半导体制冷
什么是半导体制冷冰箱

什么是半导体制冷冰箱
在当今快节奏的生活中,制冷冰箱成为了家庭中不可或缺的电器之一。
而随着科技的进步,半导体制冷冰箱作为新型制冷技术逐渐走入人们的生活。
那么,什么是半导体制冷冰箱呢?
半导体制冷是一种采用半导体材料制冷的技术,其实现的核心原理是Peltier
效应。
Peltier效应是指在通过两种不同导电性的半导体材料组成的热电偶上通过电流时,会产生一侧冷却,一侧加热的现象。
这种现象被称为Peltier制冷效应,是半导体制冷的基础。
半导体制冷冰箱相比传统压缩机制冷冰箱,具有以下优点:首先,半导体制冷冰箱体积小巧、无噪音,适合放置在卧室、办公室等静音要求较高的场所;其次,半导体制冷冰箱制冷速度快,降温均匀,不易产生霜冻,保持食材的新鲜度和口感更好;第三,半导体制冷冰箱能够实现快速制冷、快速加热切换,具有更强的可控性。
然而,半导体制冷冰箱也存在一些不足之处,主要包括降温能力相对较弱、制冷性能受外界环境温度的影响较大、制冷效率相对较低等问题。
因此,在选购半导体制冷冰箱时,消费者需根据自身需求和实际使用场景综合考量。
总的来说,半导体制冷冰箱作为一种新兴的制冷技术,具有各种优点,为人们的生活提供了更多的便利。
随着科技的不断进步和发展,相信半导体制冷技术会不断完善,为人们的生活带来更多的惊喜和便利。
《半导体制冷》课件

冷端散热器
将半导体组件的冷端热 量散发到环境中,保持
低温状态。
电源和控制模块
提供工作电压和电流, 控制半导体制冷系统的
运行状态。
半导体制冷系统的工作流程
热端散热器将热量散发到环境中,维持热平衡 。
通过电源和控制模块调节电流大小和方向,可以控制 半导体制冷系统的制冷量和温度。
通电后,电流通过半导体组件,产生珀尔贴效 应,即热量从热端通过半导体组件传递到冷端 。
03
半导体制冷系统的设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体制冷系统的设计原则
高效性
确保系统在运行过程中能够高效地转换电能 ,实现快速制冷。
安全性
设计时应充分考虑系统的安全性能,防止过 热、过流等潜在风险。
稳定性
系统应具备稳定的运行状态,保证制冷效果 的一致性和可靠性。
科研领域
用于精密测量和实验设备的制 冷和温度控制,如光刻机、质
谱仪等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
半导体制冷系统的组成和工作流程
半导体制冷系统的组成
热端散热器
用于将半导体产生的热 量散发到环境中,保持
系统正常工作温度。
半导体组件
由许多单体半导体元件 串联或并联组成,实现
半导体制冷系统的挑战和机遇
技术成熟度
目前半导体制冷技术尚未完全成熟,仍存在效率、稳 定性等方面的问题,需要进一步研究和改进。
成本问题
半导体制冷系统的制造成本较高,限制了其在一些低 端市场的应用。
政策支持
政府可以出台相关政策,鼓励企业加大半导体制冷技 术的研发和应用投入,推动产业发展。
什么叫半导体制冷

什么叫半导体制冷
半导体制冷是一种利用半导体材料的热电效应来实现制冷的技术。
在半导体材料中,当电流通过时,会在热电偶效应的作用下产生温度变化。
利用这种效应,可以将热量从一个地方转移到另一个地方,从而达到制冷的效果。
工作原理
半导体制冷装置通常由一个热电靶和一个冷却器组成。
当外加电压通过热电靶时,热电效应使得靶子一侧变热,而另一侧则变冷。
这样就实现了热量从一侧转移到另一侧的目的,达到了制冷的效果。
应用领域
半导体制冷技术在许多领域有着广泛的应用。
比如在电子元器件的冷却、医疗设备的制冷、红外探测器的工作温度控制等方面都有着重要的作用。
随着半导体技术的不断发展,半导体制冷技术也在不断完善和应用扩展。
优点
相比传统制冷技术,半导体制冷具有一些明显的优点。
首先,半导体制冷设备体积小、重量轻,具有更高的灵活性和可移动性;其次,半导体制冷无需使用冷却剂,对环境友好;另外,半导体制冷技术响应快速,控制精度高,具有较好的节能效果。
发展趋势
随着科学技术的不断进步,半导体制冷技术将会继续得到发展和应用。
未来,随着人们对节能环保技术的需求不断增加,半导体制冷技术将有望在更多领域得到广泛应用和推广,为人类社会带来更为便捷和舒适的生活。
半导体制冷技术

半导体制冷技术实物图半导体制冷又称电子制冷,或者温差电制冷,是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,它利用特种半导体材料构成的P-N结,形成热电偶对,产生珀尔帖效应,即通过直流电制冷的一种新型制冷方法,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
1834年,法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上,通电后,他惊奇的发现一个接头变热,另一个接头变冷;这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。
