热电制冷的原理

热电制冷是利用珀尔帖效应的原理进行制冷的，其制冷效果主要取决于两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势，因此，可以用它来做成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质，又无机械运动部件，可靠性高，并可以逆向运转，在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。一、热电制冷的基本原理当任何两种不同的导体组成一电偶对，并通以直流电时，在电偶的相应接头处就会发生吸热和放热现象。但这种效应在金属中很弱，而在半导体中则比较显著。热电制冷的电偶是利用特制的N型和P型半导体用铜连接片焊接而成的。其结构原理如图1所示，图2是实际结构图。当直流电从N型流向P型时，则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象（称冷端），而在1、4端的铜连接片上产生放热现象（称热端）。如果电流方向反过来流，则冷、热端互换。

图1 热电制冷原理图

图2 热电制冷结构图热电制冷的原理可用载流子（电子或空穴）流过节点时势能的变化来解释。由于载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过节点时，必然引起能量的传递；当载流子由较低的势能变到较高的势能时，必须吸收外界的能量；反之，必然要放出能量。这是研究热电制冷的基本出发点。热电制冷的吸热和放热是由载流子流过节点时，势能的变化而引起的能量传递过程。上部的金属片被冷却下来，成为冷端，而下部两个连接片均放热，成为热端。这就是热电制冷的本质。温差电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中塞贝克、珀尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能的相互转换是直接可逆的，而焦耳和傅里叶效应是热的不可逆效应。（1）塞贝克效应当两种不同导体连接在一起的一个节点加热，而另一个节点的温度保持不变，这时就可能产生电动势。其电压与节点间的温差成正比，即

式中 α——某一对材料的塞贝克系数（μV／℃）；Δt——两节点之间的温差（℃）。（2）珀尔帖效应当直流电通过两种不同的材料时，节点上将吸热或放热，节点上的热量与电流成正比

式中 π——珀尔帖系数（V）；I——电流（A）。塞贝克系数和帕尔帖系数之间的关系为式中 Tc——冷端温度（℃）；

1α、α2——材料1和2的塞贝克系数（μV／℃）。因此，两种不同材料节点上吸收或放出的热量为

（3）汤姆逊效应当电流流过有温度梯度的导体时，在导体和周围环境之间将进行能量的交换，但由于其换热在热电制冷系统中影响较小，故可以忽略不计。（4）焦尔效应导体中通过电流时所产生的热量等于导体电阻R和电流I平方的乘积，即

（5）傅里叶效应经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积 A 和该方向的温差Δt成正比，即

式中 k——导热系数（W／（m·℃））；δ——传热方向上材料的厚度（m）。在热电制冷中，由于存在傅里叶效应和焦耳效应，使热量从热节点流向冷节点。二、热电制冷器的结构热电制冷器是由热电（对）堆、冷板和散热器组成。冷板装在电堆的冷端。为了加强热交换，冷板可有不同形式，如肋片式、平板式等。散热器装在电堆的热端，散热形式可有强迫风冷、强迫水冷和自然冷却等。图3所示为热电制冷器的结构示意图。无论采用哪种冷却形式，都必须使冷板、制冷电偶堆和散热器三者之间的连接满足导热和电绝缘的要求。

图3制冷器整体组装有三种方法：黏结法、机械固定法和焊接法。黏结法：一般用环氧树脂黏结。黏结时加一定的压力，使环氧树脂黏结层很薄，可减少热阻。固化后在60～70℃下烘烤。这种方法的缺点是黏结层不易做得很薄，因而增加了热阻。同时，由于环氧树脂与电偶堆热膨胀系数不同，长期冷热交替工作会使树脂黏结层松脱，热量散不出去，烧坏电偶堆。机械固定法：用螺钉将电偶堆、散热器及冷板连在一起。此法在使用维修时较方便，如果在各活动接触面上涂以导热硅脂等，可以提高其导热性能。为了避免从热端经螺钉向冷端传热，螺钉应套胶木套或用尼龙螺钉。焊接法：由于电偶堆与散热器及冷板之间要电绝缘，需采用一种金属化的陶瓷，而且这种陶瓷片的大小与铜连接片相同，并将其两面烧结上金属（如银）层。金属化陶瓷片一面与铜连接片焊接，再焊上半导体元件，另一方面与散热器或冷板相焊接。此方法电绝缘性能好，但增加了金属化陶瓷的工艺。热电制冷电堆是制冷器件的主要组成部分。其元件的尺寸、电偶对数及电堆结构形式（如疏密度）等，都必须经过设计计算和实验才能最后确定。通常一级制冷最大只能得到大约50℃的温差，为了得到较大温差和深度冷却，可采用多级热电制冷。这种多级制冷法在电路连接上有串联、并联和混联三种。串联型如图4所示，显然每一级工作电流相同，级与级之间必须有良好的电绝缘。并联型多级制冷电偶堆如图5所示，其工作特点是工作总电流较大，但级间不必电绝缘。混联型如图6所示。

图4 串联型

图5并联型

图6混联型图7是一种采用薄膜技术的热电制冷器件，其材料为B i2Te3，这种制冷器的优点是：它的冷却功率密度随热电薄膜厚度的减小而急剧增加。当薄膜厚度在20～50μm时，其冷却的热流密度可超过100 2W／cm。因此，利用这种薄膜器件很容易实现热电制冷器的小型化和微小型化。

图7三、热电制冷在电子设备中的应用热电制冷器是借助于电子（或空穴）在运动中直接传送能量来实现制冷的，因此与机械制冷相比具有如下优点：① 无机械转动部分，因而无噪声、无振动、维修方便、可靠性高；② 不需要制冷剂；③ 制冷量和冷却速度可通过改变电流的大小随意调节，而且改变电流的方向还可以作为加热源，因此很容易实现自动调节，所以适用于作恒温器；④ 体积小、质量轻，制冷量可以任意选择，特别适合于各种小型化元器件、仪器仪表的冷却。鉴于热电制冷有上述特点，所以在电子设备的冷却技术中得到了比较广泛的应用。特别是电子计算机，多路通信机，雷达设备等的恒温均宜采用热电制冷来完成。例如，多路通信机中的某恒温器，在环境温度从－5～＋45℃变化时，恒温室的温度可稳定在25±1℃，制冷器的工作电流为3A、耗电为5W。若采用自然对流散热方式，其结构如图8（a）所示。又如，用半导体制冷的石英晶体振荡器的恒温器，在环境温度为－15～＋45℃变化时，工作室内的温度可稳定在10±0．5℃范围内；而其工作电流为3A，耗电为30W。恒温工作室的结构如图8（b）所示。

图8恒温器热电制冷的一个很大的缺点就是本身为了达到制冷的目的，需消耗很大的功率。图9是用热电制冷组件作为制冷元件的热电制冷阱。阱体由铝材制成，阱体的四周用聚氨酯材料保温，制冷组件的热端用水冷散热器。

图9热电制冷阱结构示意图这种结构的控温精度高、控温范围广、性能可靠、无噪声、无污染。经过适当的改进也可以作为恒温槽和低温存储器使用。
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