[发明专利]一种温差电制冷器梯级供冷蓄冷装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种温差电制冷器梯级供冷蓄冷装置，具体属低温制冷技术领域。

背景技术

现代制冷技术作为一门科学，是十九世纪中期和后期发展起来的，在此之前，追溯到人类的祖先，人们很早就懂得冷的利用和简单的人工制冷了：用地窖作冷贮室，用泉水冷却贮藏室已有5000年之久的历史。

二十世纪后，制冷技术有了更大的发展：1910年家用冰箱问世，1917年在美国开始作为商品投放市场。1930年，氟利昂制冷工质的出现和氟利昂制冷机的使用给制冷技术带来新的变革。二十世纪七十年代，人们对混合工质进行了大量的研究，并开始使用共沸混合工质，为蒸汽压缩式制冷机的发展开辟了新的道路。制冷技术发展到今天，已经从保存食品和调节一定空间的温度，扩展、渗透到国民经济的各个部门，并与人们的日常生活有了更加紧密的联系。温差电致冷装置又称半导体致冷器，它没有复杂的运转机械结构，利用特种半导体材料组成P—N结，通上直流电就能制冷，且制冷迅速，改变电源供电方向，可以从制冷转为制热。它的这些特点为高新技术提供了应用领域，作为制冷技术的一个重要分支，世界各国对此非常重视并组织了较大规模的工艺生产、研究，特别是美国、俄罗斯、德国、法国、日本等国发展较快。

1821年,德国科学家塞贝克(Seebeck)第一个发现了温差电现象,即在由两种不同的导体组成的开路中,如果导体的两个结点存在温度差,开路中将产生电动势E₀,这就是塞贝克效应。由塞贝克效应所产生的电动势称温差电动势。之所以称为温差电，是因为后来人们认识到指南针的偏转是由于温差使回路产生电流而引起的。

约12年后，法国的帕尔帖（Peltier）发现电流流过两种不同导体的界面时，将从外界得到或放出热量，这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称帕尔帖热。但他没有意识到他的发现的本质以及与塞贝克效应之间的关系。直到1838年，帕尔帖现象的本质才由楞次给予了正确的解释。

1855年，汤姆逊发现并建立了塞贝克效应与帕尔帖效应的关系，并预言了第三种温差电现象，即汤姆逊效应的存在；后来他又从实验上证明了这种效应。汤姆逊关系的发现对后来的温差电学和热力学发展起了极大的推动作用。

1949年原苏联的约飞提出了关于半导体温差电的理论，同时在实际应用方面做了许多工作，1953年研制出温差电家用冰箱样机，并与1956年出版了《半导体热电元件与热电制冷》一书，可以认为是温差电转换效应实用化电器产品的开端，此后的发展十分迅速。但与其它半导体器件的发展相比，却是缓慢的。影响温差电转换功率应用的最大制约因数是它们的转换效率太低，难以与传统的功率转换器相比，研究一度进入低潮。然而，1959年齐纳博士预言温差电材料能够实现类似于氟利昂压缩式制冷或涡轮发电机那样的性能，这无疑给温差电器件的产业化注入了强心剂、兴奋剂。60年代初期，一下子就出现了上百家专业工厂，也大大激发了科学家们为寻求更高优值材料而在基础理论和新材料探索方面的热情。人们对以碲化铋(Bi2Te3)为基础的膺二元、膺三元合金系进行了深入的研究。尽管如此，数十年来材料性能的提高却十分缓慢。相比而言，器件的制备工艺则日趋完善，产品形成标准化、系列化，生产形成规模化。

但是作为一类固体换能器件，它的优点又是无可比拟的，随着应用领域的不断拓展和水平的提高，日趋成熟的各类温差电器件的优点得到更多的重视，在众多的领域中得到应用。这些特点包括无运动部件、无噪声、容易微型化、易于控制、可靠性高、寿命长等，可靠性高是其主要优点，通常设计中无需采用其他形式的传热工质，因此就避免了诸如振动、压力、密封系统等许多设备制造中常碰到的问题。在许多不是以能量转换效率为主要考虑因数的应用场合，温差电具有不可取代的优点。在保护环境呼声日高的今天，温差电转换器件又因其不污染环境、可利用废热和可再生能源的潜力而进一步得到重视。上世纪末，蓬勃发展的超导转变温度在液氮温度以上的高温超导材料及其应用堪称为最重大的科技成果，为适应这一未来应用前景十分广阔的对低温条件的需求，温差电制冷也把获得这样的低温作为一项重要内容。这一努力包括进一步选择可能的材料。

令人遗憾的是齐纳的预言至今未能实现。而且到目前为止，还难以确定能否实现，也就是说，单纯从能量转换效率的角度来看，温差电制冷还不能与传统的模式蒸汽压缩式制冷或吸收式制冷相比拟。