半导体制冷系统工况的综合研究

谢彬彬，张　雷（松下冷链(大连)有限公司,大连　116600）

半导体制冷系统工况的综合研究

谢彬彬，张雷
（松下冷链(大连)有限公司,大连116600）

摘要：本文针对半导体制冷的发展状况，对其制冷系统工作时的多种工况进行综合对比分析和研究。阐述半导体制冷系统在各种工况下工作时，相关参数的变化情况，为今后半导体制冷的发展提供参考。

关键词：半导体；制冷系统；分析研究

1　基本制冷原理

半导体制冷系统即热电制冷器的工作原理如图1所示，半导体通过金属片连接形成一回路，当电流由N→P流动时，回路中的电场使得N型半导体中的自由电子和P型半导体中的空穴相向流动，它们产生了来自晶格热能的能量，载流子在金属导体片上吸热，呈现为冷端；反之，若电流由P→N时，则金属导体片放热，呈现为热端[1]。这样，就完成了半导体制冷系统的制冷与制热过程。

2　多种半导体制冷工况的综合研究

半导体制冷存在三种极限工况，即制冷系数最大工况、制冷量最大工况及温差最大工况[2]。但在不同产品的实际工作中，不可能达到极限工况下的理想制冷效果。因此基于现有理论，存在使制冷系统既消耗较少功耗，又产生较大的制冷量的工况，即最优工况。现分别阐述各工况的变化关系，以便于直观清晰地了解和掌握制冷系统的工作过程，在对比分析中总结规律，为日后进一步研究积累数据。

2.1半导体制冷的基本工况

图1画出了N型和P型半导体构成的电偶对。在这电偶对上通上电流后，交界面在一秒时间内放出或吸收的热量（珀耳贴热QP）与电流强度I成正比，即

αp、αn分别为N型和P型电偶臂的温差电动势率，T为相应接头上的绝对温度。因此，由n型和p型半导体组成的热电偶，其总温差电动势率α为α=αp-αn。

半导体冷端产冷量Q0应为珀尔贴热量与传回冷端的焦耳热和导热量之差。即

电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电动势做功，故消耗的功率为

2.2 半导体制冷的三种极限工况

据热力学制冷原理及半导体制冷基本理论，给出的制冷量、功耗、制冷系数、热端发热量Q、W、ε等，都是电流I与温差ΔT的函数，其热电偶冷端的吸热、放热与电流的关系如图2所示。利用半导体制冷的冷端对环境介质进行冷却的工况称为基本工况。在热电偶中，吸收的珀耳贴热与电流成正比（图2中Qp直线），焦耳热与电流的二次方成正比（图2中Qj/2曲线）。当热电偶冷热端的温差为零时，产冷量相应为这两个效应合成的曲线Q0。从图中可以看出产冷量随着电流的增大而增大到最大值，此点叫做最大产冷量工况。在最大产冷量工况下，当热端温差ΔT从ΔTmax变化到零时，制冷系数从0增加到0.5。当ΔT=常数时，函数曲线有一个最大值，此时为最佳效率工况，在确定的冷热端温差时，取Q0=0，此时得到的工况为最大温差工况。

2.3半导体制冷的最优工况

由于半导体制冷的最大制冷系数和最大制冷量工况工况均属于极限工况。在实际运行中，由于各种因素的影响不可能达到极限工况下计算出的制冷量，因此在现有理论基础上我们进一步推导最优电流值。

基于半导体制冷的基本工况，现做如下推导：

3　结论

半导体制冷工况对半导体制冷系统的制冷性能影响显著，实际应用中应充分考虑并合理利用这种相对变化关系，并针对不同产品选择不同的运行工况。本文首先阐述了半导体制冷系统的研究意义及原理，然后对半导体制冷系统的多种实际运行工况进行了综合分析研究，通过理论推导及计算，得出不同工况下，其制冷相关性能参数变化情况，为日后半导体制冷工况的发展奠定了一定地理论基础。

参考文献：

[1]蔡德坡.半导体制冷热端的分析与实验研究[D].江西:南昌大学,2010.

[2]周敬雯.利用帕尔贴效应制冷供暖的局部空调设计及性能研究[D].上海:上海交通大学,2013.