温差电致冷组件(丛书第19章)

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1、第十九章温差电致冷组件1概述致冷技术与现代人的日常生活密切相关，食物保鲜、房间空调、等等，无不需要用到致冷机。但是，传统的机械制冷技术，大都采用氟氯烃制冷剂。人们发现，大量使用这种制冷剂，已经破坏了大气层中的臭氧层，其结果是世界性的气候恶化，人们患致各种各样的皮肤病。能不能找到一种无公害的致冷技术？回答是肯定的。温差电致冷技术就是一种无公害的致冷技术，温差电致冷器就是一种绿色的致冷机。温差电致冷现象已发现近二百年了。1834年法国科学家珀尔帖（Peltier）发现了一种效应，在两个不同导体组成的回路中通电时，一

2、个接头吸热，另一个接头放热。这就是所谓珀尔帖效应。温差电致冷器有很多优点。它是一种没有转动部件的固态器件，体积小、寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质（如氟氯烃）；只要改变电流的方向，同一个致冷器可用于致冷,也可以致热；它能在任意角度安装运行，调节电压或电流就可以精确控制温度。由于它具有这一系列优点，在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。2分类与命名温差电致冷组件可分为单级温差电致冷组件和多级温差电致冷组件。单级温差电致冷组件指的是只有一个热面和一个冷面的单层温差电致冷组件。为了获得更大温

3、差或者更大性能系数，将上一级温差电致冷组件的热端与下一级温差电致冷组件的冷端热耦合，如此叠加形成的多层次的组件被称为多级温差电致冷组件。温差电致冷组件在应用过程中与热交换器构成一个完整的系统，通常称为温差电致冷器，该致冷器也可用于加热。按热交换器型式进行分类，温差电致冷器可分为空冷式温差电致冷器和水冷式温差电致冷器。我国已经在电子工业部部颁标准（SJ2856-88）中公布了温差电致冷组件的型号命名法。温差电致冷组件的型号由六部分组成：温差电致冷组件；结构类型；级数；元件总对数;电流值；外表面状态。各部分的符号、

4、含义及表示方法见表1。表1部分符号含义表示方法第一部分TE温差电致冷组件英文字母第二部分一个英文字母结构类别用一个英文字母第三部分一位数字级数用一位阿拉伯数字第四部分三位数字元件总对数用三位阿拉伯数字第五部分二位数字最大温差电流值用二位阿拉伯数字第六部分不超过两个a)无金属化层，不表示英文字母外表面状态b)单面金属化，用T表示c)双面金属化，用TT表示在第二部分中，常用的陶瓷式温差电致冷组件用C表示，小型陶瓷式温差电致冷组件(温2差电元件截面小于或等于1mm，这类温差电致冷组件常称微型温差电致冷组件)用S表示。

5、第五部分表示温差电致冷组件的最大温差电流值，对C型温差电致冷组件而言，取最大温差电流的整数值;对于S型温差电致冷组件而言，组件的最大温差电流的10倍才是型号中的数值。例如，型号为TEC1－12705TT的致冷组件，是一种陶瓷式单级致冷组件，由127对温差电偶构成，其最大温差电流为5A，它热面和冷面外侧都有金属化层。3工作原理、结构与制造工艺流程温差电致冷建立在珀尔帖效应的基础上,见图1。图1珀尔帖效应原理示意图在两个不同的导体组成的回路中通电时，一个接头吸热，另一个接头放热，接头的吸热或放热取决于电流的方向。如

6、果在放热的接头上维持一定的温度,则另一个接头就开始冷却,一直到从周围介质中传入该接头上的热量和沿温差电偶臂传入的热量的总和等于所吸收的珀尔帖热为止。在热平衡条件下，冷接头的热平衡方程为：12QTIIRK(TT)（1）cchc2式中I－电流，A；K－温差电致冷组件的热导，W/℃；Qc－致冷功率，W；R－温差电致冷组件的内阻，Ω；Th－温差电致冷组件的热面温度，K；Tc－温差电致冷组件的冷面温度，K；α－温差电致冷组件的塞贝克系数，V/℃。方程式中第一项是珀尔帖热。方程中第二项是焦耳热的一半，我们假设通电

7、过程中热偶上产生的焦耳热有一半传到冷接头。方程中的第三项是由傅利叶热传导定律决定的由热接头传导到冷接头的热量。在说到温差电材料和温差电组件时经常提到优值（FigureofMerit，有的文献则称为品质因子）的概念，以表示温差电材料和组件热电性能的好坏。温差电材料的优值与它的塞贝克系数、电导率和热导率有关，定义为：2z（2）公式中优值z的单位是1/K,塞贝克系数α的单位是V/K,电导率σ的单位是S/m,热导率κ的单位是W/（m·K）。常规的单级温差电致冷组件是由若干对温差电偶电串联构成。温差电元件呈矩形截

8、面。流行的结构中铜制导流片连接P、N型元件，用高纯氧化铝(或氧化铍)陶瓷片在冷面和热面与外界耦合。这种夹层结构示于图2。1231陶瓷片;2-导流片;3-温差电致冷元件图2单级温差电致冷组件结构示意图多级温差电致冷组件,常规的结构方式是上一级的热面作为下一级的冷面，如此叠加成的多层次组件，通常呈金字塔形式。一般情况下,各级温差电偶串联供电。图3为一种多级温差电致冷组件的照片。制作温差电致