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热电制冷原理深度解读

导读: 热电制冷是利用珀尔帖效应的原理进行制冷的,其制冷效果主要取决于两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势,因此,可以用它来做成小型的热电制冷器。

热电制冷是利用珀尔帖效应的原理进行制冷的,其制冷效果主要取决于两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势,因此,可以用它来做成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质,又无机械运动部件,可靠性高,并可以逆向运转,在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。一、热电制冷的基本原理当任何两种不同的导体组成一电偶对,并通以直流电时,在电偶的相应接头处就会发生吸热和放热现象。但这种效应在金属中很弱,而在半导体中则比较显著。热电制冷的电偶是利用特制的N型和P型半导体用铜连接片焊接而成的。其结构原理如图1所示,图2是实际结构图。当直流电从N型流向P型时,则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象(称冷端),而在1、4端的铜连接片上产生放热现象(称热端)。如果电流方向反过来流,则冷、热端互换。

图1 热电制冷原理图

图2 热电制冷结构图热电制冷的原理可用载流子(电子或空穴)流过节点时势能的变化来解释。由于载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的,所以载流子在流过节点时,必然引起能量的传递;当载流子由较低的势能变到较高的势能时,必须吸收外界的能量;反之,必然要放出能量。这是研究热电制冷的基本出发点。热电制冷的吸热和放热是由载流子流过节点时,势能的变化而引起的能量传递过程。上部的金属片被冷却下来,成为冷端,而下部两个连接片均放热,成为热端。这就是热电制冷的本质。温差电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中塞贝克、珀尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能的相互转换是直接可逆的,而焦耳和傅里叶效应是热的不可逆效应。(1)塞贝克效应当两种不同导体连接在一起的一个节点加热,而另一个节点的温度保持不变,这时就可能产生电动势。其电压与节点间的温差成正比,即

式中 α——某一对材料的塞贝克系数(μV/℃);Δt——两节点之间的温差(℃)。(2)珀尔帖效应当直流电通过两种不同的材料时,节点上将吸热或放热,节点上的热量与电流成正比

式中 π——珀尔帖系数(V);I——电流(A)。塞贝克系数和帕尔帖系数之间的关系为式中 Tc——冷端温度(℃);

1α、α2——材料1和2的塞贝克系数(μV/℃)。因此,两种不同材料节点上吸收或放出的热量为

(3)汤姆逊效应当电流流过有温度梯度的导体时,在导体和周围环境之间将进行能量的交换,但由于其换热在热电制冷系统中影响较小,故可以忽略不计。(4)焦尔效应导体中通过电流时所产生的热量等于导体电阻R和电流I平方的乘积,即

(5)傅里叶效应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 A 和该方向的温差Δt成正比,即

式中 k——导热系数(W/(m·℃));δ——传热方向上材料的厚度(m)。在热电制冷中,由于存在傅里叶效应和焦耳效应,使热量从热节点流向冷节点。二、热电制冷器的结构热电制冷器是由热电(对)堆、冷板和散热器组成。冷板装在电堆的冷端。为了加强热交换,冷板可有不同形式,如肋片式、平板式等。散热器装在电堆的热端,散热形式可有强迫风冷、强迫水冷和自然冷却等。图3所示为热电制冷器的结构示意图。无论采用哪种冷却形式,都必须使冷板、制冷电偶堆和散热器三者之间的连接满足导热和电绝缘的要求。

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