熱電制冷的原理

熱電制冷是利用珀爾帖效應的原理進行制冷的，其制冷效果主要取決于兩種電偶對材料的熱電勢。由于半導體材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來做成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無機械運動部件，可靠性高，并可以逆向運轉(zhuǎn)，在電子設(shè)備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應用。一、熱電制冷的基本原理當任何兩種不同的導體組成一電偶對，并通以直流電時，在電偶的相應接頭處就會發(fā)生吸熱和放熱現(xiàn)象。但這種效應在金屬中很弱，而在半導體中則比較顯著。熱電制冷的電偶是利用特制的N型和P型半導體用銅連接片焊接而成的。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，圖2是實際結(jié)構(gòu)圖。當直流電從N型流向P型時，則在2、3端的銅連接片上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象（稱冷端），而在1、4端的銅連接片上產(chǎn)生放熱現(xiàn)象（稱熱端）。如果電流方向反過來流，則冷、熱端互換。

圖1 熱電制冷原理圖

圖2 熱電制冷結(jié)構(gòu)圖熱電制冷的原理可用載流子（電子或空穴）流過節(jié)點時勢能的變化來解釋。由于載流子在金屬和半導體中的勢能大小是不同的，所以載流子在流過節(jié)點時，必然引起能量的傳遞；當載流子由較低的勢能變到較高的勢能時，必須吸收外界的能量；反之，必然要放出能量。這是研究熱電制冷的基本出發(fā)點。熱電制冷的吸熱和放熱是由載流子流過節(jié)點時，勢能的變化而引起的能量傳遞過程。上部的金屬片被冷卻下來，成為冷端，而下部兩個連接片均放熱，成為熱端。這就是熱電制冷的本質(zhì)。溫差電效應由同時發(fā)生的五種不同效應組成。其中塞貝克、珀爾帖和湯姆遜三種效應表明電和熱能的相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，而焦耳和傅里葉效應是熱的不可逆效應。（1）塞貝克效應當兩種不同導體連接在一起的一個節(jié)點加熱，而另一個節(jié)點的溫度保持不變，這時就可能產(chǎn)生電動勢。其電壓與節(jié)點間的溫差成正比，即

式中 α——某一對材料的塞貝克系數(shù)（μV／℃）；Δt——兩節(jié)點之間的溫差（℃）。（2）珀爾帖效應當直流電通過兩種不同的材料時，節(jié)點上將吸熱或放熱，節(jié)點上的熱量與電流成正比

式中 π——珀爾帖系數(shù)（V）；I——電流（A）。塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間的關(guān)系為式中 Tc——冷端溫度（℃）；

1α、α2——材料1和2的塞貝克系數(shù)（μV／℃）。因此，兩種不同材料節(jié)點上吸收或放出的熱量為

（3）湯姆遜效應當電流流過有溫度梯度的導體時，在導體和周圍環(huán)境之間將進行能量的交換，但由于其換熱在熱電制冷系統(tǒng)中影響較小，故可以忽略不計。（4）焦爾效應導體中通過電流時所產(chǎn)生的熱量等于導體電阻R和電流I平方的乘積，即

（5）傅里葉效應經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積 A 和該方向的溫差Δt成正比，即

式中 k——導熱系數(shù)（W／（m·℃））；δ——傳熱方向上材料的厚度（m）。在熱電制冷中，由于存在傅里葉效應和焦耳效應，使熱量從熱節(jié)點流向冷節(jié)點。二、熱電制冷器的結(jié)構(gòu)熱電制冷器是由熱電（對）堆、冷板和散熱器組成。冷板裝在電堆的冷端。為了加強熱交換，冷板可有不同形式，如肋片式、平板式等。散熱器裝在電堆的熱端，散熱形式可有強迫風冷、強迫水冷和自然冷卻等。圖3所示為熱電制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。無論采用哪種冷卻形式，都必須使冷板、制冷電偶堆和散熱器三者之間的連接滿足導熱和電絕緣的要求。

