溫差電致冷

溫差電製冷亦稱“熱電製冷”、 “半導體製冷”。是一種製冷方法。

利 用半導體的熱電溫差特性促使熱量從低溫處傳遞到高溫處。整個製冷裝置由冷板、聯接片、電堆和散熱器等構成。

基本介紹

• 中文名：溫差電致冷
• 外文名：thermoelectric refrigertion
• 目的：利用珀耳帖效應達到致冷
• 發明人：J.-C.珀耳帖
• 時間：1834

術語簡介

溫差電製冷是利用珀耳帖效應達到致冷的目的。

1834年法國J.-C.珀耳帖發現，當兩種不同金屬連線起來並通以電流時，有一接頭吸熱，另一接頭放熱。這種現象後來被稱為珀耳帖效應。

溫差電致冷

珀耳帖效應長期未能實際套用於製作致冷器，其原因是金屬的珀耳帖效應很弱。直到20世紀50年代，對半導體材料的研究進一步深入，人們用N型半導體和P型半導體構成溫差電偶，珀耳帖效應遠遠強於金屬電偶。從此溫差電致冷器逐漸進入實用階段。

工作原理

由 N型半導體和P型半導體構成的溫差電偶，用銅片把兩個半導體連線起來。電流I由N型半導體流向P型半導體時，該接頭吸收珀耳帖熱αIT1，式中α=α1-α2，α1、α2分別為P型半導體和N型半導體的溫差電動勢率，P型半導體的溫差電動勢率為正，而N型的為負。

在另一接頭,電流由P型半導體流向N型半導體，有熱量釋放出來。通過各種散熱方式把熱端的熱量帶走，冷端就能保持較低溫度。在熱平衡條件下，冷端所能達到的溫度取決於半導體材料的溫差電特性和冷端的熱負載以及器件的設計（工作狀態、散熱條件等）。

溫差電致冷

實際致冷器有最大溫差和最大致冷效率兩種工作狀態。

①最大溫差狀態（即最大產冷量狀態）：當電流為時，致冷器兩端的溫度差達到最大值，式中R為N型和P型半導體電阻之和，T1為冷端溫度。如果熱負載Q0=0，致冷器兩端溫差最大可達：式中T0為熱端溫度，Z為半導體材料的品質因數，式中x1、x2分別為P型和N型半導體的熱導率，ρ1、ρ2分別為電阻率。採用這種方式工作可以節省半導體材料，但是致冷效率較低。

②最大致冷效率狀態：當電流為時,致冷效率ε（熱負載Q0與所消耗的電功率之比值0可達最大值ε0採用這種工作方式可以節省電能消耗，但與前一方式相比，它需要較多的半導體材料。
由（T0-T1）max和ε0的表達式可知,半導體材料的品質因數Z越大，所能達到的最大溫差和致冷效率越大,這就要求材料的溫差電動勢率α儘量大，使所吸收的珀耳帖熱αIT1儘量大。

同時要求材料的電阻率和熱導率儘量小，使所產生的焦耳熱和由熱端向冷端的熱傳導儘量小，因為這兩部分熱量都會降低致冷效率。具有這種特性的最佳致冷材料為 Bi2Te3及其固溶體 Bi2Te3－Bi2Se3，Bi2Te3-Sb2Te3，Bi2Te3-Bi2Se3-Sb2Te3等。

另外，溫差電動勢率和電阻率是載流子濃度的敏感參數，隨著載流子濃度的增加，電阻率減小，但溫差電動勢率也減小。理論計算表明,最佳的載流子濃度為1019/厘米3的數量級，因此，溫差電致冷用的原材料純度一般只要99.999%即可，因而價格低廉。

發展簡史

溫差電製冷起源於150 多年前發現的Poltier 效應。到本世紀50年代，固體物理學的迅速發展，使人們意識到半導體材料將會比金屬產生較為明顯的Poltier效應。

溫差電致冷

基於Ioffoe和Goldsmid等人的大量理論和實驗研究，終於找到了以 為基的、優值較高的半導體溫差電材料，使溫差電製冷從此開始進入真正的實用階段。

在以後的30多年中，儘管在提高材料的性能方面進展緩慢，但常規製冷器件的製造工藝則發展得相當成熟，套用領域不斷增加。目前，溫差電製冷已涉足於電子、生物、醫學、特殊軍事用途，甚至一些民用領域。

製冷器結構

在實際套用中往往需要把若干對溫差電偶串聯或並聯成溫差電堆，致冷器由若干塊溫差電堆組成。溫差電製冷器亦稱半導體製冷器或電子製冷器，它利用珀爾帖熱電效應進行工作。當直流電通過一個由N型和P型半導體聯結成的電路時，就發生能量轉移，在一個接頭上吸熱而在另一個接頭上放熱。

當熱負載為零時，半導體致冷材料的最大溫差可達80℃左右，有熱負載時的溫差小於此值。為了獲得更低的溫度或更高的致冷效率，可以採用多級結構。上級致冷器的熱端與下級致冷器的冷端要求良好熱接觸。

溫差電致冷器是利用電能把熱量由冷端轉移到熱端的裝置。

溫差電製冷器

因此如何把熱量不斷地從熱端帶走是致冷器設計的主要內容之一。散熱方式主要有空氣自然對流式、強迫通風式和水冷式。空氣自然對流式較簡便，但散熱效果稍差，水冷式的散熱效果最佳，但需要耗費大量的水。也可採用循環水冷再通過散熱片由空氣自然對流散熱。

製冷套用

與通常使用的壓縮機製冷相比，當製冷量較大時，用溫差電致冷不但造價高而且耗電量要大一倍左右。

溫差電致冷器的優點是：無機械轉動部件，工作無噪聲，無製冷劑的腐蝕和污染，維修方便，壽命長，致冷容量可變，設計靈活性大，其形狀可以任意變化，可小型化和微型化，容易控溫，只要改變電流方向就可變致冷為發熱。根據這些特點，溫差電致冷適合於製作各種小型致冷器和恆溫器，以及用於要求無聲和無污染的特殊場合。

溫差電致冷

主要用途有：

①儀器儀表用的小型致冷器、恆溫器，例如光電倍增管、紅外探測器和半導體雷射器等用的致冷器，半導體零點儀、露點儀、標準頻率振盪器和電子器件用的恆溫器，石油凝點測定儀等。

②醫學上的套用有病理切片用的顯微切片冷凍台、白內障摘除器、皮膚病冷凍治療器、致冷帽等。

③其他還有攜帶式冷熱箱、半導體冰櫃、半導體空調器等。大容量溫差電致冷器效率比不上壓縮機的效率，原因是半導體致冷材料的品質因數Z還不夠大，而小容量溫差電致冷器的各種特性均優於壓縮機製冷器。致冷器採用兩個電堆，每個電堆由31對半導體元件組成。

元件尺寸為2.2×2.2×2.5毫米3。致冷器重量為2.7千克，電功率為55瓦，採用水冷散熱。致冷器可保證光電倍增管的光陰極溫度比周圍空氣低40℃，大大降低了光電倍增管的噪聲。這種光電倍增管致冷器的溫差電偶採用一級結構。

如果採用兩級結構，電功率增至200瓦，可保證光陰極的溫度比周圍空氣低60℃。