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基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究

【摘要】随着科学技术的不断发展,冰箱行业也日趋壮大，冰箱制冷效率的
提高直接影响着人们生活。本文从半导体制冷空调器的特点、提高半导体制冷空
调效率的途径及试验分析等几个方面进行了分析。

【关键词】半导体制冷；效率；提高
一、前言

近年来，由于半导体的应用领域越来越广泛，基于半导体制冷的冰箱制冷效
率提高的研究问题引起了人们的重视。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但
依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强半导体
制冷在冰箱制冷的运用，对我国冰箱制冷工程有着重要意义。

二、半导体制冷空调器的特点

半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比,具有以下优点结构简单,没有机
械传动机构,故工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便,可靠性高；
不使用制冷剂,故无泄漏、无污染；直流供电,电流方向转换方便,可冷热两用；重
量、尺寸较小,便于安装；热惯性小,负荷可调性强,调节和控制方便；工作状态不
受重力场的影响；百瓦级的小功率空调器的成本与压缩制冷空调的成本相差不
大；而十瓦级的微型空调器的成本远低于压缩制冷,具有压缩制冷无法替代的优
势。半导体制冷空调具有如上所述众多的优点,但是半导体制冷空调器的制冷效
率较低,它的制冷效率只有机械制冷效率的30%。因此限制了半导体制冷空调在
民用领域的应用。

三、提高半导体制冷空调效率的途径

半导体制冷空调器最大的不足是制冷效率较低,这限制了半导体制冷空调器
的推广和应用。提高半导体制冷空调器的效率,要从影响制冷效率因素的分析入
手,找出有效的解决方法。热电制冷的关键问题是材料问题,但近20年该方面的

研究进展表明,半导体材料优值系数的提高非常困难,因此对半导体材料的探
索仍需要很长的时间。目前,在高优值系数的材料何时出现还是个未知数的情况
下,解决好热电堆热端散热问题,对系统制冷效率的提高起到至关重要的作用。半
导体制冷热端散热方式有很多种,包括空气自然对流、空气受迫对流、水冷散热、
环流散热、利用物质的熔化潜热散热等。半导体制冷空调器的散热方式要根据具
体的使用情况来选择,并且要对散热系统进行优化设计,以保证热端处于良好的散
热状态

四、试验论证

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。现对对其整体结构进行了初步设计、
半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。

2、散热系统的设计

（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据公式Tv=
（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=
（35+4×30）/5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃
~60℃，故我们选择氨作为热管工质。

（2）热管内径的确定：

根据公式：

计算得到携带极限所需管径为：dv=1.6mm式中，在31℃下氨的物性值为：
r=1134.87kJ/kg；QL=592.2kg/m3；Qv=9.6kg/m3；o=0.024N/m；Qent=30W

根据公式

计算得到声速极限对应的管径为：dv=0.13mm式中：Pv=12.4bar；Qc=30W
一般情况下，热管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制
热管传热的控制因素。

综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：

3、理论分析

（1）保温箱

Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：

考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未
放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。

（2）半导体制冷片：假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。

（3）散热器

近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。由于
有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。

（4）模拟计算

设冰箱内部的温度函数为T（t）。理论结果分析：由图像可知，两种散热方
式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率
分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片
=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了∆COP=1.55%。

图1

4、实验方案设计

在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。

实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。实验过程中共使用两个温
度传感器：第一个温度传感器的一端放在半