熱電制冷技術(shù)課件

熱電制冷技術(shù)的

發(fā)展與應(yīng)用

BY：袁麗芬能動(dòng)B222120301172西安交通大學(xué)熱電制冷技術(shù)的

發(fā)展與應(yīng)用BY：袁麗芬CompanyLogo目錄制冷原理應(yīng)用方向優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)發(fā)展CompanyLogo目錄一、制冷原理

熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾貼效應(yīng)的熱力學(xué)原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新型的制冷方式?？偟臒犭娦?yīng)的包含五中不同的效應(yīng)。其中塞貝克、帕爾貼和湯姆遜三種效應(yīng)表明熱和電能相互轉(zhuǎn)換開始直接可逆的。另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)，即焦耳和傅里葉效應(yīng)。一、制冷原理熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在1、五種效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：塞貝克發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩個(gè)接頭處的溫度不同，其周圍就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)了回路中有一電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)或溫差電效應(yīng)。如圖所示,由a、b兩種不同材料構(gòu)成的電路,若兩個(gè)接點(diǎn)A、B之間存在溫差△T，則在點(diǎn)C、D之間會(huì)產(chǎn)電動(dòng)勢(shì)Eab.Eab的大小與接點(diǎn)間的溫度正比：式中αab稱為塞貝克系數(shù)，又稱為材料對(duì)的溫差電動(dòng)勢(shì)率，1、五種效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：塞貝克發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬構(gòu)成的回路中帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。帕耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程。直流電回路時(shí)，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。吸熱量稱為帕耳帖熱，它正比于電流I:式中稱為帕爾貼系數(shù)帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上湯姆遜效應(yīng)：若電流通過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體與周圍環(huán)境之間將進(jìn)行能量交換，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)得出單位長(zhǎng)度吸收或放出的熱與電流和溫度梯度的乘積成比例：QT—每單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的吸（放熱）率，也稱湯姆遜熱τ—比例常數(shù)，稱為湯姆遜系數(shù)；I—通過(guò)導(dǎo)體的電流；dT/dx—溫度梯度一般因這種熱交換是二級(jí)效應(yīng)，它在電路的熱分析計(jì)算中處于次要地位，其數(shù)值與帕耳帖效應(yīng)相比甚微，作為工程或設(shè)計(jì)計(jì)算，可以忽略不計(jì)。湯姆遜效應(yīng)：若電流通過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體與周圍環(huán)境之焦耳效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積：傅里葉效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)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)方向的面積和該方向的溫度梯度的乘積成正比:焦耳效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平2、熱電制冷的產(chǎn)冷量

在制冷熱電偶中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上放熱，而另一個(gè)結(jié)點(diǎn)上吸熱，因此兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間有溫差。由于熱傳導(dǎo)，熱從熱結(jié)點(diǎn)流向冷結(jié)點(diǎn)。因熱電偶內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生焦耳熱，使局部溫度升高，溫度升高就使更多的熱流向冷結(jié)點(diǎn)，起了增加從熱結(jié)點(diǎn)至冷結(jié)點(diǎn)總熱量的作用。若熱在電流為I的導(dǎo)體上達(dá)到平衡，則傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的純熱流可用一維傅里葉方程來(lái)表示：

由傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的總熱量影響了帕爾貼制冷，因此，把它減掉就得到了單個(gè)熱電偶的純產(chǎn)冷量：2、熱電制冷的產(chǎn)冷量在制冷熱電偶中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上放熱，3、制冷原理

若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷移當(dāng)做電流來(lái)看，則每種材料載流子的勢(shì)能不同。因此，為滿足能量守恒的要求，載流子通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)必然與其周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換。這就是帕爾貼效應(yīng)。如右圖，n型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。p型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)。當(dāng)電子從p型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至n型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫度降低來(lái)證明。反之，當(dāng)電子從n型流至p型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就升高。右圖所示的連接方法在實(shí)際中無(wú)用，因此要用左圖的連接方法代替。在上面的一個(gè)接頭處，電流方向是n到p,溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而在下面的一個(gè)接頭，電流方向是p到n，溫度上升并且放熱，因此是熱端。3、制冷原理若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷

把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)。而在傳熱方面則是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了一個(gè)常見的制冷熱電堆。接上直流電源后，這個(gè)熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中取吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)。而在傳熱方面則

