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基于珀尔帖热的电冷却器原理及计算
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2009-03-11
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热电制冷是20 世纪50 年代末发展起来的,建立于五种热电效应(塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、付里叶效应)基础上的制冷新技术。由于目前热电制冷采用的材料都是半导体材料,因此热电制冷也被称为半导体制冷。这种翩冷器和传统的制冷设备有着根本的区别,没有复杂的结构,体积小,没有噪声不需要制冷剂,没有污染,因此近几年引起了人们的关注。随着技术的进步。半导体制冷器被广泛的应用到化工、电子、医疗、军事等各个领域。
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Thermoelectric cooler
热电技术的发展
热电制冷是20 世纪50 年代末发展起来的,建立于五种热电效应(塞贝克效应、帕尔帖
效应、汤姆逊效应、焦耳效应、付里叶效应)基础上的制冷新技术。由于目前热电制冷采
用的材料都是半导体材料,因此热电制冷也被称为半导体制冷。这种翩冷器和
传统的制冷设备有着根本的区别,没有复杂的结构,体积小,没有噪声不需要
制冷剂,没有污染,因此近几年引起了人们的关注。随着技术的进步。半导体
制冷器被广泛的应用到化工、电子、医疗、军事等各个领域。
1 . 塞贝克效应(热
电 第 一 效 应 ) 。
1821 年, 德国 物理
学家塞贝克发现,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,如果两个接头处的
温度不同,其周围就会出现磁场。当两个接点的温度不同时,回路中将产生电
动势,这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。这种电动势就称塞贝克电动势
或温差电动势。其温差电流I和温差电动势Eab是同向的,而Eab的大小与结点问
的温差成正比。比例常数称为塞贝克系数,其值为:
2.珀尔帖效应(热电第二效应)。1834年,法国业人珀尔帖1834年发现的,在
两种不同的金属所组成的闭合回路中存在直流电流时,两个接点将分别产生吸
热和放热现象,该效应称为珀尔帖效应。实验表明,结点上的交换热量与电流
成正比
,式中取为比例常数,称为珀尔
帖系数
1934 年 J.C.A.Peltier 发现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。叫着珀
耳帖效应
1856 年 W.汤姆孙(即开尔文)用热力学分析上述两种温差电效应时指出,还应有第三种
温差电现象存在。后来有人在实验上发现,如果在存在温度梯度的均匀导体中通有电流
时,导体中除了产生不可逆的焦耳热外,还要吸收或放出一定的热量,这一现象定名为汤
姆孙效应。
温差电现象:在固态或液态导体中,利用三种相互关联的现象:塞贝克效应、珀耳帖效应
和汤姆孙效应(包括磁场对每个效应的影响),把内能直接转换成电能(或其逆过程)的
现象。
在半导体中同样存在着上述三种温差电现象,而且效应比金属导体中显著得多。如金属
中温差电动势率约为 0~10 微伏/摄氏度之间,在半导体中常为几百微状/摄氏度,甚至达
到几毫伏/摄氏度。因此金属中的塞贝克效应主要用于温差电偶(用作温度计);而半
导体可用于温差发电。珀耳帖效应可用于致冷(见温差发电和致冷)。目前一级致冷,
温差可达 50~60°C;二级致冷可达 70~80°C;三级致冷可达 90~100°C。由于低温下
材料的致冷性能变差,所以一般只作到三级左右。
(4)傅立叶效应
单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方
向温度梯度的乘积成正比
其中:K一导体的导热率;
Tr一导体的热端温度;
一导体的冷端温度。
(5)焦耳效应
直流电流过导体时单位时间内产生的热量等于导体
电阻和电流平方的乘积
其中:P 为电阻率,L 为电阻长度,S 为电阻的切面积。
为什么要研究热电冷却器?
热电冷却器 PK 传统压缩机制冷器
热电冷却器的优点:
1.热电冷却器没有任何机械运动部件,因此需要的维护比较少。
2.热电冷却器可靠性高,实验证明能稳定工作 10 万小时以上。
3.热电冷却器不含冷却剂或者其它需要周期性补充的物质。
4.热电冷却器通过增加适当外围器件可以将温度控制在很小的温度范围。
5.热电冷却器对环境没有要求,可以再严酷的环境里工作,例如没有重力、高
温、高压等情况下。由于其自身尺寸小又可以用在传统压缩机制冷机无法安装
的地方。
6.热电冷却器对安装的方向没有要求,任何方向都可以。
7.热电冷却器的吸热、放热方向可以通过改变直流电源的极性来改变,而不需
要移动整个器件或器件的一部分。
热电冷却器的缺点:
由于缺少更好的半导体材料.限制了它的发展。另外,半导体电堆的元件价
格很高。综合效率和价格比的因素:在大容量情况下,势电制冷的效率不及蒸
气压缩式制冷、价格昂贵。但是蒸气压缩式制冷机的效率随容量的减小而下降,
而热电制冷的效率与容量大小无关:且压缩机也不可能做得过于小.而热电制
冷小到可以仅由一对基本电偶组成。产冷量在 20w 以下,温差不超过;50 度
时、热电制冷的效车高于压缩式制冷。
传统压缩机制冷器的优点:
从上面的比较可以看出热电冷却器外型尺寸小、重量轻、无机械运动摩擦、无噪声、可精
确控制、可平移调节温度工况与制冷量。不存在由于制冷剂泄露而引起的气污染,其维护
简单,使用管理方便等的优点是传统压缩机制冷器所不及的,所以才要大力发展热电冷却
技术。
热电冷却器的原理
半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷,主要是利用热电效应中的帕耳帖
效应达到制冷目的。帕耳帖效应是指在两种不同材料构成的回路上加上直流电
压,相交的结点上会出现吸热或放热的现象。因此,在由 A 有最佳热电转换特
1 目的半导体热电材料组成的 P 一 N 结两端,加上一定的直流电压,利用半导
体热电材料的特性就可以实现制冷或制热功能。
如下 图 为 半导体热电单元制冷原理图。当电流的极性如图所示时,电子
从电源负极出发,经金属片 B1,、结点 4,P 型半导体、结点 3、金属片 A、结点
2,N 型半导体、结点 1、金属片 B2,再回到电源的正极。但是 P 型半导体的多
数载流子为空穴,其空穴电流方向与电子相反。而空穴在金属中所具有能低。
而当电子从 N 型半导体经结点 1 流向金属片 B:时,因电子由势能高处流向势能
低处,因此在金属 B:处释放能量,使之转变为热能释放出来,则使金属片 B,
处温度升高。
半导体热电单元制冷原理图
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资源评论
- xiaochongb2012-08-09还行,有模型推导
- 灬丨M丶2015-05-13还可以吧,应该没什么问题
peaggy
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