热电致冷原理与应用

第23卷第6期

2006年11月

河北工业科技

Hebei Journal of Industrial Science and Technology

Vol. 23,No. 6Nov. 2006

　　文章编号:100821534(2006) 0620344203

热电致冷原理与应用

刘新赞

(河北经贸大学信息技术学院, 河北石家庄　050061)

摘　要:介绍了热电致冷的工作原理、热电偶结构及其工作性能, 该技术具有直流工作方式及无污染、低能耗、体积小等特点, 其更适合于特殊场合的制冷, 已在民用、医疗、军事、科研等多方面得到应用。关键词:半导体; 珀尔贴效应; 热电偶; 热电致冷中图分类号:O48216　　　文献标识码:A

refrigeration

L IU Xin 2zan

(College of Information and Technology , Hebei University of Economics and Business , Shijiazhuang Hebei 050061,China )

Abstract :The principle , thermoelectric couple structure and work capability of thermoelectric refrigeration were introduced ,

and its characteristic of dc 2operate mode ,no pollution , little energy consumption , little volume were presented. It can be used in many special fields such as medical treatment , scientific research , military affairs and so on.

K ey w ords :semiconductor ; Pelltier effect ; thermoelectric couple ; thermoelectric refrigeration

　　20世纪70年代, 随着陶瓷工艺、半导体材料的制备方法、切割工艺及焊接技术的进步, 热电致冷技术得到了飞速发展和广泛应用。

式吸收或放出, 表现为致冷或致热。

　　热电致冷是珀尔贴效应在制冷技术方面的应用。实用的热电致冷装置由热电效应比较显著、致冷效率比较高的P 型和N 型半导体材料构成的热电偶组合而成。直接接触的热电偶电路并不实用。实验证明, 在温差电路中引入第3种材料(铜连接片或导线) 不会改变电路的吸热或放热特性, 因而通常的热电偶由N 型和P 型半导体片排列(而2种半导体材料之间以铜、铝或其他金属导体相连接) 组合形成一完整线路。目前中国常用半导体制冷材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金, 其中P 型是Bi 2Te 32Sb 2Te 3,N 型是Bi 2Te 32Bi 2Se 3[1](这是因为, 1) 需要保证N 型和P 型半导体特性;2) 还需要掺入

1　热电致冷的原理及致冷器结构示意图

热电致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置, 原理上采用了热电理论中的珀尔贴效应。珀尔贴效应是法国人J. C. A. 珀尔贴于1834年发现的一种效应, 即电流流过2种不同导体的界面时, 将从外界吸收或放出热量。珀尔贴效应的物理解释是:载流子在导体中运动形成电流, 由于载流子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; 相反, 由低能级向高能级运动时, 从外界吸收能量。因而, 由于载流子的运动, 能量在2种材料的交界面处以热的形

收稿日期:2006204207; 修回日期:2006207206责任编辑:王士忠

作者简介:刘新赞(19712) , 女, 河北饶阳人, 讲师, 硕士研究生, 主要从事大学物理教学方面的工作。

杂质以改变半导体的温差电动势率、导电率和导热率) 。

热电致冷器的工作电流是直流电流, 改变直流电源的极性可以在同一致冷器上实现致冷或致热。图1是单片致冷器, 它由陶瓷基片、金属导流条和半导体元件组成。半导体元件(在电路上) 以串联形式连接, 从而组成一对热电偶。N 型和P 型2

片半导

　第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　刘新赞　

热电致冷原理与应用345

体材料, 当热电偶通入直流电流后, 因电流的方向不同, 使得其热电偶的接触点产生吸热和放热现象。半导体通过金属导流片连接构成回路(见图1) 。当电流由N 型半导体通过金属片流向P 型半导体时, 电场使N 型材料中的电子和P 型材料中的空穴反方向流动, 它们产生来自晶格热能的能量, 载流子在金属导体片上吸热, 显示为冷端; 若电流反方向(由P 型材料通过金属片流向N 型材料) 流动, 则金属导体片放热, 显示为热端。这样, 当电源极性变换时, 热电偶冷热也就随之互换了