熱電制冷是一種不用制冷劑、沒有運(yùn)動(dòng)件的電器。它的熱電堆起著普通制冷壓縮機(jī)的作用，冷端及其熱交換器相當(dāng)于普通制冷裝置的蒸發(fā)器，而熱端及其熱交換器相當(dāng)于冷凝器。通電時(shí)，自由電子和空穴在外電場(chǎng)的作用下，離開熱電堆的冷端想熱端運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于制冷劑在制冷壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程。在熱電堆的冷端，通過(guò)熱交換器吸熱，同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這相當(dāng)于制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱和蒸發(fā)。在熱電堆的熱端，發(fā)生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，同時(shí)通過(guò)熱交換器散熱，相當(dāng)于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)。4、熱電制冷與機(jī)械壓縮式制冷的比較熱電制冷是一種不用制冷劑、沒有運(yùn)動(dòng)件的電器。它的熱電一對(duì)電偶消耗的電功率為：一對(duì)電偶的制冷系數(shù)定義為為：?jiǎn)挝浑姽β仕芪盏臒崃浚阂粚?duì)熱電偶在熱端放出的熱量：5、熱電制冷的基本公式一對(duì)電偶消耗的電功率為：一對(duì)電偶的制冷系數(shù)定義為為：?jiǎn)挝浑姽?/p>

使制冷器獲得最大的制冷量是設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)之一。從制冷量的計(jì)算式可知，當(dāng)工作溫度、半導(dǎo)體材料性質(zhì)和幾何尺寸一定時(shí)，制冷量的大小只與電流有關(guān)。帕耳帖熱越大，焦耳熱越大，則制冷量越大。帕耳帖熱與電流成正比，焦耳熱與電流的平方成正比，故存在著使制冷量最大的電流，求導(dǎo)，得到最佳電流和最大制冷量：

同時(shí)，性能系數(shù)對(duì)電流求導(dǎo)，則可得制冷系數(shù)取最大時(shí)的最佳電流：使制冷器獲得最大的制冷量是設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)之一。從制冷

根據(jù)前面關(guān)于熱點(diǎn)效應(yīng)的討論，顯然對(duì)于熱電材料的特性可得以下結(jié)論（1）為了產(chǎn)生大的制冷效能，溫差電動(dòng)勢(shì)要相當(dāng)高，它是所選電偶材料的函數(shù)，該電動(dòng)勢(shì)是隨溫度變化的塞貝克電壓。（2）電阻率要低，否則電阻產(chǎn)生的熱可能超過(guò)制冷效能。（3）要維持冷熱節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)大的溫差，導(dǎo)熱系數(shù)要低。通常，把這三個(gè)因素綜合成優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z，這個(gè)值是衡量熱電器件材料有用性的指標(biāo).根據(jù)前面關(guān)于熱點(diǎn)效應(yīng)的討論，顯然對(duì)于熱電材料的特性可Z是熱電偶的優(yōu)值系數(shù)，是衡量熱電偶對(duì)的最佳因素，它的值只與電偶的材料的物理性質(zhì)有關(guān)，反映了電偶的熱電特性。Z值越大，則制冷量，制冷效率也越大，因此，提高優(yōu)值系數(shù)是改善半導(dǎo)體制冷性能的根本措施。圖1為制冷量，性能系數(shù)，冷熱端溫差三者之間的關(guān)系，圖2為Z值與溫差之間的關(guān)系Z是熱電偶的優(yōu)值系數(shù)，是衡量熱電偶對(duì)的最佳因熱電制冷技術(shù)課件3、多級(jí)制冷熱電堆

