半导体制冷原理

半导体制冷原理

半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。

半导体制冷器特点

半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠， *** 作简便，易于进行冷量调节。但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，故它主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却。

有的也用于家用冰箱，但不经济。半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

半导体制冷又称温差电制冷、或热电制冷。是未来电冰箱制冷技术发展的一个方向。半导体制冷是利用特种半导体材料，制成制冷器件，通电后直接制冷，因此得名半导体制冷。

用两种不同金属组成一对热电偶，当在热电偶中通以直流电流时，将在电偶的不同结点处，产生吸热和放热现象，这种现象称为珀尔帖效应。

利用珀尔帖效应制成的半导体制冷器的电偶，是由一种特制的N型和P型半导体组成的。N型半导体是靠电子导电的，而P型半导体是靠所谓“空穴”来导电的。

不论N型半导体中的自由电子，还是P型半导体中的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”，由“载流子”导电的现象，是半导体所特有的。

半导体制冷原理是把一个P型半导体和一个N型半导体，用铜连接片焊接而成电偶对，如图2-7所示。当直流电流从N型半导体流向P型半导体时，则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象，此端称为冷端；而在1、4端的铜连接片上产生放热现象，此端称为热端。如果电流方向反过来，则冷、热端将互换。

图2-7 半导体制冷器电偶对的工作原理

当这个制冷器件中通入一定数量的直流电时，冷端会逐渐冷却下来，并出现结霜；而热端的温度逐渐升高，并向周围环境放热。载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过结点时，必然会引起能量的传递。当电流的极性如图2-7所示，电子从电源负极出发经金属片—结点4—P型半导体—结点3—金属片—结点2—N型半导体—结点1—金属片，回到电源正极。由于左半部是P型半导体，导电方式是空穴型的，空穴的流动方向与电子流动方向相反。所以空穴是从金属片—结点3—P型半导体—结点4—金属片，回到电源负极。

空穴在金属中具有的能量、低于在P型半导体中空穴所具有的能量：当空穴在电场作用下，由金属片通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量，但空穴本身是无法增加能量的，只有从金属片中吸收能量、并把这部分热能转变为空穴的势能，因此，在结点3处的金属片被冷却下来。当空穴沿P型半导体通向结点4流向金属片时，由于P型半导体中空穴能量大于金属中空穴的能量，因而要释放出多余的势能，并将其以热能的形式放出来，所以结点4处的金属被加热。

图2-7中右半部是N型半导体与金属的联结，是靠自由电子导电的，而电子在金属中的势能低于N型半导体中电子的势能。在电场作用下，电子从金属中通过结点2到达N型半导体时，必然要增加势能，这部分势能也只能从金属片的热能取得，因此使结点2处的金属片“冷却”下来。当电子从N型半导体经过结点1流向金属片时，因电子是由势能较高的地方流向势能较低的地方，故释放出多余的势能，并将其变成热能，使结点1处的金属片加热，这样上部的金属片被冷却下来，成为冷端；而下部的两个联接片均放出热量，成为热端。

当电源正负极性调换时，因电子空穴的流动方向将与上述相反，故冷热端将互换。

综上所述，半导体制冷的吸热和放热是由载流子（电子和空穴）流过结点时，由势能的变化而引起能量的传递，这就是半导体制冷的本质。

由于一个电偶对产生的热电效应较小（一般约为1.163W左右，视元件的尺寸大小而异），所以实际应用时是将数十个电偶对串联起来，将冷端放在一起，热端放在一起，称为热电堆，将热电堆和热交换器用焊接方式连接起来制成半导体制冷器，如图2-8所示。其特点是结合强度高、接触热阻小，适用于热流密度较大的情况。为了保持电绝缘，在热电堆和热交换器之间用金属化瓷片材料进行绝缘。

图2-8 半导体制冷器的热电堆

我国目前应用的制冷半导体材料，多数是以碲化铋为基体的三元固熔体合金，其中P型材料是Bi2Te3-Sb2Te3；N型材料是Bi2Te3-Bi2Se3。由于半导体材料性能的限制，目前半导体制冷的效率比一般压缩式要低，耗电量约大1倍。但在几十瓦小能量的情况下，由于半导体制冷器的效率与能量大小无关，故对微小型制冷装置，反而比压缩式经济。此外由于半导体制冷器必需使用直流电源，价格贵，使它的应用受到一定的限制。

