车载冰箱半导体制冷原理

车载小冰箱的半导体制冷原理 半导体制冷技术 材料是当今世界的三大支柱产业之一，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，尤其是近几十年来随着人类科学技术的进步，材料的发展更是日新月异，新材料层出不穷，其中半导体制冷材料就是其中的一个新兴的热门材料，其实半导体制冷技术早在十九世纪三十年代就已经出现了，但其性能一直不尽如人意，一直到了二十世纪五十年代随着半导体材料的迅猛发展，热点制冷器才逐渐从实验室走向工程实践，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用，大到可以做核潜艇的空调，小到可以用来冷却红外线探测器的探头，因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器。 半导体制冷器件大致可以分为四类： （1）用于冷却某一对象或者对某个特定对象进行散热，这种情况大量出现在电子工业领域中； （2）用于恒温，小到对个别电子器件维持恒温 ，大到如制造恒温槽，空调器等(3)制造成套仪器设备，如环境实验箱，小型冰箱，各种热物性测试仪器等(4)民用产品，冷藏烘烤两用箱，冷暖风机等。 半导体制冷的应用： （1）在高技术领域和军事领域 对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如，德国Micropelt公司的半导体制冷器体积非常小，只有1个平方毫米，可以和激光器一起使用TO封装。 （2）在农业领域的应用 温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。 （3）在医疗领域中的应用 半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如：用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。 半导体制冷的优点 半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可是制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。 半导体制冷器件的工作原理 半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab 帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即： Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I 因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb 金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。 半导体制冷材料的发展 AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同种类型的化合物质间，晶格热导率Kp随着平均原子量A的增长呈下降趋势。RWKeyes通过实验推断出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似与原子量A成正比，因此通常应选取由重元素组成的化合物作为半导体制冷材料。 半导体制冷材料的另一个巨大发展是1956年由AFIoffe等提出的固溶体理论，即利用同晶化合物形成类质同晶的固溶体。固溶体中掺入同晶化合物引入的等价置换原子产生的短程畸变，使得声子散射增加，从而降低了晶格导热率，而对载流子迁移率的影响却很小，因此使得优值系数增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶体与Bi2Te3相比较，其热导率降低33%，而迁移率仅稍有增加，因而优值系数将提高50%到一倍。 Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超导材料等曾经成为半导体制冷学者的研究对象，并通过实验证明可以成为较好的低温制冷材料。下面将分别减少这几种热电性能较好的半导体制冷材料。 二元Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3固溶体 二元固溶体，无论是P型还是N型，晶格热导率均比Bi2Te3有较大降低，但N型材料的优值系数却提高很小，这可能是因为在Bi2Te3中引入Bi2Se3时，随着Bi2Se3摩尔含量的不同呈现出两种不同的导电特性，势必会使两种特性都不会很强，通过合适的掺杂虽可以增强材料的导电特性，提高材料的优值系数，但归根结底还是应该在本题物质上有所突破。 三元Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3固溶体 Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶体结构，Sb2Se3是斜方晶体结构，在除去大Sb2Se3浓度外的较宽组份范围内，他们可以形成三元固溶体。无掺杂时，此固溶体呈现P型导电特性，通过合适的掺杂，也可以转变为N型导电特性。在二元固溶体上添加Sb2Se3有两个优点：首先是提高了固溶体材料的禁带宽度。其次是可以进一步降低晶格热导率，因此Sb2Se3不论是晶体结构还是还是平均原子量，都与Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。当三元固溶体中Sb2Te3+5% Sb2Se3的总摩尔含量在55%～75%范围时，晶格热导率最低，约为0.8×10-2W/cm K，这个值要略低于二元时的最低值0.9×10-2W/cm K。 但是，添加Sb2Se3也会降低载流子的迁移率，将会降低优值系数，因此必须控制Sb2Se3的含量。 P型Ag(1-x)Cu(x)Ti Te材料 AgTi Te材料由于具有很低的热导率（k=0.3 W/cm K）,因此如能通过合适的掺杂提高其载流子迁移率μ和电导率σ，将有可能得到较高的优值系数Z。RMAyral-Marin等人通过实验研究，发现将AgTi Te和CuTi Te通过理想的配比形成固溶体，利用Cu原子替换掉部分Ag原子后，可以得到一种性能较好的P型半导体制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te，其中x在0.3左右时，材料的热电性能最好。由此可见Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的确是一种较好的P型半导体制冷材料。 N型Bi－Sb合金材料 无掺杂的Bi－Sb合金是目前20K到220K温度凡内优值系数最高的半导体制冷材料，其在富Bi区域内为N型，而当Sb含量超过75%时将转变为P型。在Bi的单晶体中引入Sb，没有改变晶体结构，也没有改变载流子（包括电子和空穴）浓度，但是拉大了导带和禁带之间的宽度。Sb的含量为0～5%时禁带宽度约为0eV，即导带和禁带相连，属于半金属；Sb含量在5%～40%时，禁带宽度值基本是在0.005eV左右，当Sb的含量在12%～15%时，达到最大，约为0.014eV，属于窄带本征半导体。由上文所述，禁带宽度的增加必将提高材料的温差电动势。80K到110K温度范围内，是Bi85Sb15的优值系数最高，高温时则是Bi92Te8最高。 YBaCuO超导材料 根据上面的介绍可知,在50K到200K的温度范围内,性能最好的半导体制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金，其中Sb的含量在8%～15%。在100K零磁场的情况下，Bi－Sb合金的最高优值系数可达到6.0×10-3K-1，而基于Bi、Te的p型固溶体材料在100K时的优值系数却低于2.0×10-3K-1并且随着温度的下降迅速减小。因此，必须寻找一种新的p型低温热电材料，以和n型Bi－Sb合金组成半导体制冷电对。利用高Tc氧化物超导体代替p型材料，作为被动式p型电臂（称为HTSC臂，即High Tc Supercon－ducting Legs）,理论上可以提高电队的优值系数，经过实验证明也确实可行。半导体制冷电对在器件两臂满足最佳截面比时的最佳优值系数为： zmax= （1）式中的下标p和n分别对应p型材料和n型材料。由于HTSC超导材料的温差电动势率α几乎为零，但其电导率无限大，因此热导率κ和电导率δ的比值κ/δ却是无限小的，这样式（1）可以简化为： zmax(HTSC)=即由n型热电材料和HTSC臂所组成的制冷电对的优值系数，将等于n型材料的优值系数。 Mosolov A B等人分别利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超导薄膜和复合YBaCuO－Ag超导陶瓷片作为被动式HTSC臂材料，用Bi91Sb9合金作为n型材料，制成单级半导体制冷器。实验结果表明：利用YBaCuO超导薄膜制成的制冷器，热端温度维持在85K，零磁场时可达到9.5K的最大制冷温差，加上0.07T横向磁场时能达到14.4K利用YBaCuO－Ag超导陶瓷片制成的单击制冷器，热端温度维持在77K时，相应的最大制冷温差分别是11.4K和15.7K。从半导体制冷器最大制冷温差计算公式，可以反算出80Kzuoyou这种制冷电对的优值系数约为6.0×10-3K-1，可见这种电对组合是有着很好的应用潜力的。随着高Tc超导体材料的发展，这种制冷点队的热端温度将会逐渐提高，优值系数也将逐渐增大，比将获得跟广泛的应用。