"帕尔帖效应"的物理原理为:电荷载体在导体中运动形成电流,由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级,当它从高能级向低能级运动时,就会释放出多余的热量。
反之,就需要从外界吸收热量(即表现为制冷)。
所以,"半导体制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差,即热电势差。
纯金属的导电导热性能好,但制冷效率极低(不到1%)。
半导体材料具有极高的热电势,可以成功的用来做小型的热电制冷器。
但当时由于使用的金属材料的热电性能较差,能量转换的效率很低,热电效应没有得到实质应用。
直到本世纪五十年代,苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究,于1945年前发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。
这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。
约飞的理论得到实践应用后,有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数,达到相当水平,才得到大规模的应用。
80年代以后,半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高,进一步开发热电制冷的应用领域。
二、半导体制冷片制冷原理原理图半导体制冷片(TE)也叫热电制冷片,是一种热泵,它的优点是没有滑动部件,应用在一些空间受到限制,可靠性要求高,无制冷剂污染的场合。
半导体制冷片的工作运转是用直流电流,它既可制冷又可加热,通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热,这个效果的产生就是通过热电的原理,上图就是一个单片的制冷片,它由两片陶瓷片组成,其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋),这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成. 半导体制冷片的工作原理是:当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生能量的转移,电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量,成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量,成为热端。
车载冰箱半导体制冷和压缩机制冷哪个好

车载冰箱:半导体制冷与压缩机制冷对比在选择适合车载冰箱的冷却方式时,常见的选择是半导体制冷和压缩机制冷。
这两种工作原理和性能略有不同,下面将就这两种冷却方式作对比分析,帮助消费者选择更适合的车载冰箱。
半导体制冷半导体制冷是一种基于Peltier效应的制冷技术。
在半导体冰箱中,通过把电流通入两种不同材料的接触处,产生一种热电效应,一个端口变热,另一个变冷,从而实现制冷目的。
这种制冷方式简单、体积小,适合小型车载冰箱。
同时,半导体制冷具有无噪音、无振动、不易损坏的特点,使用寿命较长。
然而,半导体制冷的降温效率较低,制冷能力小,对环境温度较敏感。
在高温环境下,制冷效果不佳,且功耗较大。
因此,如果需求较大的制冷容量和强制降温效果,半导体制冷可能无法满足需求。
压缩机制冷相比之下,压缩机制冷是传统的制冷技术,同样被广泛应用于车载冰箱中。
压缩机制冷利用制冷剂不断循环压缩、膨胀的原理,通过机械运作来降低箱体内的温度。
这种方式制冷效果稳定,制冷能力强,适用范围广。
然而,压缩机制冷的体积较大,制冷过程中会产生噪音和振动,且易受到外界震动影响。
此外,由于机械部件较多,容易受到磨损和损坏,使用寿命相对较短。
综合比较综合来看,半导体制冷适合对噪音和体积有要求的用户,且相对稳定的环境下,可以提供持续稳定的制冷效果。
而压缩机制冷适用于对制冷效果和容量要求较高的用户,能快速降温。
在选择车载冰箱时,消费者可以根据实际需求和使用环境综合考虑,选购适合自己的制冷方式。
最终选择应根据实际情况做出决定,以保证使用体验和制冷效果最佳。
以上是对车载冰箱中半导体制冷与压缩机制冷的对比分析,希望可以帮助消费者在购买车载冰箱时做出更明智的选择。
半导体制冷技术介绍

半导体制冷技术介绍半导体制冷技术是一种新型的制冷技术,它利用半导体材料的特性来实现低温制冷。
相比传统的制冷技术,半导体制冷技术具有多个优势,如体积小、重量轻、无噪音、无振动、无污染等,所以在一些特殊领域有着广泛的应用前景。
半导体制冷技术的原理是基于热电效应。
热电效应是指在两个不同材料的接触处,当一侧加热,另一侧就会产生电压差。
这种现象被称为“热电效应”。
根据泊松方程和扩散方程的理论,当半导体材料受热时,该材料中的载流子浓度会发生变化,从而使得材料的导电性发生变化。
通过适当的热供给控制,可以在半导体材料中形成冷热电偶,从而实现制冷效果。