一級(jí)熱電堆在通常情況下只能得到大約60度的溫差，為了得到更大的溫差和更低的溫度，可用級(jí)聯(lián)的方法制造多級(jí)制冷器，第二級(jí)熱電堆熱端貼在第一級(jí)熱電堆的冷端上，第一級(jí)熱電堆實(shí)際上起到第二級(jí)的散熱器的作用，如圖所示為三級(jí)熱電堆示意圖：設(shè)第一，二，三級(jí)熱電堆的溫差和制冷系數(shù)分別為則總的溫差為:總的制冷系數(shù)為：3、多級(jí)制冷熱電堆一級(jí)熱電堆在通常情況下只能得到大約如果選取，則此種情況下總的制冷系數(shù)最大。因?yàn)橹评淦鳠岫松崃勘壤涠水a(chǎn)冷量大許多倍，熱端放出的熱量為其所消耗的電功率之加上冷端負(fù)載之和，為得到較大溫差，第一級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)應(yīng)比第二級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)大許多倍。由于這個(gè)原因以及溫度越低元件性能越差，并不是級(jí)數(shù)越多，溫差按比例提高。因此級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)不能很多，一般2到3級(jí)。如果選取，則多級(jí)熱電制冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多級(jí)熱電制冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器

串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是各級(jí)工作電流相同。級(jí)與級(jí)之間需要一層電絕緣導(dǎo)熱層，工藝比較簡(jiǎn)單，在要求同一溫差和和承受同一負(fù)載時(shí)比下面要介紹的并聯(lián)型要消耗較大的功率。圖所示分別為二，三，四，五級(jí)串聯(lián)型熱電堆。多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器串聯(lián)型多級(jí)熱電堆并聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器

并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流較大，級(jí)與級(jí)之間無(wú)需電絕熱導(dǎo)熱層。達(dá)到同一溫差和承受同一負(fù)載時(shí)比串聯(lián)型耗電要小些，單線路設(shè)計(jì)上比較麻煩些，特別是要求負(fù)載較大的情況a,最簡(jiǎn)單的并聯(lián)型二級(jí)堆；b,一般并聯(lián)型二級(jí)堆，d,并聯(lián)型三級(jí)堆e,并聯(lián)型四級(jí)堆并聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流4、熱電制冷器的散熱方式空氣自然對(duì)流散熱

在很多小型熱電制冷器中，常采用空氣自然對(duì)流散熱的換熱系統(tǒng)，它需要一定形式的散熱片作為熱交換器。這種散熱方式的熱電制冷器的溫度分布如圖所示。制冷對(duì)象所要移走的熱量，通過(guò)冷端吸熱器與周圍空氣的熱交換吸收熱量，然后經(jīng)過(guò)連接片及絕緣層的導(dǎo)熱，使這些熱量被熱電堆冷端所吸收，經(jīng)熱電制冷效應(yīng)又把熱量移至熱端，再經(jīng)各層的導(dǎo)熱把熱量傳給熱端散熱器。4、熱電制冷器的散熱方式空氣自然對(duì)流散熱在很多小型熱強(qiáng)迫通風(fēng)散熱

散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可大大提高，在相同的散熱功率下，散熱面積相應(yīng)地縮小許多倍。水冷散熱

這種方法散熱的效率高，其換熱系數(shù)比空氣自然對(duì)流散熱大100到1000倍熱管散熱通常半導(dǎo)體制冷中傳統(tǒng)的散熱器采用的是翅片式散熱器，然而應(yīng)用熱管式散熱器，散熱效率要比傳統(tǒng)的翅片式高很多。目前熱管散熱器大多采用中空的圓柱形鋁管或銅管，其中一部分空間填充易于蒸發(fā)的液體，管壁有由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成的吸液芯。管內(nèi)空間始終保持真空狀態(tài)，因而其中液體的蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度相近。當(dāng)熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)候，蒸發(fā)端的液體就會(huì)迅速氣化。由于氣化后蒸汽壓力較大，在壓力差的作用下，蒸汽運(yùn)動(dòng)至冷卻端遇冷重新液化，氣體液化釋放熱量，從而把熱量從蒸發(fā)端帶向冷卻端。強(qiáng)迫通風(fēng)散熱散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可熱電制冷技術(shù)課件二、應(yīng)用方向

