热电制冷
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制冷原理与装置
第五章 其它制冷循环
主要内容
吸收式制冷循环 吸附式制冷循环 喷射式制冷循环 压缩式气体制冷循环 气体涡流制冷 热电制冷
教学目标和任务
了解各种非压缩蒸气式制冷方法和工作原理 了解非压缩蒸气式制冷机组的结构和特点 了解主要非压缩蒸气式制冷机组的设计计算 了解非压缩蒸气式制冷技术的现状和发展
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
热电制冷的原理
总的热效应由五种不同的效应组成。其中三种效应表明 电能和热能相互转化是直接可逆的；另外两种热效应， 即焦耳和傅立叶效应是不可逆的。
三种基本的热电效应： • SEEBECK EFFECT（塞贝克效应） • PELTIER EFFECT（珀尔帖效应）
目 前 国 内 制 备 较 好 的 热 电 材 料 ， P 型 的 有 碲 化 铋 （ Bi2Te3Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能见表2。 实验材料铋 - 锑化合物在 200K 时 z 值为 0.004~0.005 。各种材 料的z值与温度有关，目前适合低温制冷的半导体材料并不 多。
BEER COOLER
TE FRIDGE
CHOCOLATE COOLER
AUTOMOBILE APPLICATIONS
SEAT COOLER/WARMER
CAN COOLER
便携式汽车冰箱,半导体冰wk.baidu.com,电子冷热箱
INDUSTRIAL APPLICATIONS
ELECTRONIC COOLER
TE DEHUMIDIFIER
1）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 ：
Qj I R
2
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的 长度为L ,电阻率为 1 及 2 ，截面积为 s1 , s2 ，则
R L(
1
s1
2
s2
)
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。
半导体制冷片（镀金）
MILITARY AND SPACE APPLICATIONS
NIGHT VISION
目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物 经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。以市面常见 的TEC1-12605为例，其额定电压为：12v，额定电流为 5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4X4X0.4Cm， 重约25克。它的工作特点是一面制冷而一面发热。
1. 半导体的结构
原子结合形式：共价键
形成的晶体结构： 构 成 一 个正四
面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
2. 半导体的种类
（1）本征半导体：没有掺杂的半导体 硅和锗都是半导体，而纯硅和锗（11个9的纯度）晶体称为本 征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。 （2）Ｐ型半导体 1) 构成：在硅单晶体中掺入微量的三价元素，如硼（Ｂ）等 2) 主要靠空穴导电的半导体叫空穴型半导体，简称Ｐ型半导体。 3) 在Ｐ型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 （3）Ｎ型半导体 1) 构成：在硅单晶体中掺入微量的五价元素。如磷（Ｐ）等。 2) 主要靠电子导电的半导体叫电子型半导体，简称Ｎ型半导体。 3) 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子
参考资料
《制冷原理与装置》 , 郑贤德 , 机械工业出版社 , 2000 《制冷原理与设备》，张祉祐 , 西安交通大学，机 械工业出版社,1993 《溴化锂吸收式制冷机》 , 戴永庆 , 机械工业出版 社 ,1995
《吸附式制冷》，王如竹，机械工业出版社，2002
网 络 ： 各 大 学 网 站 ， 制 冷 学 会 网 站 ， 搜 索 引 擎 www.google.com，www.baidu.com
汤姆逊（THOMSON）效应
电流通过具有温度梯度均匀的导体 时，导体将吸收或放出热量（1855， Thomson）
热电制冷的原理－Peltier
热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或 电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法， 它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖 效应的原理达到制冷目的。 塞贝克效应就是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。反之，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，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象
I2
电绝缘导热层
I
I
电绝缘 导热层
I1
图5-20 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
六、半导体制冷设备的特点及应用
半导体制冷设备的特点
不用制冷剂 无机械传动部分
冷却速度和制冷温度可任意调节I
可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小 缺点:大容量时效率低，耗电多
