基于帕爾帖效應的制熱方式及其應用

(1. 江蘇省南京外國語學校，江蘇 南京 210008；2. 南京大學物理學院，江蘇 南京 210093)

·STS研究·

基于帕爾帖效應的制熱方式及其應用

李自蹊1馬朝冉1王天翼1杜菁1章東2

(1. 江蘇省南京外國語學校，江蘇 南京 210008；2. 南京大學物理學院，江蘇 南京 210093)

當兩種不同金屬構成的閉合回路中存在直流電流時，兩個金屬接頭之間將產生溫差，產生帕爾帖效應。本文基于帕爾帖效應設計了一個熱水器模型系統，并用微控制器和溫度傳感器來進行溫升和電功率的測量，探究帕爾帖效應制熱過程中的能量轉移效率，并與傳統制熱方式進行了比較。本研究有助于理解帕爾帖效應的制熱作用，展現了潛在的應用價值。

帕爾帖效應；制熱；熱水器模型

1 引言

帕爾帖效應(Peltier Effect)又稱第二熱電效應，產生于不同材料中電子具有的不同勢能，當電流流經兩種不同材料的分界面時會吸收或放出熱量。常規金屬材料中的電子勢能基本相同，帕爾帖效應很微弱，很難被觀測到；而半導體中電子勢能差較大，將兩種半導體封裝在片狀陶瓷外殼中制成的芯片具有明顯的帕爾帖效應。目前研究較多的是基于帕爾帖效應的制冷應用，帕爾帖效應還可以有更為廣闊的應用，如應用于現代量子通信、基于表面溫度控制的紅外迷彩、星載相機溫度環境控制等。

帕爾帖器件不需要機械部件，具有工作電壓低、無振動和噪音、控制簡單、易于安裝和維護、工作壽命長的優點。但帕爾帖器件的半導體材料電阻率較大，導熱性能好，半導體所產生的焦耳熱和自發熱傳導會降低器件的效率，限制了它的應用。尤其在大功率系統中，半導體自身電阻的發熱功率的增長會超過帕爾帖效應吸放熱功率的增長，發熱功率越大，效率越低。因此帕爾帖效應制冷過程中半導體自身發熱不容忽視，可以用來設計高效加熱裝置。筆者針對帕爾帖芯片的缺點，設計了基于帕爾帖效應的熱水器模型系統，通過溫升測量和熱量計算，發現帕爾帖器件可以從周圍環境吸收熱量，所需要的電功率小于發熱功率，超過100%的制熱效率表明帕爾帖效應的制熱特性具有良好的應用和推廣前景。

2 理論及方法

圖1

在利用帕爾帖效應制熱過程中，環境溫度也成為其能量來源。如需要設計制作一個單位時間發熱量為Q的熱源，則需要功率為Q的電阻。利用帕爾帖芯片制作的熱源，芯片可以從其冷端吸收熱量Q1，加上其自身電阻所產生的熱量Q2，因此要在芯片熱端實現Q=Q1+Q2的發熱量，所需要的電功耗小于Q，可以提高芯片的制熱效率。為了精確探究帕爾帖器件冷端溫度(環境溫度)和制熱效率的關系，筆者設計了如圖1所示的由兩片帕爾帖芯片構成的實驗裝置，其中包含一個用來盛裝待加熱液體的被絕熱材料包裹的銅盒，在絕熱材料底部開了一個洞，安裝了兩塊40mm×40mm、額定功率120W的帕爾帖芯片(TEC1-12710)，中間用一銅片隔離，并安裝了一個溫度探測器1，帕爾帖芯片1的熱端向上貼在銅盒上，帕爾帖芯片2上安裝了一個散熱系統。在銅盒中放置1kg水，并通過溫度探測器2測量水溫。在實驗測量中芯片1的功率被控制在25W左右，環境溫度約為30℃。

兩個帕爾帖芯片之間銅板安裝了DS18B20數字溫度探測器1，用來測量芯片1的熱端溫度，水箱中DS18B20數字溫度探測器2分辨率為0.06℃。系統的控制器電路由微處理器(ATMega2560)管理，帕爾帖芯片1用來加熱水，控制器1用來控制帕爾帖芯片兩端的電壓，測量并記錄其電壓和電流數據，并進行功率監測。控制器2不僅能控制芯片兩端的電壓，還能改變電流方向，實現芯片冷熱端的交換和恒溫控制。

圖2

在單片機的控制下，系統的測量過程如圖2所示，系統自動定時測量水溫、運行時間、電壓、電流等數據，用來計算電功率、溫度導數、熱功率等參數，利用Pheat/Pelectric比值來計算系統的加熱效率。

3 結果及分析

圖3給出了測量過程中的水溫變化，包含了加熱和自然冷卻兩個過程。在加熱過程中計算總吸熱和平均功率，在冷卻過程中計算內外不同溫差時的熱耗散功率，以修正加熱功率。在冷卻過程后期水溫逐漸接近室溫，溫度下降速度非常緩慢，可以忽略不計。通過溫度對時間的導數，計算得到如圖4所示的熱耗散功率和內外溫差的關系。

圖3

圖4

利用上述的測量數據可以計算出帕爾帖芯片的能量效率，實驗中銅制容器和容器蓋等質量共為213g，水的質量為1kg，得到體系的熱容量為∑mc=4282J/K。

將ΔT=21.94K和Δt=3309s代入相關公式，得到在加熱過程中的平均加熱能量W=∑mc×ΔT=4282×21.94J=93947J，功率P1=28.39W。

4 結語

從實驗結果可以看出，利用帕爾帖效應的加熱設備具有較高的加熱效率。熱泵可以從低溫熱源吸收能量，并傳遞至高溫熱源，可以減少低熵能量(通常所說的能源)的使用。帕爾帖芯片在家用熱水器的應用中，假設芯片冷端工作于25℃的室溫且與環境熱交換良好，熱端加熱溫度為50℃，使用優值系數Z=2.44×103K-1的材料，可達到的理論效率為COP=1.24[1]。以2000W家用電熱水器為例，使用約10片帕爾帖芯片組成的陣列即可達到相同制熱效果，耗電功率可低至1600W。

帕爾帖芯片雖然有諸多優點，但其制作復雜，需要使用特殊半導體材料，價格較高，而且在提高功率的同時，效率急劇下降。目前國內壓縮機的實際應用COP值早已達到1.95[2]，采用先進技術的壓縮機效率達到了2至5之間。而當前帕爾帖效應的實際工作效率較低(一般低于1)，而且隨著溫差增大，效率降低，因此需要材料和技術的進一步改進，促進帕爾帖效應的實際應用。

本文針對帕爾帖芯片制冷和制熱的應用問題，設計了一個基于帕爾帖效應的熱水器模型系統，并使用微控制器控制系統的升溫和降溫，通過高分辨率的溫度和電流及電壓的測量來計算系統的發熱量和消耗的電功率，結果證明帕爾帖效應在制熱過程中具有超過100%的制熱效率，在移動加熱和保溫設備的設計中具有潛在的應用價值。

[1] 陳振林,孫中泉.半導體制冷器原理與應用[J].微電子技術,1999,(5):63-65.

[2] 黃敏.東貝研發出COP值達1.95的冰箱壓縮機車載冰箱壓縮機填補國內空白[J].電器,2004,(12):7.