温差热电制冷器研究与应用

2014-12-23田聪

山东工业技术 2014年13期

关键词：珀尔热电偶热电

田聪

（黑龙江工业学院，黑龙江鸡西 158100）

温差热电制冷器研究与应用

田聪

（黑龙江工业学院，黑龙江鸡西 158100）

温差热电技术研究热能和电能相互转换，分为温差发电和温差制冷两大分支，其中温差制冷技术是一种环保的制冷技术，具有独特优点。简要介绍温差热电技术，着重探讨温差热电制冷器研究与应用。

温差电技术；半导体制冷；温差制冷

1 前言

能源是人类社会生存与发展的基础。能源危机和环境压力，使人们越来越意识到能源的重要性，因此开始采用开源节流的战略，即一方面节约能源，另一方面开发绿色无污染的新能源，研究提高能源利用率的方法[1]。合理利用各种余热、废热是一种提高能源利用率的新思路[2]。以汽车为例，汽车燃油的利用率只有1/3，余下2/3的能量被浪费掉，其中尾气排放的热量占总热量的40％，提高燃油利用率已势在必行。温差热电技术是近年来国际上发展迅速的新技术，该技术为缓解能源短缺，减少环境污染提供了有效途径。[3]

温差发电技术利用温差可以直接将热能转化为电能，具有无噪音、无污染、无磨损、轻便、寿命长等特点。热电制冷技术因其无污染，结构简单，便于控制，寿命长等优点，在很多领域越来越受到青睐。

2 温差热电技术概述

温差热电技术研究热能和电能的相互转换，分为温差发电和温差电制冷两大分支。理论基础是三大效应：塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。

1821年发现的塞贝克效应指出，在两种不同材料组成的回路中，两种不同的导体相连接时，如果两端的连接处具有不同温度，导体中产生温差电动势，该电动势叫做热电动势，即塞贝克电动势。温差发电基于该理论。珀尔帖效应于1834年发现，它指出当直流电流通过两种不同金属的接点时，连接处会出现放热或吸热的现象。放热或吸热大小由电流的大小来决定。实用的半导体制温差电材料有碲化铅、硅化铁、锑化锌、碲化铋等。[4]半导体制冷主要理论依据是珀尔帖效应。汤姆逊效应指出，当电流经过有温度梯度的导体时，必然会有吸热或放热现象发生。

3 温差热电制冷器研究与应用

温差制冷技术，也称为半导体制冷技术或者热电制冷技术。根据半导体材料的珀尔帖效应，可制成半导体热电偶。半导体热电偶是制冷器的单元，由N型半导体和P型半导体组成，其中N型半导体富含的电子，有负温差电势；P型半导体缺乏电子，有正温差电势。通电后，接头处因产生热量的转移而形成温差，如果电流从N流向P，温度下降并吸热，即冷端；接头处电流从P流向N，温度上升并且放热，即热端。

一对热电偶产生的制冷量是微小的，通常采用多个热电偶串联制成半导体制冷片。半导体制冷片中间是串联的热电偶，N型和P型半导体之间通常用铜、铝等金属导体连接成一完整线路，两侧由两片绝缘的陶瓷片像三明治一样夹起来。为了减少接触热阻，提高陶瓷片的导热性能，常在其表面涂抹导热硅脂；为了隔绝热端向冷端的导热，可用保温材料将冷端密封，还在冷端和热端之间填充优良的隔热材料。

直流电通过热电偶时，其两端可分别吸热和放热。如果在放热端安装散热装置，吸热端就能通过吸收热量使吸热端的温度低于放热端的温度，改变电流方向时，吸热面与放热面交换又能达到制热的效果。

半导体制冷中热量的传递是依靠空穴、电子在运动实现的，不使用制冷剂，与传统的制冷方法比较具有独特的优越性。半导体制冷器的热电堆就相当于“制冷压缩机”，冷端部分相当于蒸发器，而热端部分相当于冷凝器。自由电子和空穴在外加电场的作用下运动，从热电堆的冷端到热端的过程相当于制冷压缩机中制冷剂的压缩过程。在热电堆的冷端，由于热交换器吸热，产生电子--空穴对，该过程相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。热端的热交换器散热，电子-空穴对复合，相当于在冷凝器中制冷剂的放热和凝结。[5]

通过改变的电臂大小、温差电对数、排列方式，就能改变半导体制冷器的功率，大到千瓦级，小到毫瓦级，半导体制冷器的应用非常广泛，比如空调、冰箱、低温医疗器具、电子仪器中的快速冷却室等等。

半导体制冷器由于不使用制冷剂，不污染环境，非常环保；内部不含机械传动部件，结构简单、轻便可靠，无磨损、无噪声、易于维修；具有灵活、可逆的控制特点，改变工作电流大小可以调节制冷速度和温度，改变直流电流极性就可以实现冷热功能转换，一次广泛应用于各类高低温、恒温控制的设备中。