TEC Thermo Electric Cooler簡(jiǎn)介

1 半導(dǎo)體制冷帕爾貼效應(yīng)Peltier Effect

當(dāng)有電流通過(guò)不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，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(huì)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(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)來(lái)，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(gè)電偶臂組成。一個(gè)電偶臂用P型半導(dǎo)體材料制作，另一個(gè)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(chǎng)迫使載荷體在回路中按一定的方向運(yùn)動(dòng)。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。空穴的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相同。電子的運(yùn)動(dòng)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(shí)，需要吸收熱量，在這樣的結(jié)點(diǎn)可觀察到吸熱效應(yīng)；電子從N型電偶臂流入金屬時(shí)，電子從高能態(tài)流入低能態(tài)釋放熱量。在這樣的結(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，所以電子從金屬與P型臂一個(gè)結(jié)點(diǎn)處相遇發(fā)生復(fù)合，釋放能量，結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生放熱效應(yīng)；在另一個(gè)結(jié)點(diǎn)電子和空穴在電場(chǎng)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(duì)某側(cè)的金屬電橋來(lái)說(shuō)，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(guò)導(dǎo)體的電流，T 為絕對(duì)溫度。是塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)是一個(gè)常數(shù)由兩個(gè)材料的性能決定。對(duì)于PN結(jié)

???? （2）

和分別是分別是P型和N型溫差電動(dòng)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(chǎng)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(shí)，接觸點(diǎn)存在溫度差△T，那么就會(huì)在閉合回路中產(chǎn)生電流，同時(shí)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)△U，這種電動(dòng)勢(shì)就被稱為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為塞貝克（Seeback）效應(yīng)。

塞貝克電動(dòng)勢(shì)△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(shí)候，為一個(gè)常數(shù)。這個(gè)系數(shù)的值不是由一種材料決定的，而是由一對(duì)材料共同決定的。

從微觀方向來(lái)說(shuō)，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?？芍赖氖?，熱端自由電子的平均動(dòng)能比冷端要高。熱端自由電子流向冷端的速度也會(huì)比冷端自由電子流向熱端的速度更大，送樣就會(huì)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生電勢(shì)。隨著熱端的自由電子流向冷端，冷端自由電子會(huì)變多，從而在金屬內(nèi)部形成內(nèi)建電場(chǎng)，阻礙電子進(jìn)一步積累。但只要存在溫度梯度，電流就不會(huì)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(gè)方向在單位時(shí)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(gè)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(duì)數(shù)，及制冷的時(shí)間等。

最大電流（Imax）指半導(dǎo)體制冷器能達(dá)到最大溫差時(shí)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(shí)的電壓。

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

6 TEC的特點(diǎn)

TEC熱電制冷是借助于電子或空穴在運(yùn)動(dòng)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(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)制冷器由熱電堆和導(dǎo)線連接組成，無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因而無(wú)噪聲，無(wú)磨損，可靠性高，壽命長(zhǎng)，維修方便。

2）體積小，特別在小冷量，小體積用冷場(chǎng)合有獨(dú)到之處。

3）啟動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)工作電流實(shí)現(xiàn)。

4）操作具有可逆性，即可用來(lái)制冷，又可通過(guò)改變電流方向作制熱用，因而可以用來(lái)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(diǎn)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(diǎn)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(guò)50℃時(shí)，熱電制冷效率高于壓縮式制冷的效率。

審核編輯 ：李倩