。

图2　半导体致冷器的结构示意图

Fig. 2　Construction sketch figure of semiconductor

refrigerating machine

特点和优点:一、由于热电致冷器的致冷组件是P

型和N 型半导体材料(一种固态的热能泵) , 其尺寸小(且可根据需求调节) 、、反应快, 节省空间, , 可以只, 实现点致冷; , 、无磨损、无振动、运行可; 三、不用制冷剂, 不会因制冷剂泄漏而污染环境, 引起公害; 四、可使用常规电源, 致冷器对电源要求不高, 可使用一般直流开关电源, 通常以每对元件(热电偶) 0. 1V 计算, 工作电压和电流可在大范围内调整, 如12V 额定电压, 实际可使用到8～14V , 也可以使用交流整流稳压电源(波纹系数一般低于5%效果最好) ; 五、同一致冷器可通过改变电流方向(直流电源的极性) 做到具有致冷和致热2种功能, 功能转换简单方便, 很容易满足一定领域

图1　单片热电偶结构示意图

Fig. 1　Construction sketch figure of single

thermoelectric couple

由于单片热电偶的致冷功率很低, 实际应用时通常将同一类型的若干对热电偶串联使用, 如图2所示, 上面为冷端, 可以降低环境温度, 下面为热端, 向周围环境散热, 吸热和放热的大小由半导体材料性能、元件对数及电流强度的大小来决定; 在冷端和热端分别用绝缘而导热良好的陶瓷片进行储冷和散热, 以达到工作端实际的致冷需要。

简单地说, 热电致冷器的工作原理是通过电流

的作用将热能从电路中的冷端(工作端) 向热端(散热端) 转移, 借助各种散热方式在热端不断散热并保持一定的温度, 以使热电堆的冷端在工作环境中不断吸热致冷。根据能量守恒和电路理论, 输入的电功率恰好等于单位时间内热端散掉的热与冷端吸收的热之差, P =I R =Q h -Q c , 这就是“热泵”的一种。一个热电偶冷端的产冷量也就是冷端从环境中吸收的热Q c , 因而冷端产冷量Q c 等于热端放出的热量与输入电功率之差Q c =Q h -P 。

2

的需求, 而且致冷和致热的速度可通过调节工作电

流实现精确的温度控制。

3　温差电致冷的技术应用

温差电致冷器由于它与制冷压缩机相比有着自身的优势, 是一个纯固态冷源, 开辟了制冷技术的一个新分支, 解决了许多特殊场合的制冷难题, 通常作为常规致冷领域的补充, 符合人们在特种场合的需要, 因而有着十分广阔的发展前景, 其产品已广泛应用于各种民用(空调、冷暖保温箱、饮水机等) 、医疗(冷刀、冷台、白内障摘除器等) 、军事(导弹、雷达、潜

艇等) 、科研、专用装置(电脑、石油低温测试仪等) 等方面[3]。

车用电子空调和车载冰箱是半导体和电子技术的结合, 车用电子空调以其低能耗、无污染的绿色环保特点替代压缩机空调, 是空调制造业的一场革命。车载冰箱同样采用半导体致冷技术, 通过半导体温差电效应可制冷达-5℃和制热达60℃, 不用氟利昂, 不污染环境, 可以随车到处移动(由于使用直流电源) , 使用灵活方便。

2　温差电致冷的特点和优点[2]

热电致冷器与传统制冷压缩机相比,

具有以下

346河　北　工　业　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　第23卷

　

半导体制冷技术在计算机领域已被应用于

CPU 显卡散热, 如图3所示, 与普通风冷散热器相比有着独到的优势, 性能较强, 可以用于大多数高端显卡, 而且在噪音控制方面出色, 在显卡功耗以及周围环境较低的情况下, 即使在高端的X800XT 等显卡上同样可以很好地实现零噪音, 而不必担心显卡过热。如果再加装温度自动控制器[4,5], 可以自动控制显卡的致冷器工作与否, 只要热端温度(对于显卡而言便是核心温度) 高于某温度, 半导体致冷器工作, 起到制冷作用; 如果显卡的温度低, 可以使半导体的致冷工作停下来, 以使半导体的温度保持恒定避免结露问题

。

的电压电流外, 关键是保持冷热端的温差, 因而热端必须及时充分地散热。为此,1) 冷热中和要达到最小(即零) 值(冷热两面之间完全隔离, 散热器和储冷板之间加绝热隔层) ;2) 制冷空间要有良好的绝热封闭性;3) 使冷热2个空间温差达到致冷器件两面的温差(由于致冷器的热端面实际温度总要比散热器表面温度高, 冷端与被冷却的空间之间也存在温度梯度, 因而要设法减小各自的温度梯度, 使两面产生的热量要及时传递, 冷热两面分别与导热良好的储冷、散热板良好接触) ;4) 降低热空间散热器温度(要使冷空间温度低, 应尽量降低热空间的散热器温度, 使其具有良好的散热条件, 通常的散热方式有水冷、强迫风冷和自然风冷) , 。, (电流方向) 而, 因, 一般要留几分钟的时。

另外, 为了达到最佳的致冷效果, 安装致冷器时, 不论采用哪种安装方法(焊接、黏合或螺栓压缩固定) , 都要保证冷器件的两端表面与储冷板和散热板的安装表面干净、平整、接触良好。参考文献:

[1]　刘华军, 李来风. 半导体热电制冷材料的研究进展[J].低温工

程,2004, (1) :19221.