熱電制冷具有諸多特點(diǎn)，應(yīng)用開發(fā)幾乎涉及所有制冷領(lǐng)域，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場(chǎng)合，更有其優(yōu)越性。它在國(guó)防、科研、工農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于儀器儀表、電子元件、藥品、疫苗等的冷卻、加熱和恒溫。如無(wú)線電元件恒溫器、微機(jī)制冷器、紅外探測(cè)器制冷器、便攜式冰箱、旅游汽車?yán)錈醿捎孟?、半?dǎo)體空調(diào)器、軍用和醫(yī)用制冷帽、白內(nèi)障摘除器、病理切片冷凍臺(tái)、潛艇空調(diào)器等。半導(dǎo)體制冷器未來(lái)將向大功率與微小型方向發(fā)展，尤其在民用和其它市場(chǎng)開發(fā)項(xiàng)目中。二、應(yīng)用方向熱電制冷具有諸多特點(diǎn)，應(yīng)用開發(fā)幾乎涉及所1、小型恒溫器小型恒溫器是由一個(gè)或幾個(gè)制冷模塊構(gòu)成。用來(lái)使一些需要在恒定溫度下工作的電子器件保持恒溫。比如石英晶體振蕩器、鍺三極管或精密電阻等元器件。2、熱電設(shè)備在熱能傳感器中的應(yīng)用目前已經(jīng)開發(fā)了以帕爾帖效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)為原理的許多新型熱能傳感器。這些新穎的傳感器與常規(guī)傳感器相比性能已經(jīng)提高了不少。如低溫?zé)崃鱾鞲衅鳌⒊暡炼葌鞲衅?、冷凝水探測(cè)器、流體流動(dòng)傳感器、紅外傳感器、薄膜熱電傳感器都是熱電熱能傳感器。3、醫(yī)療保健、生物工程嬰兒保育箱對(duì)溫度、濕度要求較高，采用電加熱升溫和壓縮式制冷降溫的保育箱系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，而且升溫時(shí)電能利用效率低，降溫時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。利用熱電熱泵可使整個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)化和輕量化，安靜可靠，溫度、濕度控制更為方便；使用同樣容量的蓄電池，路途時(shí)間可以延長(zhǎng)1.8-3.6倍。4、集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)冷卻集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)熱電制冷技術(shù)降溫，既可以采用熱電制冷模塊與散熱器結(jié)合，對(duì)電子元件進(jìn)行局部冷卻，也可以通過(guò)獨(dú)立的熱電制冷裝置對(duì)其進(jìn)行整體降溫1、小型恒溫器半導(dǎo)體除濕機(jī)介紹除濕原理

用半導(dǎo)體冷端制冷量對(duì)空氣冷凝除濕，除濕原理如圖所示，待處理的空氣為狀態(tài)點(diǎn)1，吸收制冷器冷端產(chǎn)生的冷量冷凝除濕后變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)2，由風(fēng)扇作用強(qiáng)制將處理后的空氣通過(guò)半導(dǎo)體制冷器的熱端，吸熱升溫后變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)3，最終送入室內(nèi)。半導(dǎo)體除濕機(jī)介紹除濕原理用半導(dǎo)體冷端制冷量對(duì)空氣冷凝除濕過(guò)程中，濕空氣的含濕量由d1變?yōu)閐2，溫度由t1冷卻為t2,除濕量為：式中，分別為空氣處于狀態(tài)點(diǎn)1,2的質(zhì)量流量，分別為狀態(tài)點(diǎn)1,2的含濕量，并定義半導(dǎo)體除濕效率為:式中為為水的汽化潛熱，m為除濕量，，為熱電堆的輸入功率，除濕過(guò)程中，濕空氣的含濕量由d1變?yōu)閐2，溫度由t1冷卻為t熱電制冷技術(shù)課件熱電制冷技術(shù)課件

對(duì)半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)進(jìn)行分析：其最大的缺點(diǎn)就是制冷效率低，在車載冰箱中或者除濕機(jī)中，它的制冷或者除濕效率明顯低于壓縮式制冷設(shè)備或者除濕設(shè)備，這一點(diǎn)極大的限制了熱電制冷的發(fā)展。但是，由于高效能源開發(fā)與節(jié)能的技術(shù)及設(shè)備，成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)正是在這種呼聲中應(yīng)運(yùn)而生。它尺寸小、重量輕、無(wú)任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作中沒有噪音、不必使用液態(tài)或氣態(tài)工質(zhì)，因而不造成環(huán)境污染、且“制冷”“制熱”運(yùn)用自如、作用速度快、使用壽命長(zhǎng)又易于控制。1、由于不使用制冷劑，消除了制冷劑泄漏對(duì)人體造成的傷害2、由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，在運(yùn)行時(shí)，無(wú)噪音，無(wú)振動(dòng)，無(wú)磨損。因此，工序可靠，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。3、熱電制冷器的容易尺寸宜于小型化，這是一般制冷技術(shù)所辦不到的。小型熱電制冷器的產(chǎn)冷量一般在幾瓦到幾十瓦之間，他的效率與容量大小無(wú)關(guān)，只取決于熱電堆的工作條件。微型熱電制冷器的容積和尺寸是相當(dāng)小的。例如可以達(dá)到零下100度的四級(jí)復(fù)疊式式半導(dǎo)體制冷器，他的產(chǎn)冷量只有幾十毫瓦，外形大小跟一只香煙盒相仿。4、熱電制冷裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作電壓來(lái)改變它的產(chǎn)冷量和制冷溫度。作為儀器儀表的小型冷源，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精密的控制。三、優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)對(duì)半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)進(jìn)行分析：其最大的缺點(diǎn)就是制冷效率低四、發(fā)展