（温差50度以下，功率小于20w时效率高于压缩制冷）
半导体制冷的用途（张祉祐） 方便的可逆操作，小型空调器用于小轿车或 家庭降温、取暖 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱/便携冷 藏/保温箱、冷热饮水机等 可制成低温医疗器具 可对仪器/电子元件进行冷却
（红外探测器、CPU）
可做成零点仪，保持热电偶测温的固定点温 度
将式(总热导系数)及(电热元件电阻)代入式(5-83)得:
(Th Tc ) max
1 2
(1 s1 2 s 2 )(
1
s1
2
s2
(5-84)
)
若两电偶臂的几何尺寸相同( s1 s2 )具 有相同的 导热系数 1 2 及相同的 电阻率 1 2 ，则式（5-84）变为
1 ( P N ) 2 Tc2 1 ( P N ) 2 Tc2 (Th Tc ) max (5-85 ） 2 2s( 2 ) 2 4 s
或 (Th Tc ) amx 式中
1 ( P N ) rT 2 4
2
2 c
(5-85) 电导率
r 1 / ——热电元件材料的
1 2 Q0 ( P N ) ITc I R k (Th Tc ) (5-78) 2
三、热电制冷的耗功和制冷系数
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
w I R ( P N )(Th Tc ) I
2
因此电偶对的 制冷系数 可以表示为：
第六节 热电制冷技术 －半导体制冷
半导体及其 基本特性
？什么是半导体 物体按导电能力分类
导体——具有良好的导电能力的物体 （如铜、银、铝） 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的物 体（如锗、硅、砷化镓及 许多金属氧化物） 绝缘体——导电能力很差的物体（如橡胶、塑 料、陶瓷等）
半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性
若 p
N 2 ，则
1 r 2 Tc 2
2
(Th Tc ) max
(5-86)
由此可见: 热电制冷的 最大温差取决于材
料的 , r , 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 优质系数Z ，即
r Z
2
(5-87)
下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电堆 的电流值的关系。将式(5-80)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
＋
－
＋
—
二、制冷量计算
当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效 应产生的 吸热量 与电流I 成正比
式中
——珀尔贴系数
Q I
它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算
( P N )Tc
式中α －半导体材料的温差电系数，v/℃， α p是正值、α N是负值 Tc —冷端温度，℃
2）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 Qk ：
Qk k (Th Tc )
式中k ——长L 的热电元件 总导热系数 若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 1 , 2 及 s1 , s2 则：
1 k (1 s1 2 s 2 ) L
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：
谢谢大家！
RANGE OF APPLICATIONS
• CONSUMER APPLICATIONS • AUTOMOBILE APPLICATIONS • INDUSTRIAL APPLICATIONS
• MILITARY AND SPACE APPLICATIONS
CONSUMER APPLICATIONS
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，亦称半导体制冷 图5-19所示，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。
一对电偶的制冷量是很小的，如φ 6xL7 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，图5-20示出多级热电堆的结构型式。
I opt
( P N )(Th Tc ) R( M 1)
(5-91）
max
Th M Tc Tc Th Tc M 1
1 2
(5-92）
式中 M [1 0.5Z (Th Tc )]
故制冷系数 与温差Th Tc以及材料 优质系数Z有显著关系。
五、多级热电堆
• THOMSON EFFECT（汤姆逊效应）
塞贝克（SEEBECK）效应
两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个 结点存在温度差，在开路中将产生电动势E－ 温差电动势。（ 1821年，德国Seekeck）
珀尔帖（PELTIER）效应
电流流过两种不同导体的结点时，两个结 点将产生温度差。（1834，法国Peltier）
Q0 ( P N ) ITc 0.5I 2 R k (Th Tc ) (5-80) 2 P I R ( P N )(Th Tc ) I
四、热电制冷的特性分析
在电流I 为某一定值的情况下，令 Q0 0， 由式(制冷量公式)得：
1 Th Tc [( P N ) ITc 0.5I 2 R] k (5-81)
可见最大温差的大小与电流的大小有关。
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:
I opt
( P N )Tc R
(5-82)
(5-83)
(Th Tc ) max
