熱電制冷的原理

熱電制冷是利用珀?duì)柼?yīng)的原理進(jìn)行制冷的，其制冷效果主要取決于兩種電偶對(duì)材料的熱電勢(shì)。由于半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢(shì)，因此，可以用它來(lái)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(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，并可以逆向運(yùn)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(yīng)用。一、熱電制冷的基本原理當(dāng)任何兩種不同的導(dǎo)體組成一電偶對(duì)，并通以直流電時(shí)，在電偶的相應(yīng)接頭處就會(huì)發(fā)生吸熱和放熱現(xiàn)象。但這種效應(yīng)在金屬中很弱，而在半導(dǎo)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(dǎo)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(shí)際結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)直流電從N型流向P型時(shí)，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(guò)來(lái)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(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)勢(shì)能的變化來(lái)解釋。由于載流子在金屬和半導(dǎo)體中的勢(shì)能大小是不同的，所以載流子在流過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必然引起能量的傳遞；當(dāng)載流子由較低的勢(shì)能變到較高的勢(shì)能時(shí)，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(diǎn)。熱電制冷的吸熱和放熱是由載流子流過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，勢(shì)能的變化而引起的能量傳遞過(guò)程。上部的金屬片被冷卻下來(lái)，成為冷端，而下部?jī)蓚€(gè)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(yīng)由同時(shí)發(fā)生的五種不同效應(yīng)組成。其中塞貝克、珀?duì)柼蜏愤d三種效應(yīng)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(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。（1）塞貝克效應(yīng)當(dāng)兩種不同導(dǎo)體連接在一起的一個(gè)節(jié)點(diǎn)加熱，而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度保持不變，這時(shí)就可能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。其電壓與節(jié)點(diǎn)間的溫差成正比，即

式中 α——某一對(duì)材料的塞貝克系數(shù)（μV／℃）；Δt——兩節(jié)點(diǎn)之間的溫差（℃）。（2）珀?duì)柼?yīng)當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同的材料時(shí)，節(jié)點(diǎn)上將吸熱或放熱，節(jié)點(diǎn)上的熱量與電流成正比

式中 π——珀?duì)柼禂?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(diǎn)上吸收或放出的熱量為

（3）湯姆遜效應(yīng)當(dāng)電流流過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體和周?chē)h(huán)境之間將進(jìn)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(jì)。（4）焦?fàn)栃?yīng)導(dǎo)體中通過(guò)電流時(shí)所產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻R和電流I平方的乘積，即

（5）傅里葉效應(yīng)經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積 A 和該方向的溫差Δt成正比，即

式中 k——導(dǎo)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(yīng)和焦耳效應(yīng)，使熱量從熱節(jié)點(diǎn)流向冷節(jié)點(diǎn)。二、熱電制冷器的結(jié)構(gòu)熱電制冷器是由熱電（對(duì)）堆、冷板和散熱器組成。冷板裝在電堆的冷端。為了加強(qiáng)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(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)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(wú)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(dǎo)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(jī)械固定法和焊接法。黏結(jié)法：一般用環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)。黏結(jié)時(shí)加一定的壓力，使環(huán)氧樹(shù)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(diǎn)是黏結(jié)層不易做得很薄，因而增加了熱阻。同時(shí)，由于環(huán)氧樹(shù)脂與電偶堆熱膨脹系數(shù)不同，長(zhǎng)期冷熱交替工作會(huì)使樹(shù)脂黏結(jié)層松脫，熱量散不出去，燒壞電偶堆。機(jī)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(shí)較方便，如果在各活動(dòng)接觸面上涂以導(dǎo)熱硅脂等，可以提高其導(dǎo)熱性能。為了避免從熱端經(jīng)螺釘向冷端傳熱，螺釘應(yīng)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(dǎo)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(duì)數(shù)及電堆結(jié)構(gòu)形式（如疏密度）等，都必須經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)才能最后確定。通常一級(jí)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(jí)熱電制冷。這種多級(jí)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(jí)工作電流相同，級(jí)與級(jí)之間必須有良好的電絕緣。并聯(lián)型多級(jí)制冷電偶堆如圖5所示，其工作特點(diǎn)是工作總電流較大，但級(jí)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(diǎn)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(dāng)薄膜厚度在20～50μm時(shí)，其冷卻的熱流密度可超過(guò)100 2W／cm。因此，利用這種薄膜器件很容易實(shí)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(yīng)用熱電制冷器是借助于電子（或空穴）在運(yùn)動(dòng)中直接傳送能量來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的，因此與機(jī)械制冷相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因而無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、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(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(diǎn)，所以在電子設(shè)備的冷卻技術(shù)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。特別是電子計(jì)算機(jī)，多路通信機(jī)，雷達(dá)設(shè)備等的恒溫均宜采用熱電制冷來(lái)完成。例如，多路通信機(jī)中的某恒溫器，在環(huán)境溫度從－5～＋45℃變化時(shí)，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(duì)流散熱方式，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。又如，用半導(dǎo)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(shí)，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(gè)很大的缺點(diǎn)就是本身為了達(dá)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(wú)噪聲、無(wú)污染。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)也可以作為恒溫槽和低溫存儲(chǔ)器使用。
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