尺寸微型化是熱電制冷模塊的一個(gè)重要發(fā)展方向，實(shí)驗(yàn)室獲得的微型熱電制冷模塊采用A1N陶瓷做絕緣面板，電臂長(zhǎng)度為0.2mm，最大溫差70K，制冷功率密度達(dá)80w/cm2。隨著制冷模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步微型化，內(nèi)部接觸層電阻以及熱傳導(dǎo)輻射等的不利影響更加顯著，因此，兼容性強(qiáng)的薄膜集成結(jié)構(gòu)將成為微電子元件冷卻的主流發(fā)展方向。微型熱電制冷技術(shù)主要應(yīng)用于電子元件實(shí)驗(yàn)儀器、探測(cè)儀器等局部或整體冷卻。適當(dāng)?shù)臏囟葪l件是電子元件正常工作的基礎(chǔ)，熱電制冷無(wú)方向性制約，能微型化,便于與冷卻對(duì)象組合或集成,因此不可缺少,甚至不可替代。四、發(fā)展尺寸微型化是熱電制冷模塊的一個(gè)重要發(fā)展方向，謝謝觀賞33ppt課件謝謝觀賞33ppt課件熱電制冷技術(shù)的

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發(fā)展與應(yīng)用BY：袁麗芬CompanyLogo目錄制冷原理應(yīng)用方向優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)發(fā)展CompanyLogo目錄一、制冷原理

熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾貼效應(yīng)的熱力學(xué)原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新型的制冷方式?？偟臒犭娦?yīng)的包含五中不同的效應(yīng)。其中塞貝克、帕爾貼和湯姆遜三種效應(yīng)表明熱和電能相互轉(zhuǎn)換開始直接可逆的。另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)，即焦耳和傅里葉效應(yīng)。一、制冷原理熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，是在1、五種效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：塞貝克發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，如果兩個(gè)接頭處的溫度不同，其周圍就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)了回路中有一電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)或溫差電效應(yīng)。如圖所示,由a、b兩種不同材料構(gòu)成的電路,若兩個(gè)接點(diǎn)A、B之間存在溫差△T，則在點(diǎn)C、D之間會(huì)產(chǎn)電動(dòng)勢(shì)Eab.Eab的大小與接點(diǎn)間的溫度正比：式中αab稱為塞貝克系數(shù)，又稱為材料對(duì)的溫差電動(dòng)勢(shì)率，1、五種效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：塞貝克發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬構(gòu)成的回路中帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。帕耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程。直流電回路時(shí)，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。吸熱量稱為帕耳帖熱，它正比于電流I:式中稱為帕爾貼系數(shù)帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上湯姆遜效應(yīng)：若電流通過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體與周圍環(huán)境之間將進(jìn)行能量交換，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)得出單位長(zhǎng)度吸收或放出的熱與電流和溫度梯度的乘積成比例：QT—每單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的吸（放熱）率，也稱湯姆遜熱τ—比例常數(shù)，稱為湯姆遜系數(shù)；I—通過(guò)導(dǎo)體的電流；dT/dx—溫度梯度一般因這種熱交換是二級(jí)效應(yīng)，它在電路的熱分析計(jì)算中處于次要地位，其數(shù)值與帕耳帖效應(yīng)相比甚微，作為工程或設(shè)計(jì)計(jì)算，可以忽略不計(jì)。湯姆遜效應(yīng)：若電流通過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體，則在導(dǎo)體與周圍環(huán)境之焦耳效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積：傅里葉效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)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)方向的面積和該方向的溫度梯度的乘積成正比:焦耳效應(yīng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平2、熱電制冷的產(chǎn)冷量

