基于半导体制冷的小型制冷系统研究

半 导体材 料 串联 成 的热 电偶 时 ， 热 电偶 的两端 即 在 可 分 别 吸 收热 量 和 发 出热 量 ，可 以实 现 制 冷 的 目 的 。它 是 一种产 生 负热 阻 的制冷 技术 ，其特 点是 无
导体元 件 的冷 端温 度处 于偏 高状态 ， 进而 继续 影 响
冷端的冷量传递， 造成小型制冷装置的制冷效率低 下。 现对原有 的半导体冷端进行技术改造 ， 通过设
制冷与空调
递 到小型 制冷 装置 内部 ， 从而 提高 小型 制冷装 置 Βιβλιοθήκη Baidu
改 进后 的 小型 制 冷装 置 的半 导 体 制冷 装 置 图
如 图 ２和 图 ３所示 。
工作 效率 。
原有 小型 制冷 装置 的半 导体制 冷装 置 图如 图 １
所示 。
通直 流 电后 ，半导体 元件 的冷 端产 生 的冷 量 ， 经 过 设计 的冷 量传 递 装 置 传递 给 制 冷 装 置 内部 的 空 间达到制 冷 的 目的 。 导体元 件 的放热端 与散 热 半 肋 片相连 ，通 过冷 却风扇 强制 散热 。
计 的冷量 传递 装置 ， 将半 导体 冷端 的冷量 高效 的传
运动部件 ，可靠性也 比较高。
要 发 挥 半 导 体 制冷 元 件 的最 大 效 率 必 须 减 小
作者简介 ：郑大 宇 （ ９ ５ ） １６ 一 ，男，博士，教授，研究方向为商业机 械及 设各 。 收 稿 日期 ：２ １．２ １ ０ ０１．１
第 ２ 卷 第 ５期 ５ ２１ ０ １年 １ ０月
制 冷 与 空调
Ｒｅ ｉ ｅ ａ ｉ ｎ ａ ｄＡｉ Ｃｏ ｄｔｏ ｉ ｇ ｒ ｆ ｇ ｒ ｔ ｎ ｒ ｎ ｉ ｎ ｎ ｏ ｉ
、０ ．５Ｎ ｏ． ，１２ ５
０ｃ ． ０ １４ ５ ４ ８ ｔ ２ １ ．２ ～ ２
文章 编号 ： １７ ．６ ２ （ ０ １ ５４ ５０ ６ １６ １ ２ １ ）０ ．２ ．４
基于半导体 制冷 的小型 制冷系统研 究
郑 大宇 颜 涛 刘卫 党 陈 鑫
（ 尔滨商业 大学能源与建 筑工程 学院 哈 尔滨 １ ０ ２ ） 哈 ０ ８ ５
【 摘 要】 目前采用半导体制冷 的小型制冷装置 ，都有效 率不高的缺点 ，而对于半导体制冷 的研究 ，大 多都 是对于半导体元件 的热端 的散热系统进行优化设计 。在对 半导体制冷技术原理分析 的基础上 ，针
增 强对 流 换 热 效果 。铝 合 金板 既增 大 对流 换 热 面 积 ，又起 到风道 壁 的作用 。
图 １ 小型制冷装置的半导体制冷装置图
Ｆｉ １ Ｔｈｅ ｓ ｍ ｉ ｏ ｕｃ ｏｒｒ ｆ ｉ ｒ ｔｏ ｏｆｓ ａ ｌ ｇ． ｅ ｃ ｎｄ ｔ ｅ ｒｇｅ ａ ｉ ｎ ｍ ｌ ｒ ｆ ｉ ｅｒ ｔｏｎ ｅ ｅ ｒｇ ａ ｉ ｑｕｉ ｅ ｐｍ ｎｔ
Ｔ 为半 导体 元件 产 生 的最 大温 差 ， 由于 ｍ一 半导体 元件 的冷 （ ）端 与冷 （ ）端肋 片结 合 ， 热 热
就 会 在 冷 （ ）端 的 结 合 面 产 生 传 递 温 差 ， 即 热
一
和 ～ ｍ，同时冷 （ ）肋片本 身 的传递 Ｔ 热 ｒ２ Ｔ２ 。上述温 差 在半 导 ｃ与 Ｈ一
