TEC热电冷却器简介

1半导体制冷的珀尔帖效应

当电流流过由不同导体组成的电路时，除了不可逆的焦耳热外，电流方向不同的导体连接处还会发生吸热和放热。这是帕尔贴在1834年发现的。电荷在导体中移动形成电流。因为电荷载流子在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级移动到低能级时，就释放出多余的能量。相反，当从低能级移动到高能级时，从外部吸收能量。在两种材料的界面上，能量以热的形式被吸收或释放。这种影响是可逆的。如果电流方向反过来，吸热就会转化为放热。

如图1所示，热电制冷器的基本元件是热电偶，由两个热电偶臂通过金属桥连接而成。一个热电偶臂由P型半导体材料制成，另一个热电偶臂由N型半导体材料制成。

当DC电压加在热电偶两端时，外加电场迫使负载体在回路中沿某一方向运动。金属n型半导体中的载流子是电子，p型半导体中的载流子是空穴。空穴的运动方向与电流的运动方向相同。电子的运动方向与电流方向相反。电子金属中的能量低于N型半导体中的能量。当电子金属流入N型热电偶臂时，需要吸热，在这样的节点处可以观察到吸热效应。当电子从N型热电偶臂流入金属时，电子从高能态流入低能态释放热量。在这些节点上可以观察到放热效应。P型电耦合臂中的空穴向电子的反方向移动，于是电子在金属和P型臂的结处相遇并复合，释放能量，结产生放热效应；在另一个节点，电子和空穴在电场的作用下分离，需要吸收能量，在这里产生吸热效应。因此，在图1中可以观察到，金属桥的一侧变冷，而另一侧变热。对于一侧的金属桥，从冷却到加热，或者从加热到冷却，应该得到相反的效果。只要改变电流方向，就可以改变冷却方向。

图1珀尔帖效应示意图

吸热的一端成为冷端，放热的一端成为热端。吸收的热量称为珀尔帖热。珀尔帖热与外部电源提供的回路电流成正比，即：

在…之中

是帕尔贴系数，I是流过导体的电流，t是绝对温度。它是泽贝克系数。Zeebek系数是一个常数，由两种材料的性质决定。对于PN结

(2)

分别为P型和N型热电系数(Zeebek系数)。

由于碲化铋等半导体材料具有优异的热电性能，因此帕尔贴效应非常显著。因此，碲化铋材料制成的半导体制冷器不断得到推广应用，出现了数百种不同性能和形状的器件，广泛应用于各种特殊制冷场合。

图2 TEC制冷表

2塞贝克效应：

当两个不同材质、不同温度的导体形成一个开环，且接触点有温差T时，在闭环中会产生电流，同时导体两端会产生电动势U。这个电动势叫做齐贝克电动势，这个效应叫做齐贝克效应。

泽贝克电动势U的大小与温差 T成正比.T越大，U也越大。表示为

当T的值不是很大时，它是一个常数。这个系数的值不是由一种材料决定的，而是由一对材料决定的。

从微观的角度来看，塞贝克效应是由于温度梯度的作用导致半导体中载流子分布的变化。比如有一根金属棒，两端有温差。已知自由电子在热端的平均动能高于冷端。自由电子从热端到一氧化碳的速度

3傅立叶效应

傅立叶效应是指在均匀介质中，单位时间内沿某一方向传导的热量。热量与该方向的温度梯度和垂直于该方向的面积的乘积成正比。表达式是：

其中T为导体热端和冷端的温差，k代表导体的导热系数，k为总导热系数。

5半导体制冷的主要性能参数

反映半导体制冷器制冷性能的主要参数是最大电流、最大温差、最大制冷功率和最大电压。

最大温差Tmax是指半导体在某种工作模式下所能达到的最大温差。使用该参数，可以估计制冷环境中所需的半导体元件的数量和制冷时间。

最大电流(Imax)是指半导体制冷器能达到最大温差时的工作电流。

最大制冷功率(Qcmax)是指半导体制冷器在冷端能够吸收的最大热负荷。

最大电压(Vmax)是指使用最大温差电流Imax时半导体制冷器的电压。

性能系数。它被定义为冷却功率(在冷却操作期间)或加热功率(在加热操作期间)与输入功率的比率。

6 TEC的特点

TEC制冷是通过运动中的电子或空穴直接传递能量的方式制冷。这使得它在结构上明显不同于其他利用制冷剂传递能量的制冷方式。

具有以下特点

1)结构简单，整个冰箱由热电堆和导线连接组成，没有任何机械运动部件，所以无噪音，无磨损，可靠性高，使用寿命长，维修方便。

2)体积小，特别是在制冷量小，体积小的场合。

3)启动快，控制灵活。只要打开电源，就能快速冷却。冷却速度和冷却温度都可以通过调节工作电流来实现。

4)运行是可逆的，即通过改变电流方向可以用于制冷和制热，因此在室温以上至室温以下的范围内可以作为恒温器使用。

5)热电制冷的主要缺点是效率低，能耗高。缺乏更好的半导体材料限制了它的发展。在大容量的情况下，热点制冷的效率低于蒸汽压缩制冷。当制冷量在20W以下，温差在50以下时，热电制冷效率高于压缩制冷。

编辑：李倩

标签：制冷电流半导体