热电制冷解析.ppt

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1、第八章热电制冷8.1热电制冷原理及分析8.1.1热电效应热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在无外磁场存在时，它包括五个效应:导热、焦耳热损失，西伯克(seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。（1）西伯克(seebeck)效应由两种不同导体组成的电路中，如果导体的两个结点存在温度差，则电路中将产生电动势E，这就是西伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率α表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率αPN等于αP与αN之差，即

2、热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的αP与αN，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将αPN直接简化记作α，有（2）帕尔帖(peltire)效应电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量，这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号Qp表示。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；反之，从低能级向高能级运动时，需要从外界吸收热量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔帖效应强弱用它相对于

3、某参考材料的帕尔帖系数π表示对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔帖系数πNP有温差电动势率α与帕尔帖系数π之间存在下述关系：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称扬姆逊热。用符号QT表示（3）汤姆逊(Thomson)效应在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响。由于固体系统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。需要指出的是以上热电效应在电流反方向时是可逆的。8.1.2基本热电偶的制冷特性热电制冷器的基本单元是半导体电偶。组成电偶的材料一个是P型半导体(空穴型)，一个是N型半导体(电

4、子型)。用金属电桥(铜板)连接两个半导体电臂P和N，组成电偶，再用铜导线接到直流电源上构成回路。电流方向如图所示，当电流从从低能级电臂N向高能级电臂P运动时，需要从外界吸收热量，因此在两电臂的节点处产生吸热制冷现象。如果改变电流方向，使电流从高能级电臂P向低能级电臂N运动时，则会在两电臂的节点处产生放热现象。设热结点的温度是TH，冷结点的温度TO，回路中的电流强度为IO。电臂的几何参数用横截面积A、长度L、面长比r（r=A/L）表示；电臂的材料特性用热导率λ，电阻率ρ表示。加在电偶两端的电压V1，一部分用来克服电臂电阻R引起的电压降V，一部分用来克服西伯克温差电动势V

5、PN，即冷端的帕尔帖吸热量为：由于电偶冷、热端温度不同。沿电臂长度方向导热。假定无热损失，因温差导热流入冷端的热量为电臂上的焦耳热效应为认为焦耳热有一半流入冷端。故冷端从外界吸收的热量即制冷量为制冷量：基本热电偶的制冷特性如下：消耗的电功率：制冷系数：（1）欲使ε最佳欲使ε最佳，应使KR最小，并使电压V满足的条件，即8.1.3热电制冷性能的影响因素Z称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质(温差电动势率、电阻、热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。通常，热电偶的优值系数Z=3×10-31/K（2）欲使制冷能力最佳根据制冷量公式电偶的制冷能力与工作电

6、流有关，帕尔帖热越大，焦耳热损失越小，则制冷能力越大。按求得使制冷能力最大的工作电流最佳值，即可得到最佳制冷能力：可见，制冷能力表现为制冷量QO和制冷深度，即制冷温差△T或冷端温度TO的大小。冷端温度TO越低或制冷温差△T越大，则制冷能力越小。对应不同的Z值，电偶处于制冷能力最佳状态下的最大温差和最低冷端温度值为：（3）材料对热电制冷性能的影响实现工作参数优化后，热电制冷性能—无论是制冷系数还是制冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。Z值越高，材料越好。也就是说材料的温差电动势α越大，电阻率ρ，热导率λ越小，材料的热电制冷性能越好。目前国内制备较好的热电材料，P型的有碲

7、化铋一碲化锑（Bi2Te3-Sb2Te3）固溶体合金；N型的是碲化秘一硒化秘（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能如下：8.1.4多级热电制冷器为了获得更低的制冷温度（或更大的温差）可以采用多级热电制冷，它由单级电堆联结而成。前一级（较高温度级）的冷端是后一级的热端散热器。由于热电制冷的每一级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级的热电偶数目要比低温级大得多。而且，随着温度的降低，元件的温差电性能变差，总的温差△T并不是随级数的增多成比例提高的。所以实际上多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为2~3级，最多达8级。多级热电堆的连