参考网站:

http://www.yesky.com/Fashion/73762936572608512/20010403/168200.shtml

一, 电冰箱致冷的原理和种类

共有下列9种致冷的原理

(1) 压缩式电冰箱:

由电动机提供机械能,通过压缩机对致冷系统作功.

致冷系统利用低沸点的致冷剂(或称冷媒),蒸发时,吸收汽化热的原理制成的.

优点:寿命长,使用方便,

目前世界上 91～95% 的电冰箱属於这一类.

电冰箱致冷的原理和种类

(2) 吸收式电冰箱:

该种电冰箱利用热源,如煤气,煤油,电等作为动力.

利用氨-水-氢混合溶液在连续吸收-扩散过程中达到致冷的目的.

其缺点是效率低,降温慢.

现已逐渐被淘汰.

(3) 半导体电冰箱:

利用PN型半导体通以直流电,在结点上产生珀尔帖效应(Peltier effect)的原理来实现致冷的电冰箱.

现许多电子电路和微型仪器常采用此方法散热.

(4) 化学冰箱:

利用某些化学物质溶解于水时,强烈吸热而获得制冷效果的冰箱.

(5) 电磁振动式冰箱:

用电磁振动机作本动力来驱动压缩机的冰箱.其原 理,结构与压缩式电冰箱基本相同.

(6) 太阳能电冰箱:

利用太阳能作为制冷

能源的电冰箱.

(7) 绝热去磁制冷电冰箱

(8) 辐射致冷电冰箱

(9) 固体致冷电冰箱

二,压缩式冰箱的组成

压缩机

冷凝器-热交换管

乾燥筛检程式

毛细管-气体膨胀阀

蒸发器.