夏天意味着炎热，在这种炎热的天气下，食物的保存十分不容易，于是人们就发明了冰箱。其实不仅仅是在夏天，现在许多家庭中的冰箱是一年四季都开着的。虽然人们知道用冰箱来保存食物，但是人们对冰箱的制冷原理可能不太了解。不同种类的冰箱，它们的制冷原理是不同的，下面就跟随小编的步伐，一起来了解一下不同的电冰箱制冷原理都是怎样的吧。

  不同的电冰箱制冷原理

吸收式冰箱

这种冰箱使用的动力不止是电，它还可以使用煤气、煤油灯热源 作为动力。它的制冷原理是通过化学反应完成制冷，具体过程就是利用氨-水-氢混合溶液的连续吸收以及扩散反应完成制冷。这种冰箱的制冷效率十分之低，需要一个很长的过程才能完成，这种冰箱目前已经逐渐被市场所淘汰。

　　压缩式电冰箱

这种冰箱是目前世界上最为普及的冰箱，它的制冷过程主要是通过压缩机完成。具体的过程就是通过电力为电动机提供机械能，电动机推动压缩机工作，压缩机驱动制冷系统，制冷系统中含有沸点比较低的制冷剂，这种制冷剂蒸发，吸收热冷，从而达到制冷的目的。这种冰箱的寿命十分之长，占据了冰箱市场的九成以上。

化学冰箱

这种冰箱是通过将化学物质溶于水中时瞬间发生的强烈吸热反应从而达到制冷效果，这种冰箱一般较为小型，因为所需要的化学物质不可能长时间大量使用。

　　半导体电冰箱

这种半导体电冰箱的制冷方式主要是通过PN型半导体完成。因为将PN型半导体接通直流电之后，PN型半导体会在结点上产生一种珀尔帖效应，从而达到制冷效果。

　　电磁振动式冰箱

这种冰箱的制冷原理与压缩式电冰箱的原理大同小异，它们同样是通过压缩机来完成制冷。不同的是，电磁振动式冰箱是通过电磁振动机来驱动压缩机。

　　太阳能电冰箱

太阳能冰箱是通过吸收太阳能，作为制冷能源，从而完成智能过程。

冰箱制冷原理详解

1.压缩机压缩制冷剂气体。这将升高制冷剂的压力和温度(橙色)，而冰箱外部的热交换线圈帮助制冷剂散发加压产生的热量。

2.当制冷剂流经安全阀时，液态制冷剂从高压区流向低压区，因此它会膨胀并蒸发(浅蓝色)

3.当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式(紫色)，并流经安全阀。

4.在蒸发过程中，它会吸收热量，发挥制冷效果。

5.冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。然后，重复该循环。

结霜的原因

1、居家过日子，冰箱少不了。冰箱内壁结霜，水汽从那里来?

据了解，大部分水汽来自空气中，人们存放食品打开冰箱时，室内空气和冰箱内气体自由交换，室内的湿空气悄悄地进入冰箱里。还有一部分水汽来自冰箱里存放的食品，如清洗干净的蔬菜、水果放在保鲜盒里，蔬菜等食品中的水分蒸发，遇冷后凝结成霜。特别在夏天，室内的气温高，湿度大，室温与冰箱内的温度差大。当打开冰箱时，一股凉气从里向外流，而室内空气往冰箱里钻。少许时间，冰箱面壁上就凝结成一层白霜。人们还发现，即使冰箱里不放任何东西，经常打开的冰箱里面也会结起厚厚一层霜，可见冰箱中的水汽有很大一部分来自空气中的水汽。

2、电冰箱除霜有高招

有些冰箱需要除霜，人工冰箱除霜既费时又费力，而且除霜效果十分不佳。这里向你推荐一个除霜高招。

按电冰箱冷藏室的尺寸，剪一块稍厚的塑料薄膜，贴于冷藏室结霜壁上，不必用任何胶，一贴即成。除霜时，将冷藏室的食物暂取出，再把塑料薄膜揭下抖动一下，冰霜即可全部脱落，然后重新贴一薄膜，放进食物，继续使用。

不同的电冰箱有着不同的制冷原理，我们日常生活中基本上使用的都是压缩式电冰箱，这种电冰箱之前使用的制冷剂都是氟，但是氟这种物质会对我们的环境产生危害，因此目前越来越多环保的制冷剂被开发应用到我们的冰箱之中。相信看完了这篇文章的，您肯定对冰箱的制冷原理有了一定的了解了，这些知识与我们的生活息息相关，我们都应该了解一些。

以上就是有关电冰箱制冷原理的相关内容，希望能对大家有所帮助！

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