什麼是溫差電致冷

利用珀耳帖效應達到致冷的目的。1834年法國J.-C.珀耳帖發現，當兩種不同金屬連線起來並通以電流時，有一接頭吸熱，另一接頭放熱。這種現象後來被稱為珀耳帖效應。珀耳帖效應長期未能實際應用於製作致冷器，其原因是金屬的珀耳帖效應很弱。直到20世紀50年代，對半導體材料的研究進一步深入，人們用N型半導體和P型半導體構成溫差電偶，珀耳帖效應遠遠強於金屬電偶。從此溫差電致冷器逐漸進入實用階段。

原理

圖1為由 N型半導體和P型半導體構成的溫差電偶，用銅片把兩個半導體連線起來。電流I由N型半導體流向P型半導體時，該接頭吸收珀耳帖熱αIT1，式中α＝α1-α2，α1、α2分別為P型半導體和N型半導體的溫差電動勢率，P型半導體的溫差電動勢率為正，而N型的為負。在另一接頭，電流由P型半導體流向N型半導體，有熱量釋放出來。通過各種散熱方式把熱端的熱量帶走，冷端就能保持較低溫度。在熱平衡條件下，冷端所能達到的溫度取決於半導體材料的溫差電特性和冷端的熱負載以及器件的設計(工作狀態、散熱條件等)。實際致冷器有最大溫差和最大致冷效率兩種工作狀態。

（1）最大溫差狀態（即最大產冷量狀態）：當電流為

式中T0為熱端溫度，Z為半導體材料的品質因數，

式中x1、x2分別為P型和N型半導體的熱導率，ρ1、ρ2分別為電阻率。採用這種方式工作可以節省半導體材料，但是致冷效率較低。

（2）最大致冷效率狀態：當電流為

時，致冷效率ε(熱負載Q0與所消耗的電功率之比值)可達最大值ε0

採用這種工作方式可以節省電能消耗，但與前一方式相比，它需要較多的半導體材料。

由(T0-T1)max和ε0的表示式可知，半導體材料的品質因數Z越大，所能達到的最大溫差和致冷效率越大，這就要求材料的溫差電動勢率α儘量大，使所吸收的珀耳帖熱αIT1儘量大。同時要求材料的電阻率和熱導率儘量小，使所產生的焦耳熱和由熱端向冷端的熱傳導儘量小，因為這兩部分熱量都會降低致冷效率。具有這種特性的最佳致冷材料為 Bi2Te3 及其固溶體 Bi2Te3－Bi2Se3，Bi2Te3-Sb2Te3，Bi2Te3-Bi2Se3-Sb2Te3等。另外，溫差電動勢率和電阻率是載流子濃度的敏感引數，隨著載流子濃度的增加，電阻率減小，但溫差電動勢率也減小。理論計算表明，最佳的載流子濃度為1019/釐米3的數量級，因此，溫差電致冷用的原材料純度一般只要99.999％即可，因而價格低廉。

結構

在實際應用中往往需要把若干對溫差電偶串聯或並聯成溫差電堆，致冷器由若干塊溫差電堆組成。當熱負載為零時，半導體致冷材料的最大溫差可達80℃左右，有熱負載時的溫差小於此值。為了獲得更低的溫度或更高的致冷效率，可以採用多級結構。圖2是二級致冷器結構示意圖，上級致冷器的熱端與下級致冷器的冷端要求良好熱接觸。

溫差電致冷器是利用電能把熱量由冷端轉移到熱端的裝置。因此如何把熱量不斷地從熱端帶走是致冷器設計的主要內容之一。散熱方式主要有空氣自然對流式、強迫通風式和水冷式。空氣自然對流式較簡便，但散熱效果稍差，水冷式的散熱效果最佳，但需要耗費大量的水。也可採用迴圈水冷再通過散熱片由空氣自然對流散熱。

應用

與通常使用的壓縮機制冷相比，當製冷量較大時，用溫差電致冷不但造價高而且耗電量要大一倍左右。溫差電致冷器的優點是：無機械轉動部件，工作無噪聲，無製冷劑的腐蝕和汙染，維修方便，壽命長，致冷容量可變，設計靈活性大，其形狀可以任意變化，可小型化和微型化，容易控溫，只要改變電流方向就可變致冷為發熱。根據這些特點，溫差電致冷適合於製作各種小型致冷器和恆溫器，以及用於要求無聲和無汙染的特殊場合。主要用途有：

（1）儀器儀表用的小型致冷器、恆溫器，例如光電倍增管、紅外探測器和半導體鐳射器等用的致冷器，半導體零點儀、露點儀、標準頻率振盪器和電子器件用的恆溫器，石油凝點測定儀等。

（2）醫學上的應用有病理切片用的顯微切片冷凍臺、白內障摘除器、面板病冷凍治療器、致冷帽等。

（3）其他還有攜帶式冷熱箱、半導體冰箱、半導體空調器等。大容量溫差電致冷器效率比不上壓縮機的效率，原因是半導體致冷材料的品質因數Z還不夠大，而小容量溫差電致冷器的各種特性均優於壓縮機制冷器。圖3為光電倍增管用的致冷器的照片。致冷器採用兩個電堆，每個電堆由31對半導體元件組成。元件尺寸為2.2×2.2×2.5毫米3。致冷器重量為2.7千克，電功率為55瓦，採用水冷散熱。致冷器可保證光電倍增管的光陰極溫度比周圍空氣低40℃，大大降低了光電倍增管的噪聲。這種光電倍增管致冷器的溫差電偶採用一級結構。如果採用兩級結構，電功率增至200瓦，可保證光陰極的溫度比周圍空氣低60℃。