TEC热电冷却器简介

TEC Thermo Electric Cooler简介

1 半导体制冷帕尔贴效应Peltier Effect

当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。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，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热便转变成放热。

如图1 所示热电制冷器的基本元件是电偶，由金属电桥连接两个电偶臂组成。一个电偶臂用P型半导体材料制作，另一个电偶臂用N型半导体材料制作。

电偶两端加上直流电压后，外电场迫使载荷体在回路中按一定的方向运动。金属和N型半导体中的载荷体是电子，P型半导体中的载荷体是空穴。空穴的运动方向与电流方向相同。电子的运动方向与电流相反。电子在金属中的能量低于在N型半导体中的能量。电子从金属流入N型电偶臂时，需要吸收热量，在这样的结点可观察到吸热效应；电子从N型电偶臂流入金属时，电子从高能态流入低能态释放热量。在这样的结点处可以观察到放热效应。P型电偶臂中空穴反电子方向运动，所以电子从金属与P型臂一个结点处相遇发生复合，释放能量，结点产生放热效应；在另一个结点电子和空穴在电场作用下分离，需要吸收能量，在此处产生吸热效应。因此图1中可以观察到金属电桥的一侧变冷，另一侧变热。对某侧的金属电桥来说，要获得相反的效应从制冷变为加热，或从加热变为制冷。只要改变电流方向，就可改变制冷方向。

图1   帕尔贴效应示意图

吸收热量的一端成为冷端，放出热量的一端成为热端。吸收的热量称为帕尔贴热。帕尔贴热与外加电源所提供的回路电流成正比，即：

其中

为帕尔贴系数，I 为流过导体的电流，T 为绝对温度。是塞贝克系数。塞贝克系数是一个常数由两个材料的性能决定。对于PN结

     （2）

和分别是分别是P型和N型温差电动率系数（塞贝克系数）。

由于碲化铋等半导体材料具有优异的热电性能，使帕尔贴效应非常显著。因此，以碲化铋材料制备的半导体制冷器不断得到推广和应用，出现了上百种性能各异和形状大小不一的器件，被广泛应用于各种特殊制冷场合。

图2 TEC制冷片

2塞贝克效应：

当两种不同材料、不同温度的导体组成闲合回路时，接触点存在温度差△T，那么就会在闭合回路中产生电流，同时在导体两端产生一个电动势△U，这种电动势就被称为塞贝克电动势，这种效应称为塞贝克（Seeback）效应。

塞贝克电动势△U的大小与温差△T 是正比关系。△T越大，△U就越大。用表达式表示为

当△T的数值不是很大的时候，为一个常数。这个系数的值不是由一种材料决定的，而是由一对材料共同决定的。

从微观方向来说，塞贝克效应是由于温度梯度的作用导致半导体内载流子分布发生变化造成的。例如有一根金属棒，它的两端存在着温度差。可知道的是，热端自由电子的平均动能比冷端要高。热端自由电子流向冷端的速度也会比冷端自由电子流向热端的速度更大，送样就会在金属内部产生电势。随着热端的自由电子流向冷端，冷端自由电子会变多，从而在金属内部形成内建电场，阻碍电子进一步积累。但只要存在温度梯度，电流就不会消失。

3 傅立叶效应

傅立叶效应是指在均匀介质中沿某个方向在单位时间内传导的热量。该热的大小正比于该方向的温度梯度和垂直于该方向的面积的乘积。其表达式为：

式中△T为导体热端与冷端的温差，k代表导体的热导率，K为总热导。

5 半导体制冷主要性能参数

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的所能达到最大的温差利用这个参数，可以估算出制冷环境中所需要的半导体组件的对数，及制冷的时间等。

最大电流（Imax）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）指半导体制冷器在冷端能吸收的最大热负荷。

最大电压（Vmax）指的半导体制冷器在最大温差电流Imax作时的电压。

制冷系数（Coefficient of Performance，COP）。定义为制冷功率（制冷运行时）或制热功率（制热运行时）与输入功率之比值。

6 TEC的特点

TEC热电制冷是借助于电子或空穴在运动中直接传输能量而制冷的。这使它在结构上与采用制冷剂传递能量的其他各种制冷有显著的不同。

具有下述特点

1）结构简单，整个制冷器由热电堆和导线连接组成，无任何机械运动部件，因而无噪声，无磨损，可靠性高，寿命长，维修方便。

2）体积小，特别在小冷量，小体积用冷场合有独到之处。

3）启动快，控制灵活。只要接通电源，即可迅速制冷。冷却速度和制冷温度都可通过调节工作电流实现。

4）操作具有可逆性，即可用来制冷，又可通过改变电流方向作制热用，因而可以用来做高于室温到低于室温范围内的恒温器。

5）热电制冷的主要缺点是效率低，耗能大。由于缺少更好的半导体材料，限制了它发展。在大容量的情况下，热点制冷的效率比蒸汽压缩式制冷低；产冷量在20W以下，温差不超过50℃时，热电制冷效率高于压缩式制冷的效率。

审核编辑 ：李倩