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｎｒｙａ ｄＣｖｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｈ ｒｉ ｉｅｓｙｏ Ｃ ｍ ｒｅＨａｂｎ １ ０２ Ｓ ｈ ｏ Ｅ ｅｇ ｎ ｉｉＥ ｇｎ ｅｉ ， ａｂｎＵｎ ｒｉ ｆ ｏ ｍｅｃ， ｒｉ， ５ ０ ８） ｏ ｎ ｖ ｔ
［ ｓ ａ ｔ Ｍｏｔ ｆ ｍａｌ ｃｌ ｒｆｇ ｒｔ ｎｅｕｐ ｎｓ ｉｈｂ ｓｄｏ ｅｍｏ ｌ ｔｃｃｏｉ ｏ ｕｅ ｒ ｗ ｅ ｃ ｎｙａ Ａｂｔ ｃ］ ｒ ｓ ｏ ｌｓａ ｒ ｅａｉ ｑ ｉｍｅｔ ｗｈｃ ａｅ ｎｔ ｒ ｅ ｃｒ ｏ ｌ ｇｍ ｄ ｌ ａｅｌ ｆ ｉ ｃ ｔ ｓ － ｅｅｉ ｏ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｅ
（） １
（） ２
广０： ｄ Ｖ 一 ｒ ｏ ｐｃ
得 ：０ 一
ｏ
△Ｔ ＝
—
Ｏ ｔ１一 ： ｅｘｐｆ Ｖ １ ： 一 ｃ ｃ ｐｃ
（ ８ ）
式 中 ： 为产冷 量 ；讷 半 导体材 料 的温 差 电动 Ｑ
经 过 计算 模 拟 得 出改 造 前 后 过 余温 度 ６ ｈ随
２ 冷 量传递装置 的对流换热计算以及对制 冷装置效率的影响分析
２１ 对 半导 体制冷 元件 温度 分析 ．
冷
图 ２ 经过改进后的小型制冷装置的半导体制冷装置的主视图
Ｆｉ ． Ｔｈ ａ ｎ ｖ ｅ ｏ ｐ ｏ ｅ ｅ ｉｏ ｄ ｃ ｏ ｇ２ ｅｍ ｉ ｉｗ ｆ ｈｅｉ ｒ ｖ ｄ ｓ ｍ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｔ ｍ
时 间 变 化 曲线如 图 ５ 示 。 所
功 能 的饮 水机 等等 ，以其 体积 小 、方便 、操 作简 单
而受到人们的青睐。 然而 ， 这些小型制冷装置的发 展很 大程 度 上 由于其 制冷 效率 低 下而 受到 影 响 。
此 类 小 型 制冷 装 置 一 般 都 采 用 半 导 体 制 冷 元 件进 行制 冷 。半导 体制冷 又 称热 电制 冷 ，是 利用 半
存 在传 递温 差
第２ ５卷第 ５期
郑大 宇，等 ：基 于半导体制冷的小型制冷系统研 究
体元 件 和冷 （ ）端肋 片 的材 料与 结构 确 定后基 本 热 上 为定 值 ，此 时半 导体制 冷 片 的产冷 量 为：
Ｑ： ｌ￣ ，Ｒ— Ｔ ａ Ｔ 一 ＫＡ ．
一 ２
将上 式对 枞 ０到 分 ，有 ：
卣
西 田 酮
ｃ ｏｉｇｄ ｖｃ ｓ ｏ ｌ ｅ ｉｅ ｎ
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图 ３ 经过改进后的小型制冷装置的半导体制冷装置 的左视图
Ｆｉ ． Ｔｈ ｆ ｉｗ ｆｔ ｅｉ ｒ ｖ ｄ ｓ ｍ ｉｏ ｄ ｃ ｏ ｇ３ ｅ ｌｔ ｖ ｅ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｅ ｈ ｒｆｉｅ ａｉｎｏ ａｌ ｅｒｇ ｒ ｔ ｎ ｅ ｕｐ ｅ ｔ ｅ ｒ ｇ ｒ ｔ ｆｓ ｌ ｒ ｆ ｉ ｅ ａ ｉ ｑ ｉＩ ｎ ｏ ｍ ｏ ｍ