在制冷熱電偶中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上放熱，而另一個(gè)結(jié)點(diǎn)上吸熱，因此兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間有溫差。由于熱傳導(dǎo)，熱從熱結(jié)點(diǎn)流向冷結(jié)點(diǎn)。因熱電偶內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生焦耳熱，使局部溫度升高，溫度升高就使更多的熱流向冷結(jié)點(diǎn)，起了增加從熱結(jié)點(diǎn)至冷結(jié)點(diǎn)總熱量的作用。若熱在電流為I的導(dǎo)體上達(dá)到平衡，則傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的純熱流可用一維傅里葉方程來(lái)表示：

由傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的總熱量影響了帕爾貼制冷，因此，把它減掉就得到了單個(gè)熱電偶的純產(chǎn)冷量：2、熱電制冷的產(chǎn)冷量在制冷熱電偶中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上放熱，3、制冷原理

若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷移當(dāng)做電流來(lái)看，則每種材料載流子的勢(shì)能不同。因此，為滿足能量守恒的要求，載流子通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)必然與其周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換。這就是帕爾貼效應(yīng)。如右圖，n型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。p型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)。當(dāng)電子從p型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至n型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫度降低來(lái)證明。反之，當(dāng)電子從n型流至p型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就升高。右圖所示的連接方法在實(shí)際中無(wú)用，因此要用左圖的連接方法代替。在上面的一個(gè)接頭處，電流方向是n到p,溫度下降并且吸熱，這就是冷端。而在下面的一個(gè)接頭，電流方向是p到n，溫度上升并且放熱，因此是熱端。3、制冷原理若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷

把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)。而在傳熱方面則是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了一個(gè)常見的制冷熱電堆。接上直流電源后，這個(gè)熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中取吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)。而在傳熱方面則

熱電制冷是一種不用制冷劑、沒有運(yùn)動(dòng)件的電器。它的熱電堆起著普通制冷壓縮機(jī)的作用，冷端及其熱交換器相當(dāng)于普通制冷裝置的蒸發(fā)器，而熱端及其熱交換器相當(dāng)于冷凝器。通電時(shí)，自由電子和空穴在外電場(chǎng)的作用下，離開熱電堆的冷端想熱端運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于制冷劑在制冷壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程。在熱電堆的冷端，通過(guò)熱交換器吸熱，同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這相當(dāng)于制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱和蒸發(fā)。在熱電堆的熱端，發(fā)生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，同時(shí)通過(guò)熱交換器散熱，相當(dāng)于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)。4、熱電制冷與機(jī)械壓縮式制冷的比較熱電制冷是一種不用制冷劑、沒有運(yùn)動(dòng)件的電器。它的熱電一對(duì)電偶消耗的電功率為：一對(duì)電偶的制冷系數(shù)定義為為：?jiǎn)挝浑姽β仕芪盏臒崃浚阂粚?duì)熱電偶在熱端放出的熱量：5、熱電制冷的基本公式一對(duì)電偶消耗的電功率為：一對(duì)電偶的制冷系數(shù)定義為為：?jiǎn)挝浑姽?/p>

使制冷器獲得最大的制冷量是設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)之一。從制冷量的計(jì)算式可知，當(dāng)工作溫度、半導(dǎo)體材料性質(zhì)和幾何尺寸一定時(shí)，制冷量的大小只與電流有關(guān)。帕耳帖熱越大，焦耳熱越大，則制冷量越大。帕耳帖熱與電流成正比，焦耳熱與電流的平方成正比，故存在著使制冷量最大的電流，求導(dǎo)，得到最佳電流和最大制冷量：

同時(shí)，性能系數(shù)對(duì)電流求導(dǎo)，則可得制冷系數(shù)取最大時(shí)的最佳電流：使制冷器獲得最大的制冷量是設(shè)計(jì)追求的指標(biāo)之一。從制冷