1.当电流通过半导体材料时,电子和正空穴被激发出来。
2.这些激发的电子和正空穴在材料中扩散,并通过材料的电场被引导到材料的两个端口。
3.当电子和正空穴在两个端口重新复合时,它们释放出的能量形成的热量被吸收。
4.通过合理的设计材料和电流控制,在一个材料内发生了低温部分和高温部分。
5.低温部分吸收热量,高温部分释放热量,形成了一个循环,实现制冷效果。
1.高效能:半导体材料的导热系数非常高,所以制冷效果好,能耗低。
2.绿色环保:半导体制冷技术无需使用氟利昂等对大气层有害的冷媒,无污染、无噪音、无振动,对环境友好。
3.体积小巧:半导体材料的体积很小,制冷设备体积也相应减小。
4.可靠性高:半导体材料具有一定的耐用性和稳定性,能够长时间稳定工作。
5.适应性强:半导体材料可以根据需求进行设计和制备,适用于各种不同制冷需求的场合。
半导体制冷技术目前已经在一些特定领域得到了实际应用。
比如,半导体制冷技术被应用于生物医学领域,可以用于制冷病理组织样本、细胞培养、药物储存等。
此外,半导体制冷技术还常用于光电子设备的制冷,比如半导体激光器、红外探测器等。
当然,半导体制冷技术也存在一些挑战。
比如,制冷能力有限,无法实现极低温。
此外,成本较高也是一个限制因素,需要进一步的技术研发和成本降低。
总之,半导体制冷技术作为一种新兴的制冷技术,在很多领域有着广泛的应用前景。
半导体制冷是什么

半导体制冷是什么
半导体制冷是一种利用半导体材料特性实现制冷的技术。
在我们日常生活中,制冷技术被广泛应用于空调、冰箱等家用电器中,以提供舒适的生活环境。
而半导体制冷作为制冷技术的一种新兴形式,具有一些独特的优势和特点。
工作原理
半导体制冷利用半导体材料在通电时表现出的热电效应来实现制冷。
基本原理是通过施加电流,半导体材料会发生热电效应,即在材料上形成温度差,从而实现制冷效果。
这种热电效应可以按照泡利定律来理解,即在几种材料之间建立温差。
优势
相较于传统的压缩式制冷技术,半导体制冷有一些显著的优势。
首先,半导体制冷设备体积小,重量轻,可以实现微型化,适用于一些需要小型化制冷设备的应用场景。
其次,半导体制冷工作时几乎没有噪音,能够提供更加静音的制冷服务。
此外,半导体制冷设备寿命长,维护成本低,具有较高的可靠性和稳定性。
应用领域
半导体制冷技术目前在一些特定领域得到应用。
例如,医疗领域中,可以用于激光器、光电探测器等高精密仪器的制冷;在光电通信中,可用于激光器的散热;在航空航天领域,可用于卫星的冷却。
随着技术的不断进步,半导体制冷技术有望在更多领域得到广泛应用。
结语
总的来说,半导体制冷技术作为一种新兴的制冷技术,具有许多优势和潜力。
虽然目前在实际应用中受到一些限制,但随着技术的不断进步和应用领域的扩大,相信半导体制冷技术将会在未来得到更广泛的发展和应用。
半导体制冷

半导体制冷片
(热电制冷片),是由上百对热电偶联成的热电堆。
08:44:05
30
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:05
1 半导体制冷片的结构及材料
基板 一般是陶瓷片,主要成分是95
%氧化铝。起电绝缘、导热和支撑作 用。在其表面烧结有金属化图形。
导流条 其成分多是无氧铜,起导电
和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的 金属化图形上。
(2-16) (2-17)
式中 r=1/ρ ——热电元件材料的 电导率
由此可见: 热电制冷的最大温差取决于材料的 α、r、λ 综合参数。此综合参数称为制造电偶对材料的优值系数Z ,即
组成的一个
Z 2r
44
(2-18)
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:06
优值系数
优值系数Z
, 只与电偶材料的物理性质(温差电动势、电导率、导热系数)有关。是评价电偶
2 功率
w I 2 R (Th Tc )I
(2-8)
3 制冷系数
Q0 w
ITc 0.5I 2R k (Th I 2R (Th Tc )I
Tc
)
(2-9)
40
概述 原理 特点 系统 应用
4 制热系数
Qh 1
w
5 冷热端温差
T
Th
Tc
1 k
[I
Tc
0.5I 2 R]
(2-10) (2-11)
处于导通状态。
08:44:04
19
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:04
PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由
于电流很小,故可近似认为其截止。
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1
概述 原理 特点 系统 应用
导电机制
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
- - --
++ + +
- - --
++ + +
- - --
++ ++
