溫差熱電制冷器研究與應用

田 聰

（黑龍江工業學院，黑龍江 雞西 158100）

溫差熱電制冷器研究與應用

田 聰

（黑龍江工業學院，黑龍江 雞西 158100）

溫差熱電技術研究熱能和電能相互轉換，分為溫差發電和溫差制冷兩大分支，其中溫差制冷技術是一種環保的制冷技術，具有獨特優點。簡要介紹溫差熱電技術，著重探討溫差熱電制冷器研究與應用。

溫差電技術；半導體制冷；溫差制冷

1 前言

能源是人類社會生存與發展的基礎。能源危機和環境壓力，使人們越來越意識到能源的重要性，因此開始采用開源節流的戰略，即一方面節約能源，另一方面開發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。溫差熱電技術是近年來國際上發展迅速的新技術，該技術為緩解能源短缺，減少環境污染提供了有效途徑。[3]

溫差發電技術利用溫差可以直接將熱能轉化為電能，具有無噪音、無污染、無磨損、輕便、壽命長等特點。熱電制冷技術因其無污染，結構簡單，便于控制，壽命長等優點，在很多領域越來越受到青睞。

2 溫差熱電技術概述

溫差熱電技術研究熱能和電能的相互轉換，分為溫差發電和溫差電制冷兩大分支。理論基礎是三大效應：塞貝克效應、珀爾帖效應和湯姆遜效應。

1821年發現的塞貝克效應指出，在兩種不同材料組成的回路中，兩種不同的導體相連接時，如果兩端的連接處具有不同溫度，導體中產生溫差電動勢，該電動勢叫做熱電動勢，即塞貝克電動勢。溫差發電基于該理論。珀爾帖效應于1834年發現，它指出當直流電流通過兩種不同金屬的接點時，連接處會出現放熱或吸熱的現象。放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。實用的半導體制溫差電材料有碲化鉛、硅化鐵、銻化鋅、碲化鉍等。[4]半導體制冷主要理論依據是珀爾帖效應。湯姆遜效應指出，當電流經過有溫度梯度的導體時，必然會有吸熱或放熱現象發生。

3 溫差熱電制冷器研究與應用

溫差制冷技術，也稱為半導體制冷技術或者熱電制冷技術。根據半導體材料的珀爾帖效應，可制成半導體熱電偶。半導體熱電偶是制冷器的單元，由N型半導體和P型半導體組成，其中N型半導體富含的電子，有負溫差電勢；P型半導體缺乏電子，有正溫差電勢。通電后，接頭處因產生熱量的轉移而形成溫差，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。

一對熱電偶產生的制冷量是微小的，通常采用多個熱電偶串聯制成半導體制冷片。半導體制冷片中間是串聯的熱電偶，N型和P型半導體之間通常用銅、鋁等金屬導體連接成一完整線路，兩側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，提高陶瓷片的導熱性能，常在其表面涂抹導熱硅脂；為了隔絕熱端向冷端的導熱，可用保溫材料將冷端密封，還在冷端和熱端之間填充優良的隔熱材料。

直流電通過熱電偶時，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，吸熱面與放熱面交換又能達到制熱的效果。

半導體制冷中熱量的傳遞是依靠空穴、電子在運動實現的，不使用制冷劑，與傳統的制冷方法比較具有獨特的優越性。半導體制冷器的熱電堆就相當于“制冷壓縮機”，冷端部分相當于蒸發器，而熱端部分相當于冷凝器。自由電子和空穴在外加電場的作用下運動，從熱電堆的冷端到熱端的過程相當于制冷壓縮機中制冷劑的壓縮過程。在熱電堆的冷端，由于熱交換器吸熱，產生電子--空穴對，該過程相當于制冷劑在蒸發器中的吸熱和蒸發。熱端的熱交換器散熱，電子-空穴對復合，相當于在冷凝器中制冷劑的放熱和凝結。[5]

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

半導體制冷器由于不使用制冷劑，不污染環境，非常環保；內部不含機械傳動部件，結構簡單、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，改變工作電流大小可以調節制冷速度和溫度，改變直流電流極性就可以實現冷熱功能轉換，一次廣泛應用于各類高低溫、恒溫控制的設備中。

4 結語

溫差熱電制冷技術具有許多優越性，但目前其應用還有一定局限（集中在小制冷量領域）。隨著半導體制冷技術的快速發展，正逐漸向大制冷量、微型集成制冷器等方向發展，其市場前景將會越來越廣泛。

[1]劉洪陽，劉萬釗，賀強，楊曉光，趙力．發動機排氣管余熱發電研究[J]．長春理工大學學報(自然科學版)，2007，30(3)：70-72

[2]韋節廷，熊林常，李挺力．基于半導體溫差發電的電鍛煤爐余熱回收研究[J]．長春工程學院學報(自然科學版)，2010，11（2）：86-89

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

[4]鄒乾林．溫差電技術原理及在工科物理實驗中的應用[J]．大學物理實驗，2010，23（05）：43-46

[5]趙小強．半導體制冷技術及其在電冰箱中的應用[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：機電一體化技術、電氣工程。