制冷系统由五各基本单元所组成

二, 压缩式冰箱的组成:

压缩机的功用:

用以补充能量,把蒸发器中低温低压的冷媒(Freon,氟利昂)经蒸汽压缩机被压缩成为高温高压的过热蒸汽,而后送入冷凝器中.

冷凝器的功用:

是把高温高压的蒸汽冷凝成为高压常温的液体,并放出大量的热量.

乾燥筛检器的功用:

吸收氟利昂中的水分,防止冰堵,并过滤制冷系统中的杂质,防止脏堵.

二, 压缩式冰箱的组成:

毛细管的功用:有两个功能,

其一是节流,控制制冷系统的氟利昂回圈量

其二是降压,保证冷凝器中的压力满足冷凝压力,而蒸发器中的压力满足蒸发压力.

蒸发器:

是制冷系统制取冷量的地方,是液态氟利昂蒸发汽化为气体,吸收大量汽化热的场所.

Five basic parts of any refrigerator

(or air-conditioning system)

所有致冷机必需具备的五大基本单元

Compressor (压缩机)

Heat-exchanging pipes (热交换管) or Condensor (冷凝器) - serpentine or coiled set of pipes outside the unit

Expansion valve (膨胀阀)

Heat-exchanging pipes or evaporator (蒸发器)- serpentine or coiled set of pipes inside the unit

Refrigerant (冷媒) - liquid that evaporates inside the refrigerator to create the cold temperatures

Refrigerant (冷媒)

Many industrial installations use pure ammonia as the refrigerant.

许多致冷机常使用纯氨(阿莫尼亚)做为冷媒

Pure ammonia evaporates at -32oC

纯氨冷媒的蒸发温度在一大气压下为-32oC

Basic Mechanism of

a Refrigerator Works

致冷机运作的基本机制

A.冰箱内部

热交换管

冰箱内的热交换管:

1.管中为低压低温冷媒

2.管中的低温冷媒和冰箱内部的热空气交换热量,以降低冰箱内空气的温度.

3.为等压热交换过程

冷媒流动的方向

B.压缩机:

1.准等温压缩过程

2.将回流回来的低压冷媒加压成高压冷媒,甚或液化成液态冷媒.

C.毛细管式的膨胀阀:

1.在此进行绝热膨胀的热力变化物理过程

2.将高压冷媒或液化冷媒经此阀,突然膨胀为低温低压冷媒,甚或使之气化为气态低温冷媒.

Basic mechanism of a refrigerator works

The compressor compresses the refrigerant gas.

This raises the refrigerant's pressure and temperature (orange), so the heat-exchanging coils outside the refrigerator allow the refrigerant to dissipate the heat of pressurization.

As it cools, the refrigerant condenses into liquid form (purple) and flows through the expansion valve.

When it flows through the expansion valve, the liquid refrigerant is allowed to move from a high-pressure zone to a low-pressure zone, so it expands and evaporates (light blue). In evaporating, it absorbs heat, making it cold.

The coils inside the refrigerator allow the refrigerant to absorb heat, making the inside of the refrigerator cold. The cycle then repeats.

使用寿命

由於电冰箱是高档耐用品,故使用寿命是一项重要指标.

所以在设计时,从结构,选材,制造工艺等项,都对寿命做了周密的考虑.

根据发展形势,经济条件和生活水平出发,目前电冰箱的设计,应不低於15年.

国外电冰箱,由於新款式,新品种不断更新换代,在设计上,往往采用较短的使用期限.

市售电冰箱的小常识

1. 单门电冰箱,双门单温电冰箱和双门双温电冰箱的差异

单门电冰箱:只有一扇门的电冰箱,有一个蒸发器,其内可存放少量冷冻食品,是最早流行的一种冰箱,目前市场上已逐渐消失.

双门单温电冰箱:具有二扇门,但只有一个蒸发器的冰箱.内部结构与单门电冰箱相同,故也有人称之为"假双门".

双门双温电冰箱:有两扇门,两个蒸发器的电冰箱,其中一个蒸发器安装在冷冻室内,具有四星级冷冻能力,另一个蒸发器安装在冷藏室内.目前流行此种电冰箱.

D.电冰箱上星级符号的意义

表示电冰箱冷冻部分储藏温度的级别

标记电冰箱冷冻室内温度的一种国际统一的标准.

每个星表示电冰箱冷冻室内储藏温度应能降-6℃的温差,且冷冻食物的储藏时间需达一周.