根據(jù)前面關(guān)于熱點(diǎn)效應(yīng)的討論，顯然對(duì)于熱電材料的特性可得以下結(jié)論（1）為了產(chǎn)生大的制冷效能，溫差電動(dòng)勢(shì)要相當(dāng)高，它是所選電偶材料的函數(shù)，該電動(dòng)勢(shì)是隨溫度變化的塞貝克電壓。（2）電阻率要低，否則電阻產(chǎn)生的熱可能超過(guò)制冷效能。（3）要維持冷熱節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)大的溫差，導(dǎo)熱系數(shù)要低。通常，把這三個(gè)因素綜合成優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z，這個(gè)值是衡量熱電器件材料有用性的指標(biāo).根據(jù)前面關(guān)于熱點(diǎn)效應(yīng)的討論，顯然對(duì)于熱電材料的特性可Z是熱電偶的優(yōu)值系數(shù)，是衡量熱電偶對(duì)的最佳因素，它的值只與電偶的材料的物理性質(zhì)有關(guān)，反映了電偶的熱電特性。Z值越大，則制冷量，制冷效率也越大，因此，提高優(yōu)值系數(shù)是改善半導(dǎo)體制冷性能的根本措施。圖1為制冷量，性能系數(shù)，冷熱端溫差三者之間的關(guān)系，圖2為Z值與溫差之間的關(guān)系Z是熱電偶的優(yōu)值系數(shù)，是衡量熱電偶對(duì)的最佳因熱電制冷技術(shù)課件3、多級(jí)制冷熱電堆

一級(jí)熱電堆在通常情況下只能得到大約60度的溫差，為了得到更大的溫差和更低的溫度，可用級(jí)聯(lián)的方法制造多級(jí)制冷器，第二級(jí)熱電堆熱端貼在第一級(jí)熱電堆的冷端上，第一級(jí)熱電堆實(shí)際上起到第二級(jí)的散熱器的作用，如圖所示為三級(jí)熱電堆示意圖：設(shè)第一，二，三級(jí)熱電堆的溫差和制冷系數(shù)分別為則總的溫差為:總的制冷系數(shù)為：3、多級(jí)制冷熱電堆一級(jí)熱電堆在通常情況下只能得到大約如果選取，則此種情況下總的制冷系數(shù)最大。因?yàn)橹评淦鳠岫松崃勘壤涠水a(chǎn)冷量大許多倍，熱端放出的熱量為其所消耗的電功率之加上冷端負(fù)載之和，為得到較大溫差，第一級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)應(yīng)比第二級(jí)熱電堆元件對(duì)數(shù)大許多倍。由于這個(gè)原因以及溫度越低元件性能越差，并不是級(jí)數(shù)越多，溫差按比例提高。因此級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)不能很多，一般2到3級(jí)。如果選取，則多級(jí)熱電制冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多級(jí)熱電制冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器

串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是各級(jí)工作電流相同。級(jí)與級(jí)之間需要一層電絕緣導(dǎo)熱層，工藝比較簡(jiǎn)單，在要求同一溫差和和承受同一負(fù)載時(shí)比下面要介紹的并聯(lián)型要消耗較大的功率。圖所示分別為二，三，四，五級(jí)串聯(lián)型熱電堆。多級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器串聯(lián)型多級(jí)熱電堆并聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器

并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流較大，級(jí)與級(jí)之間無(wú)需電絕熱導(dǎo)熱層。達(dá)到同一溫差和承受同一負(fù)載時(shí)比串聯(lián)型耗電要小些，單線路設(shè)計(jì)上比較麻煩些，特別是要求負(fù)載較大的情況a,最簡(jiǎn)單的并聯(lián)型二級(jí)堆；b,一般并聯(lián)型二級(jí)堆，d,并聯(lián)型三級(jí)堆e,并聯(lián)型四級(jí)堆并聯(lián)型多級(jí)熱電制冷器并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流4、熱電制冷器的散熱方式空氣自然對(duì)流散熱

在很多小型熱電制冷器中，常采用空氣自然對(duì)流散熱的換熱系統(tǒng)，它需要一定形式的散熱片作為熱交換器。這種散熱方式的熱電制冷器的溫度分布如圖所示。制冷對(duì)象所要移走的熱量，通過(guò)冷端吸熱器與周圍空氣的熱交換吸收熱量，然后經(jīng)過(guò)連接片及絕緣層的導(dǎo)熱，使這些熱量被熱電堆冷端所吸收，經(jīng)熱電制冷效應(yīng)又把熱量移至熱端，再經(jīng)各層的導(dǎo)熱把熱量傳給熱端散熱器。4、熱電制冷器的散熱方式空氣自然對(duì)流散熱在很多小型熱強(qiáng)迫通風(fēng)散熱

