热电制冷技术

1 1 2 Qhc QJ QK I R KT 2 2
由传导给冷结点的总热量影响了帕尔贴制冷，因此，把它减掉就得到了单个 热电偶的纯产冷量：
1 2 Q0 ( P N ) ITC I R KT 2
3、制冷原理
若我们把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当做电流来看，则每种材料载流子的势能不 同。因此，为满足能量守恒的要求，载流子通过结点时必然与其周围环境进行能量交换。这就是 帕尔贴效应。如右图，n型材料有多余的电子，有负温差电势。p型材料电子不足，有正温差电势。 当电子从p型穿过结点至n型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这 一点可用温度降低来证明。反之，当电子从n型流至p型材料时，结点的温度就升高。 右图所示的连接方法在实际中无用，因此要用左图的连接方法代替。在上面的一个接头处， 电流方向是n到p,温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头，电流方向是p到n，温 度上升并且放热，因此是热端。
1、五种效应
塞贝克效应：塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温 度不同，其 周围就会出现磁场，进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存 在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。
如图所示,由a、b两种不同材料构成的电路, 若两个接点A、B之间存在温差△T，则在点 C、 D 之间会产电动势Eab.Eab的大小与接点间的 温度正比：
一对热电偶在热端放出的热量：
1 2 QH Q0 N 0 ( P N ) ITH I R KT 2
使制冷器获得最大的制冷量是设计追求的指标之一。从制冷量的计算式可知， 当工作温度、半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的大小只与电流有关。帕 耳帖热越大，焦耳热越大，则制冷量越大。帕耳帖热与电流成正比，焦耳热与电流 的平方成正比，故存在着使制冷量最大的电流，求导，得到最佳电流和最大制冷量：
热电制冷技术的 发展与应用
BY：袁丽芬 能动B22 2120301172 西安交通大学
目录
制冷原理 应用方向
优势与劣势
发展
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一、制冷原理
热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是在1834年发现的帕尔 贴效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。总的 热电效应的包含五中不同的效应。其中塞贝克、帕尔贴和汤姆逊三种 效应表明热和电能相互转换开始直接可逆的。另外两种效应是热的不 可逆效应，即焦耳和傅里叶效应。
热电制冷是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷 压缩机的作用，冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端及其热 交换器相当于冷凝器。通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆 的冷端想热端运动，相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端， 通过热交换器吸热，同时产生电子-空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中吸热和蒸 发。在热电堆的热端，发生电子-空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于 制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
a,最简单的并联型二级堆；b,一般并联型二级堆，d,并联型三级堆e,并联型四级堆
4、热电制冷器的散热方式
空气自然对流散热
在很多小型热电制冷器中，常采用空气自 然对流散热的换热系统，它需要一定形式的散 热片作为热交换器。这种散热方式的热电制冷 器的温度分布如图所示。制冷对象所要移走的 热量，通过冷端吸热器与周围空气的热交换吸 收热量，然后经过连接片及绝缘层的导热，使 这些热量被热电堆冷端所吸收，经热电制冷效 应又把热量移至热端，再经各层的导热把热量 传给热端散热器。
二、应用方向
热电制冷具有诸多特点，应用开发几乎涉及所有制冷领域，尤其在制冷量不大， 又要求装置小型化的场合，更有其优越性。它在国防、科研、工农业、气象、医疗卫 生等领域得到了广泛应用，用于仪器仪表、电子元件、药品、疫苗等的冷却、加热和 恒温。如无线电元件恒温器、微机制冷器、红外探测器制冷器、便携式冰箱、旅游汽 车冷热两用箱、半导体空调器、军用和医用制冷帽、白内障摘除器、病理切片冷冻台、 潜艇空调器等。半导体制冷器未来将向大功率与微小型方向发展，尤其在民用和其它 市场开发项目中。
Eab ab T
式中α ab称为塞贝克系数，又称为材料对的 温差电动势率，
帕尔贴效应：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热 或放热现象。帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程。直流电回路时，回路的一端吸 收热量，另一端则放出热量。吸热量称为帕耳帖热，它正比于电流 I:
