TEC熱電冷卻器簡介

TEC Thermo Electric Cooler簡介

1 半導(dǎo)體制冷帕爾貼效應(yīng)Peltier Effect

當(dāng)有電流通過不同的導(dǎo)體組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這是J.C.A.珀耳帖在1834年發(fā)現(xiàn)的。電荷載體在導(dǎo)體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。這一效應(yīng)是可逆的，如果電流方向反過來，吸熱便轉(zhuǎn)變成放熱。

如圖1 所示熱電制冷器的基本元件是電偶，由金屬電橋連接兩個電偶臂組成。一個電偶臂用P型半導(dǎo)體材料制作，另一個電偶臂用N型半導(dǎo)體材料制作。

電偶兩端加上直流電壓后，外電場迫使載荷體在回路中按一定的方向運動。金屬和N型半導(dǎo)體中的載荷體是電子，P型半導(dǎo)體中的載荷體是空穴?？昭ǖ倪\動方向與電流方向相同。電子的運動方向與電流相反。電子在金屬中的能量低于在N型半導(dǎo)體中的能量。電子從金屬流入N型電偶臂時，需要吸收熱量，在這樣的結(jié)點可觀察到吸熱效應(yīng)；電子從N型電偶臂流入金屬時，電子從高能態(tài)流入低能態(tài)釋放熱量。在這樣的結(jié)點處可以觀察到放熱效應(yīng)。P型電偶臂中空穴反電子方向運動，所以電子從金屬與P型臂一個結(jié)點處相遇發(fā)生復(fù)合，釋放能量，結(jié)點產(chǎn)生放熱效應(yīng)；在另一個結(jié)點電子和空穴在電場作用下分離，需要吸收能量，在此處產(chǎn)生吸熱效應(yīng)。因此圖1中可以觀察到金屬電橋的一側(cè)變冷，另一側(cè)變熱。對某側(cè)的金屬電橋來說，要獲得相反的效應(yīng)從制冷變?yōu)榧訜?，或從加熱變?yōu)橹评?。只要改變電流方向，就可改變制冷方向?/p>

圖1 帕爾貼效應(yīng)示意圖

吸收熱量的一端成為冷端，放出熱量的一端成為熱端。吸收的熱量稱為帕爾貼熱。帕爾貼熱與外加電源所提供的回路電流成正比，即：

其中

為帕爾貼系數(shù)，I 為流過導(dǎo)體的電流，T 為絕對溫度。是塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)是一個常數(shù)由兩個材料的性能決定。對于PN結(jié)

???? （2）

和分別是分別是P型和N型溫差電動率系數(shù)（塞貝克系數(shù)）。

由于碲化鉍等半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的熱電性能，使帕爾貼效應(yīng)非常顯著。因此，以碲化鉍材料制備的半導(dǎo)體制冷器不斷得到推廣和應(yīng)用，出現(xiàn)了上百種性能各異和形狀大小不一的器件，被廣泛應(yīng)用于各種特殊制冷場合。

圖2 TEC制冷片

2塞貝克效應(yīng)：

當(dāng)兩種不同材料、不同溫度的導(dǎo)體組成閑合回路時，接觸點存在溫度差△T，那么就會在閉合回路中產(chǎn)生電流，同時在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個電動勢△U，這種電動勢就被稱為塞貝克電動勢，這種效應(yīng)稱為塞貝克（Seeback）效應(yīng)。

塞貝克電動勢△U的大小與溫差△T 是正比關(guān)系?！鱐越大，△U就越大。用表達(dá)式表示為

當(dāng)△T的數(shù)值不是很大的時候，為一個常數(shù)。這個系數(shù)的值不是由一種材料決定的，而是由一對材料共同決定的。

從微觀方向來說，塞貝克效應(yīng)是由于溫度梯度的作用導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)載流子分布發(fā)生變化造成的。例如有一根金屬棒，它的兩端存在著溫度差。可知道的是，熱端自由電子的平均動能比冷端要高。熱端自由電子流向冷端的速度也會比冷端自由電子流向熱端的速度更大，送樣就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生電勢。隨著熱端的自由電子流向冷端，冷端自由電子會變多，從而在金屬內(nèi)部形成內(nèi)建電場，阻礙電子進(jìn)一步積累。但只要存在溫度梯度，電流就不會消失。

3 傅立葉效應(yīng)

傅立葉效應(yīng)是指在均勻介質(zhì)中沿某個方向在單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量。該熱的大小正比于該方向的溫度梯度和垂直于該方向的面積的乘積。其表達(dá)式為：

式中△T為導(dǎo)體熱端與冷端的溫差，k代表導(dǎo)體的熱導(dǎo)率，K為總熱導(dǎo)。

5 半導(dǎo)體制冷主要性能參數(shù)

反映半導(dǎo)體制冷器制冷性能的主要參數(shù)是最大電流、最大溫差、最大制冷功率和最大電壓。

最大溫差△Tmax是指半導(dǎo)體在某種工作模式下的所能達(dá)到最大的溫差利用這個參數(shù)，可以估算出制冷環(huán)境中所需要的半導(dǎo)體組件的對數(shù)，及制冷的時間等。

最大電流（Imax）指半導(dǎo)體制冷器能達(dá)到最大溫差時的工作電流。

最大制冷功率（Qcmax）指半導(dǎo)體制冷器在冷端能吸收的最大熱負(fù)荷。

最大電壓（Vmax）指的半導(dǎo)體制冷器在最大溫差電流Imax作時的電壓。

制冷系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）。定義為制冷功率（制冷運行時）或制熱功率（制熱運行時）與輸入功率之比值。

6 TEC的特點

TEC熱電制冷是借助于電子或空穴在運動中直接傳輸能量而制冷的。這使它在結(jié)構(gòu)上與采用制冷劑傳遞能量的其他各種制冷有顯著的不同。

具有下述特點

1）結(jié)構(gòu)簡單，整個制冷器由熱電堆和導(dǎo)線連接組成，無任何機(jī)械運動部件，因而無噪聲，無磨損，可靠性高，壽命長，維修方便。

2）體積小，特別在小冷量，小體積用冷場合有獨到之處。

3）啟動快，控制靈活。只要接通電源，即可迅速制冷。冷卻速度和制冷溫度都可通過調(diào)節(jié)工作電流實現(xiàn)。

4）操作具有可逆性，即可用來制冷，又可通過改變電流方向作制熱用，因而可以用來做高于室溫到低于室溫范圍內(nèi)的恒溫器。

5）熱電制冷的主要缺點是效率低，耗能大。由于缺少更好的半導(dǎo)體材料，限制了它發(fā)展。在大容量的情況下，熱點制冷的效率比蒸汽壓縮式制冷低；產(chǎn)冷量在20W以下，溫差不超過50℃時，熱電制冷效率高于壓縮式制冷的效率。

審核編輯 ：李倩