溫差熱電制冷器研究與應(yīng)用

田 聰

（黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100）

溫差熱電制冷器研究與應(yīng)用

田 聰

（黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100）

溫差熱電技術(shù)研究熱能和電能相互轉(zhuǎn)換，分為溫差發(fā)電和溫差制冷兩大分支，其中溫差制冷技術(shù)是一種環(huán)保的制冷技術(shù)，具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。簡要介紹溫差熱電技術(shù)，著重探討溫差熱電制冷器研究與應(yīng)用。

溫差電技術(shù)；半導(dǎo)體制冷；溫差制冷

1 前言

能源是人類社會(huì)生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。能源危機(jī)和環(huán)境壓力，使人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到能源的重要性，因此開始采用開源節(jié)流的戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，另一方面開發(fā)綠色無污染的新能源，研究提高能源利用率的方法[1]。合理利用各種余熱、廢熱是一種提高能源利用率的新思路[2]。以汽車為例，汽車燃油的利用率只有1/3，余下2/3的能量被浪費(fèi)掉，其中尾氣排放的熱量占總熱量的40％，提高燃油利用率已勢在必行。溫差熱電技術(shù)是近年來國際上發(fā)展迅速的新技術(shù)，該技術(shù)為緩解能源短缺，減少環(huán)境污染提供了有效途徑。[3]

溫差發(fā)電技術(shù)利用溫差可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，具有無噪音、無污染、無磨損、輕便、壽命長等特點(diǎn)。熱電制冷技術(shù)因其無污染，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域越來越受到青睞。

2 溫差熱電技術(shù)概述

溫差熱電技術(shù)研究熱能和電能的相互轉(zhuǎn)換，分為溫差發(fā)電和溫差電制冷兩大分支。理論基礎(chǔ)是三大效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)。

1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)指出，在兩種不同材料組成的回路中，兩種不同的導(dǎo)體相連接時(shí)，如果兩端的連接處具有不同溫度，導(dǎo)體中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢叫做熱電動(dòng)勢，即塞貝克電動(dòng)勢。溫差發(fā)電基于該理論。珀?duì)柼?yīng)于1834年發(fā)現(xiàn)，它指出當(dāng)直流電流通過兩種不同金屬的接點(diǎn)時(shí)，連接處會(huì)出現(xiàn)放熱或吸熱的現(xiàn)象。放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。實(shí)用的半導(dǎo)體制溫差電材料有碲化鉛、硅化鐵、銻化鋅、碲化鉍等。[4]半導(dǎo)體制冷主要理論依據(jù)是珀?duì)柼?yīng)。湯姆遜效應(yīng)指出，當(dāng)電流經(jīng)過有溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，必然會(huì)有吸熱或放熱現(xiàn)象發(fā)生。

3 溫差熱電制冷器研究與應(yīng)用

溫差制冷技術(shù)，也稱為半導(dǎo)體制冷技術(shù)或者熱電制冷技術(shù)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)，可制成半導(dǎo)體熱電偶。半導(dǎo)體熱電偶是制冷器的單元，由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成，其中N型半導(dǎo)體富含的電子，有負(fù)溫差電勢；P型半導(dǎo)體缺乏電子，有正溫差電勢。通電后，接頭處因產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移而形成溫差，如果電流從N流向P，溫度下降并吸熱，即冷端；接頭處電流從P流向N，溫度上升并且放熱，即熱端。

一對(duì)熱電偶產(chǎn)生的制冷量是微小的，通常采用多個(gè)熱電偶串聯(lián)制成半導(dǎo)體制冷片。半導(dǎo)體制冷片中間是串聯(lián)的熱電偶，N型和P型半導(dǎo)體之間通常用銅、鋁等金屬導(dǎo)體連接成一完整線路，兩側(cè)由兩片絕緣的陶瓷片像三明治一樣夾起來。為了減少接觸熱阻，提高陶瓷片的導(dǎo)熱性能，常在其表面涂抹導(dǎo)熱硅脂；為了隔絕熱端向冷端的導(dǎo)熱，可用保溫材料將冷端密封，還在冷端和熱端之間填充優(yōu)良的隔熱材料。

直流電通過熱電偶時(shí)，其兩端可分別吸熱和放熱。如果在放熱端安裝散熱裝置，吸熱端就能通過吸收熱量使吸熱端的溫度低于放熱端的溫度，改變電流方向時(shí)，吸熱面與放熱面交換又能達(dá)到制熱的效果。

半導(dǎo)體制冷中熱量的傳遞是依靠空穴、電子在運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，不使用制冷劑，與傳統(tǒng)的制冷方法比較具有獨(dú)特的優(yōu)越性。半導(dǎo)體制冷器的熱電堆就相當(dāng)于“制冷壓縮機(jī)”，冷端部分相當(dāng)于蒸發(fā)器，而熱端部分相當(dāng)于冷凝器。自由電子和空穴在外加電場的作用下運(yùn)動(dòng)，從熱電堆的冷端到熱端的過程相當(dāng)于制冷壓縮機(jī)中制冷劑的壓縮過程。在熱電堆的冷端，由于熱交換器吸熱，產(chǎn)生電子--空穴對(duì)，該過程相當(dāng)于制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)。熱端的熱交換器散熱，電子-空穴對(duì)復(fù)合，相當(dāng)于在冷凝器中制冷劑的放熱和凝結(jié)。[5]

通過改變的電臂大小、溫差電對(duì)數(shù)、排列方式，就能改變半導(dǎo)體制冷器的功率，大到千瓦級(jí)，小到毫瓦級(jí)，半導(dǎo)體制冷器的應(yīng)用非常廣泛，比如空調(diào)、冰箱、低溫醫(yī)療器具、電子儀器中的快速冷卻室等等。

半導(dǎo)體制冷器由于不使用制冷劑，不污染環(huán)境，非常環(huán)保；內(nèi)部不含機(jī)械傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單、輕便可靠，無磨損、無噪聲、易于維修；具有靈活、可逆的控制特點(diǎn)，改變工作電流大小可以調(diào)節(jié)制冷速度和溫度，改變直流電流極性就可以實(shí)現(xiàn)冷熱功能轉(zhuǎn)換，一次廣泛應(yīng)用于各類高低溫、恒溫控制的設(shè)備中。

4 結(jié)語

溫差熱電制冷技術(shù)具有許多優(yōu)越性，但目前其應(yīng)用還有一定局限（集中在小制冷量領(lǐng)域）。隨著半導(dǎo)體制冷技術(shù)的快速發(fā)展，正逐漸向大制冷量、微型集成制冷器等方向發(fā)展，其市場前景將會(huì)越來越廣泛。

[1]劉洪陽，劉萬釗，賀強(qiáng)，楊曉光，趙力．發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管余熱發(fā)電研究[J]．長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(3)：70-72

[2]韋節(jié)廷，熊林常，李挺力．基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的電鍛煤爐余熱回收研究[J]．長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，11（2）：86-89

[3]韓天鶴．小型熱電制冷器及溫差發(fā)電初步研究[J]．碩士學(xué)位論文，湖南大學(xué)，2009

[4]鄒乾林．溫差電技術(shù)原理及在工科物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（05）：43-46

[5]趙小強(qiáng)．半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其在電冰箱中的應(yīng)用[J]．甘肅科技．2010，19（10）：79-81

田聰（1981-），女，黑龍江雞西人，講師，碩士，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、電氣工程。