ｐ ｅ ｅ ｔ Ｂｕ ｓ ａ ｃ ｈ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃｃ ｏ ｉ ｇｍ ｏ ｕ ｅｉ ｓｌ ｏ ｅ ｈ ｔ ｎ ｆ ｈ ｏ ｌ ｇ ｓ ｓｅ ｔ ｐ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓｇ ． ｎ ｒ ｓ ｎ ． ｔ ｅ ｅ ｈ ｔ ｔ ｅｔ ｒ ｅ ｅ ｔｉ ｏ ｌ ｄ ｌ ｓ ｒ ｒ ｏ ｈｍ ｎ ｍｏ ｔ ｆ ｒ ｏ ｄ ｏ ｔ ｅｃ ｏ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｔｍｉｅｔ ｅ ｉ ｎ Ｉ ｙ ｈ ｔ ｅ ｎ ｏ ｈ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｒＳ ｌ ｓ ａｅ ｒ ｆｉ ｅ ａ ｉ ｎ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｒ ｅｅ ｔｉ ｏ ｌ ｇ ｍｏ ｕ ｅ ｂ ｓ ｎ ｔ ｅｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｅｔ ｅ ｍｏ ｌｃ ｒ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｆ ｍａ ｌ ｃ ｌ ｅ ｇ ｒ ｔ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｌｃ ｒ ｃ ｏ ｉ ｄ ｌ， ａ ｅ ｏ ｒ ｉ ｌ ｆｔ ｈ ｒ ｅｅ ｔｉ ｏ — ｒ ｏ ｃ ｎ ｈ ｎ ｈ ｃ
部
一
冷量传 递 装置 的构成 ：肋 片铝 板 ，轴流风 扇 ，
搁架 ，铝合 金板 。
，
工作过 程 ：通 直流 电后 ，半 导体 制冷 元件冷 端
件
与肋 片铝 板 相 连 ，冷 端 产 生 的冷 量传 导 至肋 片 铝
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板 ，轴流 风扇 使制冷 装 置 内部 的空 气 强制对 流 ，空 气流 体沿着 图 ２中设计 的风道 ， 以箭 头方 向循环 对 流 ，这样就 保证 了对 流 空气流 体与肋 片 充分接 触 ，
ｃ ｏ ｉ ｇ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ， ｏ ｉ ｃ ｅ ｓ ｈ ｏ ｄ ｓｄ ｅ ｔ ｔ ｎ ｆ ｒ ａ ｅ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｌ — ｉｅ ｈ ａ ｒ ｓｅ ｏ ｆ ｃ ｅ ｔｔ ｏ ｖ ｅ ｏ ｌ ｅ ｈ ｏ ｏ ｎ ｙ ｔ ｎ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｃ ｌ ｉｅ ｈ ａ ｒ ｓｅ ａ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｄ ｓｄ ｅ ｔａ ｆ ｒｃ ｅ ｉｎ ｏ ｓ ｌ ｅ ｔ ａ ｒ ｔ ｎ ｉ ｈ ｐ ｏ ｌｍ ｆｃ ｌ ａ ｓ ｅ ｎ ｒ ｖ ｆ ｃ ｅ ｃ ｆ ｍａｌｓ ａ ｅｒ ｆｉ ｅ ａ ｉ ｎｅ ｕ ｐ ｎ ． ｒ ｂ ｅ ｏ ｄｔ ｎ ｆ ｒ ｄ ｉ ｏ ｅｔ ｅ ｏ ｒ ａ ｍｐ ｅ ｈ ｉ ｉｎ ｙ ｏ ｌ ｃ ｌ ｅ ｒｇ ｒ ｔ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｓ － ｏ
