半導體制冷系統工況的綜合研究

謝彬彬，張　雷（松下冷鏈(大連)有限公司,大連　116600）

半導體制冷系統工況的綜合研究

謝彬彬，張雷
（松下冷鏈(大連)有限公司,大連116600）

摘要：本文針對半導體制冷的發展狀況，對其制冷系統工作時的多種工況進行綜合對比分析和研究。闡述半導體制冷系統在各種工況下工作時，相關參數的變化情況，為今后半導體制冷的發展提供參考。

關鍵詞：半導體；制冷系統；分析研究

1　基本制冷原理

半導體制冷系統即熱電制冷器的工作原理如圖1所示，半導體通過金屬片連接形成一回路，當電流由N→P流動時，回路中的電場使得N型半導體中的自由電子和P型半導體中的空穴相向流動，它們產生了來自晶格熱能的能量，載流子在金屬導體片上吸熱，呈現為冷端；反之，若電流由P→N時，則金屬導體片放熱，呈現為熱端[1]。這樣，就完成了半導體制冷系統的制冷與制熱過程。

2　多種半導體制冷工況的綜合研究

半導體制冷存在三種極限工況，即制冷系數最大工況、制冷量最大工況及溫差最大工況[2]。但在不同產品的實際工作中，不可能達到極限工況下的理想制冷效果。因此基于現有理論，存在使制冷系統既消耗較少功耗，又產生較大的制冷量的工況，即最優工況。現分別闡述各工況的變化關系，以便于直觀清晰地了解和掌握制冷系統的工作過程，在對比分析中總結規律，為日后進一步研究積累數據。

2.1半導體制冷的基本工況

圖1畫出了N型和P型半導體構成的電偶對。在這電偶對上通上電流后，交界面在一秒時間內放出或吸收的熱量（珀耳貼熱QP）與電流強度I成正比，即

αp、αn分別為N型和P型電偶臂的溫差電動勢率，T為相應接頭上的絕對溫度。因此，由n型和p型半導體組成的熱電偶，其總溫差電動勢率α為α=αp-αn。

半導體冷端產冷量Q0應為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱和導熱量之差。即

電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電動勢做功，故消耗的功率為

2.2 半導體制冷的三種極限工況

據熱力學制冷原理及半導體制冷基本理論，給出的制冷量、功耗、制冷系數、熱端發熱量Q、W、ε等，都是電流I與溫差ΔT的函數，其熱電偶冷端的吸熱、放熱與電流的關系如圖2所示。利用半導體制冷的冷端對環境介質進行冷卻的工況稱為基本工況。在熱電偶中，吸收的珀耳貼熱與電流成正比（圖2中Qp直線），焦耳熱與電流的二次方成正比（圖2中Qj/2曲線）。當熱電偶冷熱端的溫差為零時，產冷量相應為這兩個效應合成的曲線Q0。從圖中可以看出產冷量隨著電流的增大而增大到最大值，此點叫做最大產冷量工況。在最大產冷量工況下，當熱端溫差ΔT從ΔTmax變化到零時，制冷系數從0增加到0.5。當ΔT=常數時，函數曲線有一個最大值，此時為最佳效率工況，在確定的冷熱端溫差時，取Q0=0，此時得到的工況為最大溫差工況。

2.3半導體制冷的最優工況

由于半導體制冷的最大制冷系數和最大制冷量工況工況均屬于極限工況。在實際運行中，由于各種因素的影響不可能達到極限工況下計算出的制冷量，因此在現有理論基礎上我們進一步推導最優電流值。

基于半導體制冷的基本工況，現做如下推導：

3　結論

半導體制冷工況對半導體制冷系統的制冷性能影響顯著，實際應用中應充分考慮并合理利用這種相對變化關系，并針對不同產品選擇不同的運行工況。本文首先闡述了半導體制冷系統的研究意義及原理，然后對半導體制冷系統的多種實際運行工況進行了綜合分析研究，通過理論推導及計算，得出不同工況下，其制冷相關性能參數變化情況，為日后半導體制冷工況的發展奠定了一定地理論基礎。

參考文獻：

[1]蔡德坡.半導體制冷熱端的分析與實驗研究[D].江西:南昌大學,2010.

[2]周敬雯.利用帕爾貼效應制冷供暖的局部空調設計及性能研究[D].上海:上海交通大學,2013.