散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可大大提高，在相同的散熱功率下，散熱面積相應(yīng)地縮小許多倍。水冷散熱

這種方法散熱的效率高，其換熱系數(shù)比空氣自然對(duì)流散熱大100到1000倍熱管散熱通常半導(dǎo)體制冷中傳統(tǒng)的散熱器采用的是翅片式散熱器，然而應(yīng)用熱管式散熱器，散熱效率要比傳統(tǒng)的翅片式高很多。目前熱管散熱器大多采用中空的圓柱形鋁管或銅管，其中一部分空間填充易于蒸發(fā)的液體，管壁有由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成的吸液芯。管內(nèi)空間始終保持真空狀態(tài)，因而其中液體的蒸發(fā)溫度與環(huán)境溫度相近。當(dāng)熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)候，蒸發(fā)端的液體就會(huì)迅速氣化。由于氣化后蒸汽壓力較大，在壓力差的作用下，蒸汽運(yùn)動(dòng)至冷卻端遇冷重新液化，氣體液化釋放熱量，從而把熱量從蒸發(fā)端帶向冷卻端。強(qiáng)迫通風(fēng)散熱散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可熱電制冷技術(shù)課件二、應(yīng)用方向

熱電制冷具有諸多特點(diǎn)，應(yīng)用開發(fā)幾乎涉及所有制冷領(lǐng)域，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場(chǎng)合，更有其優(yōu)越性。它在國(guó)防、科研、工農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于儀器儀表、電子元件、藥品、疫苗等的冷卻、加熱和恒溫。如無(wú)線電元件恒溫器、微機(jī)制冷器、紅外探測(cè)器制冷器、便攜式冰箱、旅游汽車?yán)錈醿捎孟?、半?dǎo)體空調(diào)器、軍用和醫(yī)用制冷帽、白內(nèi)障摘除器、病理切片冷凍臺(tái)、潛艇空調(diào)器等。半導(dǎo)體制冷器未來(lái)將向大功率與微小型方向發(fā)展，尤其在民用和其它市場(chǎng)開發(fā)項(xiàng)目中。二、應(yīng)用方向熱電制冷具有諸多特點(diǎn)，應(yīng)用開發(fā)幾乎涉及所1、小型恒溫器小型恒溫器是由一個(gè)或幾個(gè)制冷模塊構(gòu)成。用來(lái)使一些需要在恒定溫度下工作的電子器件保持恒溫。比如石英晶體振蕩器、鍺三極管或精密電阻等元器件。2、熱電設(shè)備在熱能傳感器中的應(yīng)用目前已經(jīng)開發(fā)了以帕爾帖效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)為原理的許多新型熱能傳感器。這些新穎的傳感器與常規(guī)傳感器相比性能已經(jīng)提高了不少。如低溫?zé)崃鱾鞲衅鳌⒊暡炼葌鞲衅?、冷凝水探測(cè)器、流體流動(dòng)傳感器、紅外傳感器、薄膜熱電傳感器都是熱電熱能傳感器。3、醫(yī)療保健、生物工程嬰兒保育箱對(duì)溫度、濕度要求較高，采用電加熱升溫和壓縮式制冷降溫的保育箱系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，而且升溫時(shí)電能利用效率低，降溫時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。利用熱電熱泵可使整個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)化和輕量化，安靜可靠，溫度、濕度控制更為方便；使用同樣容量的蓄電池，路途時(shí)間可以延長(zhǎng)1.8-3.6倍。4、集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)冷卻集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)熱電制冷技術(shù)降溫，既可以采用熱電制冷模塊與散熱器結(jié)合，對(duì)電子元件進(jìn)行局部冷卻，也可以通過(guò)獨(dú)立的熱電制冷裝置對(duì)其進(jìn)行整體降溫1、小型恒溫器半導(dǎo)體除濕機(jī)介紹除濕原理

用半導(dǎo)體