导体 材料 的 Ｐ ｌｅ ｅｔ ｒ效 应 。 当直 流 电通 过两 种不 同 ｉ
的尤 为 重 要 ，它 可 以很 明显 的提 高装 置 的制 冷 效
率。
１ 研 究 内容及技术方案
针 对 现有采 用 半导 体制 冷 的小型制 冷装 置 ， 由
于半 导体 冷端 的冷 量不 能得 到有 效 的传 递 ， 导致半
对基 于半导体制冷 的小型制冷装 置，采用增大冷端 的对流换热 面积和提高冷端的对流换热系数 的 方法来解 决冷量传递问题，提高小型制冷装置 的工作效率 。
【 键 词 】 半 导体 制冷 ；小型制冷装置 ；冷量传递 关 Ｂ９ 中图分类号 Ｔ ６ 文献标识码 Ｂ
Ｓ ａ ｌｓ ａ ｅＲｅ ｒ ｇ ｒ ｔｏ ｙｓｅ Ｂａ ｅ ｎ ｍ ｌ－ ｃ ｌ ｆ ｉ ｅ ａ ｉ ｎ Ｓ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｔｈｅ ｍ ｏ ｌｃ ｒ ｃＣｏ ｌｎｇ Ｍ ｏ ｌ ｒ ｅｅ ｔ ｉ ｏ ｉ ｄｕ ｅ Ｚｈ ｎ ｅ ｇＤａ ｕ Ｙａ ｙ ｎＴａ Ｌｉ ｏ ｕＷ ｅｄ ｎ Ｃｈ ｎＸｉ ｉａ ｇ ｅ ｎ
给 半 导体元 件通 上直 流 电后 ， 导体 元件 的放 半 热 端 与散热 肋片 相连 ， 通过 冷却 风扇加 强 散热肋 片 表 面 的空气 流动 ，加强 散热 。半导体 元件 的冷端 与 铝 片相 连 ，冷 量经 过铝 片后 ，以 自然对 流 的方 式传 递 给制 冷装 置 内部 的空气 来达 到制 冷 的 目的。
ｒ ｆ ｉ ｅｒ ｔｏｎ ｏｆｓ ａ ｌｒ ｆ ｉ ｅ ａｔｏｎ ｅ ｅ ｒｇ ａ ｉ ｍ ｌ ｅ ｒｇ ｒ ｉ ｑｕｉ ｅ ｐｍ ｎｔ
热端温度 制冷空间温度 环境温度 冷端温度
ｆｌ Ｉ ｌ ； —１
图 ４ 半导体制冷元件温度分布
Ｆｉ ． Ｔｈｅｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｏ ｅｓ ｍ ｉｏ ｄ ｃ ｏ ｇ４ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｄ ｓｒ ｂ ｔｏ ｆｔ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｈ
［ ｙ ｏｄ］ Ｋｅ ｗ ｒ ｓ
Ｔ ｅｍｏｌｃ ｉ Ｃ ｏｉｇ Ｓ ｌｓａｅ ｅｒ ｅａｉｎＳ ｓ ｍ； ｏｄＴａｓｅ ｈｒ ｅｅｔ ｃ ｏ ｌ ； ｍａｌ ｃｌＲ ｆ ｇｒｔ ｙｔ Ｃ ｌ ｒｎｆｒ ｒ ｎ － ｉ ｏ ｅ
０ 引 言
随着 经济 的发 展 、物质 文 化 生活水 平 的提 高 ， 人们 对方 便 、快 捷 的要求 越 来越 高 。采用 半 导体 制
冷 的小型 制冷 装 置 ， 比如 ＵＳ 制冷 杯 、带 有制冷 Ｂ
冷 热端 温差 。热端 可选 用 的散热 方式包 括风 冷 、水 冷 及热 管 散热等 等 ， 时冷 端 也需要 考虑 加强 冷量 同 的快速 传递 。以往 的研 究都 集 中在热端 的散热 ，而
很 少论 及加 强冷 端 的冷量 传递 。 而在 基于 半导 体制 冷 的小型 制冷装 置 当 中， 强冷 端 的冷量 传递 表现 加