Q p ab I
焦耳效应：单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积：
QJ I R I
2
2
l
S
傅里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的 面积和该方向的温度梯度的乘积成正比:
QK KT
2、热电制冷的产冷量
在制冷热电偶中，一个结点上放热，而另一个结点上吸热，因此两个结点间有 温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。因热电偶内流动的电流产生焦耳热， 使局部温度升高，温度升高就使更多的热流向冷结点，起了增加从热结点至冷结点 总热量的作用。若热在电流为I的导体上达到平衡，则传导给冷结点的纯热流可用一 维傅里叶方程来表示：
5、热电制冷的基本公式
一对电偶消耗的电功率为：
N0 UI I 2 R I ( P N )T
一对电偶的制冷系数定义为为：单位电功率所能吸收的热量：
1 2 R I ( P N )T
1 2 Tmax ZTC 2 ( P n ) 2 2 Z RK RK
Z是热电偶的优值系数，是衡量热电偶对的最佳因素，它的值只与电偶的材料的 物理性质有关，反映了电偶的热电特性。Z值越大，则制冷量，制冷效率也越大，因 此，提高优值系数是改善半导体制冷性能的根本措施。图1为制冷量，性能系数，冷热 端温差三者之间的关系，图2为Z值与温差之间的关系
多级热电制冷器的实验数据
多级热电堆的结构 串联型多级热电制冷器 串联型多级热电堆的特点是各级工作电流相同。级与级之间需要一层电绝 缘导热层，工艺比较简单，在要求同一温差和和承受同一负载时比下面要介绍 的并联型要消耗较大的功率。图所示分别为二，三，四，五级串联型热电堆。
并联型多级热电制冷器 并联型多级热电堆的特点是工作电流较大，级与级之间无需电绝热导热 层。达到同一温差和承受同一负载时比串联型耗电要小些，单线路设计上比 较麻烦些，特别是要求负载较大的情况
则总的温差为:
T T1 T2 T3
总的制冷系数为：
1 1 1 [(1 )(1 )(1 ) 1]1 1 2 3
如果选取
1 2 3 0 ，则

(1
1 1
0
)3 1
此种情况下总的制冷系数最大。 因为制冷器热端散热量比冷端产冷量大许多倍，热端放出的热量为其所消耗的电功 率之加上冷端负载之和，为得到较大温差，第一级热电堆元件对数应比第二级热电堆元 件对数大许多倍。由于这个原因以及温度越低元件性能越差，并不是级数越多，温差按 比例提高。因此级联的级数不能很多，一般2到3级。
I Q0 max Q0 max
TC
同时，性能系数对电流求导，则可得制冷系数取最大时的最佳电流：
R (TC ) 2 K T 2R
I OP ( 1
T
1 ZT 1) R 2 1 1 T Z (TH TC ) H 2 TC 1 1 Z (TH TC ) 1 2
半导体除湿机介绍
除湿原理 用半导体冷端制冷量对空气冷凝除湿，除湿原理如图所示，待处理的空气为 状态点 1，吸收制冷器冷端产生的冷量冷凝除湿后变为状态点2，由风扇作用强 制将处理后的空气通过半导体制冷器的热端，吸热升温后变为状态点3，最终送 入室内。
除湿过程中，湿空气的含湿量由d1变为d2，温度由t1冷却为t2,除湿量为：
ab abT
式中 ab 称为帕尔贴系数
汤姆逊效应：若电流通过有温度梯度的导体，则在导体与周围环境之间将进行能量 交换，这种现象称为汤姆逊效应。实验得出单位长度吸收或放出的热与电流和温度 梯度的乘积成比例：
dT QT I dx
QT—每单位长度导体的吸（放热）率，也 称汤姆逊热 τ —比例常数，称为汤姆逊系数； I—通过导体的电流； dT/dx—温度梯度 一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热 分析计算中处于次要地位，其数值与帕耳帖效 应相比甚微，作为工程或设计计算，可以忽略 不计。
把若干对半导体热电偶在电路上串联起来。而在传热方面则是并联的，这就 构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下 面是热端。借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一 定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中取吸热降温，这就是热电制冷器的工 作原理。
4、热电制冷与机械压缩式制冷的比较
3、多级制冷热电堆
一级热电堆在通常情况下只能得到大约60度的温差，为了得到更大的温差和更 低的温度，可用级联的方法制造多级制冷器，第二级热电堆热端贴在第一级热电堆 的冷端上，第一级热电堆实际上起到第二级的散热器的作用，如图所示为三级热电 堆示意图： 设第一，二，三级热电堆的温差和制冷系数分别为
T 1 , T 2 , T 3 ; 1 , 2 , 3
强迫通风散热 散热器采用强迫通风以后，其对流换热系数可大大提高，在相同的散热功率下， 散热面积相应地缩小许多倍。 水冷散热 这种方法散热的效率高，其换热系数比空气自然对流散热大100到1000倍 热管散热 通常半导体制冷中传统的散热器采用的是翅片式散热器，然而应用热管式散热器， 散热效率要比传统的翅片式高很多。目前热管散热器大多采用中空的圆柱形铝管或铜 管，其中一部分空间填充易于蒸发的液体，管壁有由毛细多孔材料构成的吸液芯。管 内空间始终保持真空状态，因而其中液体的蒸发温度与环境温度相近。当热管两端产 生温差的时候，蒸发端的液体就会迅速气化。由于气化后蒸汽压力较大，在压力差的 作用下，蒸汽运动至冷却端遇冷重新液化，气体液化释放热量，从而把热量从蒸发端 带向冷却端。