圖3制冷器整體組裝有三種方法：黏結(jié)法、機械固定法和焊接法。黏結(jié)法：一般用環(huán)氧樹脂黏結(jié)。黏結(jié)時加一定的壓力，使環(huán)氧樹脂黏結(jié)層很薄，可減少熱阻。固化后在60～70℃下烘烤。這種方法的缺點是黏結(jié)層不易做得很薄，因而增加了熱阻。同時，由于環(huán)氧樹脂與電偶堆熱膨脹系數(shù)不同，長期冷熱交替工作會使樹脂黏結(jié)層松脫，熱量散不出去，燒壞電偶堆。機械固定法：用螺釘將電偶堆、散熱器及冷板連在一起。此法在使用維修時較方便，如果在各活動接觸面上涂以導熱硅脂等，可以提高其導熱性能。為了避免從熱端經(jīng)螺釘向冷端傳熱，螺釘應套膠木套或用尼龍螺釘。焊接法：由于電偶堆與散熱器及冷板之間要電絕緣，需采用一種金屬化的陶瓷，而且這種陶瓷片的大小與銅連接片相同，并將其兩面燒結(jié)上金屬（如銀）層。金屬化陶瓷片一面與銅連接片焊接，再焊上半導體元件，另一方面與散熱器或冷板相焊接。此方法電絕緣性能好，但增加了金屬化陶瓷的工藝。熱電制冷電堆是制冷器件的主要組成部分。其元件的尺寸、電偶對數(shù)及電堆結(jié)構(gòu)形式（如疏密度）等，都必須經(jīng)過設(shè)計計算和實驗才能最后確定。通常一級制冷最大只能得到大約50℃的溫差，為了得到較大溫差和深度冷卻，可采用多級熱電制冷。這種多級制冷法在電路連接上有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。串聯(lián)型如圖4所示，顯然每一級工作電流相同，級與級之間必須有良好的電絕緣。并聯(lián)型多級制冷電偶堆如圖5所示，其工作特點是工作總電流較大，但級間不必電絕緣?；炻?lián)型如圖6所示。

圖4 串聯(lián)型

圖5并聯(lián)型

圖6混聯(lián)型圖7是一種采用薄膜技術(shù)的熱電制冷器件，其材料為B i2Te3，這種制冷器的優(yōu)點是：它的冷卻功率密度隨熱電薄膜厚度的減小而急劇增加。當薄膜厚度在20～50μm時，其冷卻的熱流密度可超過100 2W／cm。因此，利用這種薄膜器件很容易實現(xiàn)熱電制冷器的小型化和微小型化。

圖7三、熱電制冷在電子設(shè)備中的應用熱電制冷器是借助于電子（或空穴）在運動中直接傳送能量來實現(xiàn)制冷的，因此與機械制冷相比具有如下優(yōu)點：① 無機械轉(zhuǎn)動部分，因而無噪聲、無振動、維修方便、可靠性高；② 不需要制冷劑；③ 制冷量和冷卻速度可通過改變電流的大小隨意調(diào)節(jié)，而且改變電流的方向還可以作為加熱源，因此很容易實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，所以適用于作恒溫器；④ 體積小、質(zhì)量輕，制冷量可以任意選擇，特別適合于各種小型化元器件、儀器儀表的冷卻。鑒于熱電制冷有上述特點，所以在電子設(shè)備的冷卻技術(shù)中得到了比較廣泛的應用。特別是電子計算機，多路通信機，雷達設(shè)備等的恒溫均宜采用熱電制冷來完成。例如，多路通信機中的某恒溫器，在環(huán)境溫度從－5～＋45℃變化時，恒溫室的溫度可穩(wěn)定在25±1℃，制冷器的工作電流為3A、耗電為5W。若采用自然對流散熱方式，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。又如，用半導體制冷的石英晶體振蕩器的恒溫器，在環(huán)境溫度為－15～＋45℃變化時，工作室內(nèi)的溫度可穩(wěn)定在10±0．5℃范圍內(nèi)；而其工作電流為3A，耗電為30W。恒溫工作室的結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示。

圖8恒溫器熱電制冷的一個很大的缺點就是本身為了達到制冷的目的，需消耗很大的功率。圖9是用熱電制冷組件作為制冷元件的熱電制冷阱。阱體由鋁材制成，阱體的四周用聚氨酯材料保溫，制冷組件的熱端用水冷散熱器。

圖9熱電制冷阱結(jié)構(gòu)示意圖這種結(jié)構(gòu)的控溫精度高、控溫范圍廣、性能可靠、無噪聲、無污染。經(jīng)過適當?shù)母倪M也可以作為恒溫槽和低溫存儲器使用。
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