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关
多子浓度——与温度无关
大制冷量只和电偶的尺寸有关,短粗的电偶制冷量 大,细长的电偶制冷量小。
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
(3)制冷系数最佳的条件
对式
Q w 0IT cI 2R 0. 5I2(R Th kT (T ch )ITc)
对电流取偏倒数,并令其等于零,得到 与最大制冷系数相对
应的电流
Iopt
QT=-τΙΔT
2020/6/13
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概述 原理
特点
系统
应用
历史
现状
2020/6/13
国外(分为三个阶段)
19世纪30年代~ 20世纪50年代
使用的金属材料的热电性能较差, 能量转换的效率很低,无实用价值, 热电效应没有得到实质应用
20世纪50年代~ 20世纪80年代 半导体材料的广泛应用,热电 效应的效率大大提高,热电发 电和热电制冷进入工程实践。 . 20世纪80年代~ 至今
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概述 原理 特点 系统 应用
背景知识
热电效应
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
一 半导体及其特性
1、什么是半导体?
物体按导电能力分类
导体——具有良好的导电能力的物体 (如铜、银、铝) 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的 物体(如锗、硅、砷化镓及 许多金属氧化物) 绝缘体——导电能力很差的物体(如橡胶、 塑料、陶瓷等) 半导体的特性:光敏特性、热敏特性和掺杂特性
若将半导体制冷系数提高到2.0以上,则其优值系数需提高
到 1310 -3K1的水平。
目前为止室温下优质系数最高的材料是Ag0.58Cu0.29 Ti 0.29Te 四元合金,在300K时的优值系数可达 Z5.71-3 0 K1
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
(2)制冷量最大的条件
由 Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
半导体制冷特点
1
概述 原理 特点 系统 应用
优点
无制冷剂 无运动部件 尺寸小质量轻 不受空间方向影响
温度调控精度高 冷热转换方便 制热迅速 寿命长
2020/6/13
1
概述
缺点
原理
1 制冷效率低
特点
系统
2 应用范围有限
应用
3 经济性差
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概述 原理 特点
4 制冷性能最佳分析
1.最大温差
系统
2.最大制冷量
应用
3.最佳经济性
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
(1)获得最大温差△Tmax的条件
在电流I 为某一定值的情况下,令Q0 =0 ,由式(2-7)得:
ThTc1 k[IT c0.5I2R]
(2-12)
将上式对I 取偏导数,并令其等于零,就可以求出 最佳电流
1
概述 原理 特点 系统 应用
4、PN结的形成及其单向导电性
P区空穴 浓度远高
于N区。
扩散运动
2020/6/13
N区自由 电子浓度 远高于P
区。
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概述 原理 特点 系统 应用
4.1 PN结的形成
2020/6/13
漂移运动
1
概述 原理 特点 系统 应用
4.2PN结的单向导电性
PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,
(2-3)
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L ,电阻率
为ρ1及ρ2,截面积为s1和s2 则
特点
R L( ρ1 2 )
s1
s2
(2-4)
由于半导体的导热,从电堆热端还要传给冷端一定的导热量
系统 :
Qk k(ThTc)
(2-5)
应用
式中k ——长L 的热电元件 总导热系数
若两电偶臂的导热系数及截面积分别为λ1和λ2 ,s1和s2
若不考虑各种可能的损失,由热力学第一定律:
Qh = Q0 + W
(2-
冷端的珀尔帖吸热量Qπ
1)
Q I
(2-
2)
Tc
π为peltier系数, α为塞贝克系数(温差电动势率
),二者均与半导体自身的物理化学性质有关。
2020/6/13
1
当电流通过电偶对时,热电元件内要放出焦耳热。焦耳热
概述 原理
:
Qj I 2R
目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶 体合金其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3