( P N ) 2 Tc2 2 Rk
( P N ) T
2 2 c
第五章 其它制冷循环
主要内容
吸收式制冷循环 吸附式制冷循环 喷射式制冷循环 压缩式气体制冷循环 气体涡流制冷 热电制冷
教学目标和任务
了解各种非压缩蒸气式制冷方法和工作原理 了解非压缩蒸气式制冷机组的结构和特点 了解主要非压缩蒸气式制冷机组的设计计算 了解非压缩蒸气式制冷技术的现状和发展
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
热电制冷的原理
总的热效应由五种不同的效应组成。其中三种效应表明 电能和热能相互转化是直接可逆的；另外两种热效应， 即焦耳和傅立叶效应是不可逆的。
三种基本的热电效应： • SEEBECK EFFECT（塞贝克效应） • PELTIER EFFECT（珀尔帖效应）
目 前 国 内 制 备 较 好 的 热 电 材 料 ， P 型 的 有 碲 化 铋 （ Bi2Te3Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能见表2。 实验材料铋 - 锑化合物在 200K 时 z 值为 0.004~0.005 。各种材 料的z值与温度有关，目前适合低温制冷的半导体材料并不 多。
BEER COOLER
TE FRIDGE
CHOCOLATE COOLER
AUTOMOBILE APPLICATIONS
SEAT COOLER/WARMER
CAN COOLER
便携式汽车冰箱,半导体冰wk.baidu.com,电子冷热箱
INDUSTRIAL APPLICATIONS
ELECTRONIC COOLER
TE DEHUMIDIFIER
1）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 ：
Qj I R
2
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的 长度为L ,电阻率为 1 及 2 ，截面积为 s1 , s2 ，则
R L(
1
s1
2
s2
)
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。
半导体制冷片（镀金）
MILITARY AND SPACE APPLICATIONS
NIGHT VISION
目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物 经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。以市面常见 的TEC1-12605为例，其额定电压为：12v，额定电流为 5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4X4X0.4Cm， 重约25克。它的工作特点是一面制冷而一面发热。
1. 半导体的结构
原子结合形式：共价键
形成的晶体结构： 构 成 一 个正四
面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
2. 半导体的种类
（1）本征半导体：没有掺杂的半导体 硅和锗都是半导体，而纯硅和锗（11个9的纯度）晶体称为本 征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。 （2）Ｐ型半导体 1) 构成：在硅单晶体中掺入微量的三价元素，如硼（Ｂ）等 2) 主要靠空穴导电的半导体叫空穴型半导体，简称Ｐ型半导体。 3) 在Ｐ型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 （3）Ｎ型半导体 1) 构成：在硅单晶体中掺入微量的五价元素。如磷（Ｐ）等。 2) 主要靠电子导电的半导体叫电子型半导体，简称Ｎ型半导体。 3) 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子
参考资料
《制冷原理与装置》 , 郑贤德 , 机械工业出版社 , 2000 《制冷原理与设备》，张祉祐 , 西安交通大学，机 械工业出版社,1993 《溴化锂吸收式制冷机》 , 戴永庆 , 机械工业出版 社 ,1995
《吸附式制冷》，王如竹，机械工业出版社，2002
网 络 ： 各 大 学 网 站 ， 制 冷 学 会 网 站 ， 搜 索 引 擎 www.google.com，www.baidu.com
汤姆逊（THOMSON）效应
电流通过具有温度梯度均匀的导体 时，导体将吸收或放出热量（1855， Thomson）
热电制冷的原理－Peltier
热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或 电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法， 它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖 效应的原理达到制冷目的。 塞贝克效应就是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。反之，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，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象
I2
电绝缘导热层
I
I
电绝缘 导热层
I1
图5-20 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
六、半导体制冷设备的特点及应用
半导体制冷设备的特点
不用制冷剂 无机械传动部分
冷却速度和制冷温度可任意调节I
可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小 缺点:大容量时效率低，耗电多
（温差50度以下，功率小于20w时效率高于压缩制冷）