例:三星级电冰箱,表示电冰箱冷冻室内储藏温度应达到-18℃以下,并具有对一定量食品的速冻能力.

简单地讲,冷冻能力表示原在25℃的一定量瘦牛肉,经过24小时可冷冻至-18℃以下的特徵.

E.直冷式和间冷式电冰箱

电冰箱的冷却方法分"直冷式"与"间冷式" 两种.

直冷式电冰箱:

利用冰箱内空气自然对流的方式冷却食品的.

因为蒸发器常常安装在冰箱上部,

蒸发器周围的空气会与蒸发器产生热交换,空气把热量传递给蒸发器,蒸发器把冷量传递给空气.

空气吸收冷量后,温度下降,密度增大,向下运动.

冰箱内下部的空气要与被冷却食品产生热交换,食品把热量传递给空气空气得到热量后,温度回升,密度减少,又上升到蒸发器周围,把热量传递给蒸发器.

冷热空气循环往复地自然对流,从而达到制冷目的.

间冷式电冰箱

间冷式电冰箱:

蒸发器常采用翅片管式,

放置在冷冻室与冷藏室之间的夹层中或箱内后上部.

利用一只小型风扇强迫箱内空气对流,以达到冷却的目的.

绝大多数的电冰箱是直冷式电冰箱,间冷式电冰箱的产量比较少.

无霜/有霜电冰箱

为什麼无霜强冷式电冰箱比有霜直冷式耗电量大

有霜型是人工除霜,不需电热.

无霜型装有150W的电热器用以除霜,每天加热2～3次,每次 20～3O 分钟.

在两个容积相同的电冰箱中,无霜强冷式比有霜直冷式耗电量大,故无霜型耗电量大.

强冷式和直冷式冰箱的耗电量比较

强冷式装有风扇,强迫冷空气对流,使箱内降温.

直冷式则靠箱内冷空气自然对流.

经测试,同容积强冷式比直冷式耗电量多10%.

无氟"双绿色"冰箱

指冰箱的制冷剂和箱体保温发泡材料不使用会破坏环境的氟氯烃物质(氟利昂, Freon)

改用替代物,不再污染环境.

按国际惯例,这种电冰箱可以称之为"双绿色",即减少氟利昂含量100%,

是一种完全符合国际环保要求的新型电冰箱.

为什麼还要推广无氟电冰箱

有氟电冰箱的使用效果不错,为什麼还要推广无氟电冰箱

科学家近年发现,制冷工业广泛使用以及会泄漏的氟利昂,造成大气臭氧层空洞性损害,导致超量紫外线会危害人类健康,如视力减弱,白内障,皮肤癌等患者增多,生态平衡受到破坏等等.

为此,1987年联合国组织各国签订的《蒙特利尔协议书》宣布氟利昂为受控物质,原本规定最迟2000年停止使用.随著日后氟利昂危害的日趋严重,国际社会决定将停用氟利昂的时间提前至1996年.

带著"冰凉"上路-车载冰箱

当驾车出游,一台好用的车载冰箱无疑是件不错的工具.介绍三类典型的车载冰箱:

冷触媒型

冷藏型

压缩机型

车载冰箱的原理和制造的技术品质不同,故价格的差异也非常大,从几百元到上万千元不等.根据不同的需要,选择最适合的车载冰箱,才是最终选择的依据.

冷触媒型

"冷触媒型"车载冰箱体类似保温旅行包

内置隔温材料,冰箱由冷触媒实现制冷.

在使用前,需要把冷触媒材料先放入家用冰箱冷冻10小时以上,然后才把冷触媒移置车载冰箱内.

依靠冷触媒吸收热量,实现制冷功能.

优点:冰箱重量较轻,便於携带,无需接电,价格便宜

缺点:准备工作复杂,制冷时效有限

冷藏型

_"冷藏型"车载冰箱使用塑胶外壳金属内胆,有隔热层,类似保温杯.

可以接12V车载电源,最低制冷温度为O℃.

优点:冷藏效果好.价格适中

缺点:制冷能力有限

__

压缩机型

此种车载冰箱同样使用塑胶外壳内胆,但装备微型冰箱压缩机,因而是真正意义上的冰箱.

可以接12V车载电源,实现冷藏和冷冻.

① 优点:具真正冷藏,冷冻功能,使用方便

② 缺点:重量沉,不易携带,价格偏高

车载冰箱的原理和制造的技术品质不同,故价格的差异也非常大.

从低端的几百元,到高端的几千元不等.根据不同的需要,选择最适合的车载冰箱,才是最终选择的依据.

---