N型是Bi2Te3—Bi2Se3 还有其他如:
P型 Ag Ti Te N型 Bi2Sb合金
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
2 半导体制冷工作原理
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
(2-8)
3 制冷系数
Q w 0IT cI 2R 0. 5I2(R Th kT (T ch )ITc) (2-9)
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
4 制热系数
Qh 1
w
5 冷热端温差
(2-10)
TT hT c1 k[Ic T 0.5I2R ] (2-11)
2020/6/13
机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性
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概述 原理 特点 系统 应用
3 制冷特性
1. 制冷量 2. 功率 3. 制冷系数 4. 制热系数 5. 冷热端温差
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
首先讨论一对热电偶的制冷特性
设热结点的温度Th ,向外界释放的热量为Qh ;冷结点温度Tc ,从外界吸收的热量(制冷量)为Q0 ,热电偶输入电功率为W, 回路中电流为I。
随着人们对半导体材料内部结构特点的了解,发现 了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
三 热电效应
半导体制 冷的最基 本依据
1.塞贝尔(seebeck)效应 2.珀尔帖(peltier)效应 3.汤姆逊(thomson)效应
1
概述 原理 特点 系统 应用
(2-7)
可以看出,工作温度一定时,制冷量的大小与电流有关,对
式(2-7)对电流求偏导数并令其为零。得到
Tc IR0
使制冷量Q0取得极值的电流为
I Q0 opt
Tc
R
(2-
19)
Q0, ma( x 2TR c) 2-K(Th-Tc)
(220)
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
可见 一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关( Th 一定时); 当工作温度和材料性质(α、λ、ρ)一定时,最
形成扩散电流,PN结处于导通状态。
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,
形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截 止。
2020/6/13
1
概述 原理 特点 系统 应用
二 为什么选择半导体
普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。例 如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋 (Sb-Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1 % ,根 本没有实用价值。
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
当前研究的热点及难点
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高优质系数的半导体材料
2
冷热端散热的设计
3
半导体制冷新理论及半导体制冷新技术
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷空调
2020/6/13
定义 结构
分类
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷片
(热电制冷片),是由上百对热电偶联成的热电堆。
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
1 半导体制冷片的结构及材料
基板 一般是陶瓷片,主要
成分是95%氧化铝。起电绝
缘、导热和支撑作用。在其
表面烧结有金属化图形。
则:
kL1(1s1 2s2)
(2-6)
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
冷端从外界吸收的热量(制冷量) Q0 Qπ12Qj Qk
1 制冷量
Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
(2-7)
电偶对工作时,电源既要对电阻做功,又要克服热电势做功,
故消耗的 功率 为
2 功率
wI2R(ThTc)I
半导体制冷
张昆
1 概述 2 原理 3 特点 4 系统 5 应用
2020/6/13