謝彬彬，張　雷（松下冷鏈(大連)有限公司,大連　116600）

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)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(duì)半導(dǎo)體制冷的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)其制冷系統(tǒng)工作時(shí)的多種工況進(jìn)行綜合對(duì)比分析和研究。闡述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在各種工況下工作時(shí)，相關(guān)參數(shù)的變化情況，為今后半導(dǎo)體制冷的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；制冷系統(tǒng)；分析研究

1　基本制冷原理

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

2　多種半導(dǎo)體制冷工況的綜合研究

半導(dǎo)體制冷存在三種極限工況，即制冷系數(shù)最大工況、制冷量最大工況及溫差最大工況[2]。但在不同產(chǎn)品的實(shí)際工作中，不可能達(dá)到極限工況下的理想制冷效果。因此基于現(xiàn)有理論，存在使制冷系統(tǒng)既消耗較少功耗，又產(chǎn)生較大的制冷量的工況，即最優(yōu)工況?，F(xiàn)分別闡述各工況的變化關(guān)系，以便于直觀清晰地了解和掌握制冷系統(tǒng)的工作過程，在對(duì)比分析中總結(jié)規(guī)律，為日后進(jìn)一步研究積累數(shù)據(jù)。

2.1半導(dǎo)體制冷的基本工況

圖1畫出了N型和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的電偶對(duì)。在這電偶對(duì)上通上電流后，交界面在一秒時(shí)間內(nèi)放出或吸收的熱量（珀耳貼熱QP）與電流強(qiáng)度I成正比，即

αp、αn分別為N型和P型電偶臂的溫差電動(dòng)勢(shì)率，T為相應(yīng)接頭上的絕對(duì)溫度。因此，由n型和p型半導(dǎo)體組成的熱電偶，其總溫差電動(dòng)勢(shì)率α為α=αp-αn。

半導(dǎo)體冷端產(chǎn)冷量Q0應(yīng)為珀?duì)栙N熱量與傳回冷端的焦耳熱和導(dǎo)熱量之差。即

電偶對(duì)工作時(shí)，電源既要對(duì)電阻做功，又要克服熱電動(dòng)勢(shì)做功，故消耗的功率為

2.2 半導(dǎo)體制冷的三種極限工況

據(jù)熱力學(xué)制冷原理及半導(dǎo)體制冷基本理論，給出的制冷量、功耗、制冷系數(shù)、熱端發(fā)熱量Q、W、ε等，都是電流I與溫差ΔT的函數(shù)，其熱電偶冷端的吸熱、放熱與電流的關(guān)系如圖2所示。利用半導(dǎo)體制冷的冷端對(duì)環(huán)境介質(zhì)進(jìn)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(dāng)熱電偶冷熱端的溫差為零時(shí)，產(chǎn)冷量相應(yīng)為這兩個(gè)效應(yīng)合成的曲線Q0。從圖中可以看出產(chǎn)冷量隨著電流的增大而增大到最大值，此點(diǎn)叫做最大產(chǎn)冷量工況。在最大產(chǎn)冷量工況下，當(dāng)熱端溫差ΔT從ΔTmax變化到零時(shí)，制冷系數(shù)從0增加到0.5。當(dāng)ΔT=常數(shù)時(shí)，函數(shù)曲線有一個(gè)最大值，此時(shí)為最佳效率工況，在確定的冷熱端溫差時(shí)，取Q0=0，此時(shí)得到的工況為最大溫差工況。

2.3半導(dǎo)體制冷的最優(yōu)工況

由于半導(dǎo)體制冷的最大制冷系數(shù)和最大制冷量工況工況均屬于極限工況。在實(shí)際運(yùn)行中，由于各種因素的影響不可能達(dá)到極限工況下計(jì)算出的制冷量，因此在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步推導(dǎo)最優(yōu)電流值。

基于半導(dǎo)體制冷的基本工況，現(xiàn)做如下推導(dǎo)：

3　結(jié)論

半導(dǎo)體制冷工況對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的制冷性能影響顯著，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮并合理利用這種相對(duì)變化關(guān)系，并針對(duì)不同產(chǎn)品選擇不同的運(yùn)行工況。本文首先闡述了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的研究意義及原理，然后對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的多種實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行了綜合分析研究，通過理論推導(dǎo)及計(jì)算，得出不同工況下，其制冷相關(guān)性能參數(shù)變化情況，為日后半導(dǎo)體制冷工況的發(fā)展奠定了一定地理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡德坡.半導(dǎo)體制冷熱端的分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].江西:南昌大學(xué),2010.

[2]周敬雯.利用帕爾貼效應(yīng)制冷供暖的局部空調(diào)設(shè)計(jì)及性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013.