半导体制冷的用途（张祉祐） 方便的可逆操作，小型空调器用于小轿车或 家庭降温、取暖 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱/便携冷 藏/保温箱、冷热饮水机等 可制成低温医疗器具 可对仪器/电子元件进行冷却
（红外探测器、CPU）
可做成零点仪，保持热电偶测温的固定点温 度
将式(总热导系数)及(电热元件电阻)代入式(5-83)得:
(Th Tc ) max
1 2
(1 s1 2 s 2 )(
1
s1
2
s2
(5-84)
)
若两电偶臂的几何尺寸相同( s1 s2 )具 有相同的 导热系数 1 2 及相同的 电阻率 1 2 ，则式（5-84）变为
1 ( P N ) 2 Tc2 1 ( P N ) 2 Tc2 (Th Tc ) max (5-85 ） 2 2s( 2 ) 2 4 s
或 (Th Tc ) amx 式中
1 ( P N ) rT 2 4
2
2 c
(5-85) 电导率
r 1 / ——热电元件材料的
1 2 Q0 ( P N ) ITc I R k (Th Tc ) (5-78) 2
三、热电制冷的耗功和制冷系数
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
w I R ( P N )(Th Tc ) I
2
因此电偶对的 制冷系数 可以表示为：
第六节 热电制冷技术 －半导体制冷
半导体及其 基本特性
？什么是半导体 物体按导电能力分类
导体——具有良好的导电能力的物体 （如铜、银、铝） 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的物 体（如锗、硅、砷化镓及 许多金属氧化物） 绝缘体——导电能力很差的物体（如橡胶、塑 料、陶瓷等）
半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性
若 p
N 2 ，则
1 r 2 Tc 2
2
(Th Tc ) max
(5-86)
由此可见: 热电制冷的 最大温差取决于材
料的 , r , 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 优质系数Z ，即
r Z
2
(5-87)
下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电堆 的电流值的关系。将式(5-80)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
＋
－
＋
—
二、制冷量计算
当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效 应产生的 吸热量 与电流I 成正比
式中
——珀尔贴系数
Q I
它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算
( P N )Tc
式中α －半导体材料的温差电系数，v/℃， α p是正值、α N是负值 Tc —冷端温度，℃
2）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 Qk ：
Qk k (Th Tc )
式中k ——长L 的热电元件 总导热系数 若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 1 , 2 及 s1 , s2 则：
1 k (1 s1 2 s 2 ) L
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：
谢谢大家！
RANGE OF APPLICATIONS
• CONSUMER APPLICATIONS • AUTOMOBILE APPLICATIONS • INDUSTRIAL APPLICATIONS
• MILITARY AND SPACE APPLICATIONS
CONSUMER APPLICATIONS
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，亦称半导体制冷 图5-19所示，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。
一对电偶的制冷量是很小的，如φ 6xL7 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，图5-20示出多级热电堆的结构型式。
I opt
( P N )(Th Tc ) R( M 1)
(5-91）
max
Th M Tc Tc Th Tc M 1
1 2
(5-92）
式中 M [1 0.5Z (Th Tc )]
故制冷系数 与温差Th Tc以及材料 优质系数Z有显著关系。
五、多级热电堆
• THOMSON EFFECT（汤姆逊效应）
塞贝克（SEEBECK）效应
两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个 结点存在温度差，在开路中将产生电动势E－ 温差电动势。（ 1821年，德国Seekeck）
珀尔帖（PELTIER）效应
电流流过两种不同导体的结点时，两个结 点将产生温度差。（1834，法国Peltier）
Q0 ( P N ) ITc 0.5I 2 R k (Th Tc ) (5-80) 2 P I R ( P N )(Th Tc ) I
四、热电制冷的特性分析
在电流I 为某一定值的情况下，令 Q0 0， 由式(制冷量公式)得：
1 Th Tc [( P N ) ITc 0.5I 2 R] k (5-81)
可见最大温差的大小与电流的大小有关。
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:
I opt
( P N )Tc R
(5-82)
(5-83)
(Th Tc ) max
( P N ) 2 Tc2 2 Rk
( P N ) T
2 2 c