其优越性。它在国防、科研、工农业、气象、医疗卫生等领域得到了广泛应用，用于仪器仪表、电子元件、药品、疫苗等的冷却、加热和恒温。如无线电元件恒温器、微机制冷器、红外探测器制冷器、便携式冰箱、旅游汽车冷热两用箱、半导体空调器、军用和医用制冷帽、白内障摘除器、病理切片冷冻台、潜艇空调器等。半导体制冷器未来将向大功率与微小型方向发展，尤其在民用和其它市场开发项目中。1 1、小型恒温器 小型恒温器是由一个或几个制冷模块构成。用

15、来使一些需要在恒定温度下工作的电子器件保持恒温。比如石英晶体振荡器、锗三极管或精密电阻等元器件。2 2、热电设备在热能传感器中的应用 目前已经开发了以帕尔帖效应或塞贝克效应为原理的许多新型热能传感器。这些新颖的传感器与常规传感器相比性能已经提高了不少。如低温热流传感器、超声波亮度传感器、冷凝水探测器、流体流动传感器、红外传感器、薄膜热电传感器都是热电热能传感器。3 3、医疗保健、生物工程 婴儿保育箱对温度、湿度要求较高，采用电加热升温和压缩式制冷降温的保育箱系统复杂、笨重，而且升温时电能利用效率低，降温时压缩机产生振动和噪声。利用热电热泵可使整个设备简化和轻量化，安静可靠，温度、湿度控制更为方

16、便；使用同样容量的蓄电池，路途时间可以延长 1.8-3.6 倍。4 4、集成电路、电子设备系统冷却 集成电路、电子设备系统通过热电制冷技术降温，既可以采用热电制冷模块与散热器结合，对电子元件进行局部冷却，也可以通过独立的热电制冷装置对其进行整体降温半导体除湿机介绍半导体除湿机介绍除湿原理除湿原理 用半导体冷端制冷量对空气冷凝除湿，除湿原理如图所示，待处理的空气为状态点 1，吸收制冷器冷端产生的冷量冷凝除湿后变为状态点2，由风扇作用强制将处理后的空气通过半导体制冷器的热端，吸热升温后变为状态点3，最终送入室内。除湿过程中，湿空气的含湿量由d1变为d2，温度由t1冷却为t2,除湿量为：2211dm

17、dmm式中，分别为空气处于状态点1,2的质量流量，分别为状态点1,2的含湿量，并定义半导体除湿效率为:21,mm21,dd03600/Pm式中为 为水的汽化潜热 ，m为除湿量，为热电堆的输入功率，kgkJ/hg/0PW 对半导体制冷的特点进行分析：其最大的缺点就是制冷效率低制冷效率低，在车载冰箱中或者除湿机中，它的制冷或者除湿效率明显低于压缩式制冷设备或者除湿设备，这一点极大的限制了热电制冷的发展。但是，由于高效能源开发与节能的技术及设备，成为必然的发展趋势。半导体制冷技术正是在这种呼声中应运而生。它尺寸小、重量轻、尺寸小、重量轻、无任何机械转动部分，工作中没有噪音、不必使用液态或气态工质，因

18、而不造成环无任何机械转动部分，工作中没有噪音、不必使用液态或气态工质，因而不造成环境污染、且境污染、且“制冷制冷”“”“制热制热”运用自如、作用速度快、使用寿命长又易于控制。运用自如、作用速度快、使用寿命长又易于控制。1、由于不使用制冷剂，消除了制冷剂泄漏对人体造成的伤害2、由于没有运动部件，在运行时，无噪音，无振动，无磨损。因此，工序可靠，维护方便，使用寿命长。3、热电制冷器的容易尺寸宜于小型化，这是一般制冷技术所办不到的。小型热电制冷器的产冷量一般在几瓦到几十瓦之间，他的效率与容量大小无关，只取决于热电堆的工作条件。微型热电制冷器的容积和尺寸是相当小的。例如可以达到零下100度的四级复叠式

19、式半导体制冷器，他的产冷量只有几十毫瓦，外形大小跟一只香烟盒相仿。4、热电制冷装置可以通过调节工作电压来改变它的产冷量和制冷温度。作为仪器仪表的小型冷源，易于实现连续、精密的控制。三、优势与劣势三、优势与劣势四、发展四、发展 尺寸微型化尺寸微型化是热电制冷模块的一个重要发展方向，实验室获得的微型热电制冷模块采用 A1N 陶瓷做绝缘面板，电臂长度为 0.2mm，最大温差70K，制冷功率密度达80w/cm2。随着制冷模块结构进一步微型化，内部接触层电阻以及热传导辐射等的不利影响更加显著，因此，兼容性强的薄膜集成结构将成为微电子元件冷却的主流发展方向。微型热电制冷技术主要应用于电子元件实验仪器、探测仪器等局部或整体冷却。适当的温度条件是电子元件正常工作的基础，热电制冷无方向性制约，能微型化,便于与冷却对象组合或集成,因此不可缺少,甚至不可替代。谢谢观赏33ppt课件