[2]　刘绍文. 探析热电制冷[J].制冷与空调,2003,3(3) :23225.

图3　半导体显卡散热器

Fig. 3　Construction sketch figure of semiconductor

radiator in display adapter

[3]　邹邦银. 温差电效应的理论研究及应用前景的分析[J].高等函

授学报(自然科学版) ,1999, (6) :20226.

[4]　朱金钧, 杨奎河, 宋　强, 等1一种新型的计算机温度检测系统

[J]1河北科技大学学报,2002,23(1) :542591

[5]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲1间歇式反应釜智能型温度控制器的

4　温差电致冷技术应用成功的关键

温差电致冷达到理想的制冷效果, 除选用合适

研制[J]1河北科技大学学报,2005,26(3) :23722401

(上接第327页)

[6]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲. 智能仪表的几种程序自检方法[J].河

[8]　赵新民. 智能仪器原理及设计[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出

北工业科技,2004,21(4) :37239.

[7]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲. 计算机测量控制系统的自诊断方法

[J].计算机测量与控制,2004,12(11) :104321045.

版社,1996.

[9]　王辛之. 单片机应用系统抗干扰技术[M ].北京:北京航空航天

大学出版社,1999.

以特色求发展, 以特色创品牌, 以特色与国际接轨。

第23卷第6期

2006年11月

河北工业科技

Hebei Journal of Industrial Science and Technology

Vol. 23,No. 6Nov. 2006

　　文章编号:100821534(2006) 0620344203

热电致冷原理与应用

刘新赞

(河北经贸大学信息技术学院, 河北石家庄　050061)

摘　要:介绍了热电致冷的工作原理、热电偶结构及其工作性能, 该技术具有直流工作方式及无污染、低能耗、体积小等特点, 其更适合于特殊场合的制冷, 已在民用、医疗、军事、科研等多方面得到应用。关键词:半导体; 珀尔贴效应; 热电偶; 热电致冷中图分类号:O48216　　　文献标识码:A

refrigeration

L IU Xin 2zan

(College of Information and Technology , Hebei University of Economics and Business , Shijiazhuang Hebei 050061,China )

Abstract :The principle , thermoelectric couple structure and work capability of thermoelectric refrigeration were introduced ,

and its characteristic of dc 2operate mode ,no pollution , little energy consumption , little volume were presented. It can be used in many special fields such as medical treatment , scientific research , military affairs and so on.

K ey w ords :semiconductor ; Pelltier effect ; thermoelectric couple ; thermoelectric refrigeration

　　20世纪70年代, 随着陶瓷工艺、半导体材料的制备方法、切割工艺及焊接技术的进步, 热电致冷技术得到了飞速发展和广泛应用。

式吸收或放出, 表现为致冷或致热。

　　热电致冷是珀尔贴效应在制冷技术方面的应用。实用的热电致冷装置由热电效应比较显著、致冷效率比较高的P 型和N 型半导体材料构成的热电偶组合而成。直接接触的热电偶电路并不实用。实验证明, 在温差电路中引入第3种材料(铜连接片或导线) 不会改变电路的吸热或放热特性, 因而通常的热电偶由N 型和P 型半导体片排列(而2种半导体材料之间以铜、铝或其他金属导体相连接) 组合形成一完整线路。目前中国常用半导体制冷材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金, 其中P 型是Bi 2Te 32Sb 2Te 3,N 型是Bi 2Te 32Bi 2Se 3[1](这是因为, 1) 需要保证N 型和P 型半导体特性;2) 还需要掺入

1　热电致冷的原理及致冷器结构示意图

热电致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置, 原理上采用了热电理论中的珀尔贴效应。珀尔贴效应是法国人J. C. A. 珀尔贴于1834年发现的一种效应, 即电流流过2种不同导体的界面时, 将从外界吸收或放出热量。珀尔贴效应的物理解释是:载流子在导体中运动形成电流, 由于载流子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; 相反, 由低能级向高能级运动时, 从外界吸收能量。因而, 由于载流子的运动, 能量在2种材料的交界面处以热的形

收稿日期:2006204207; 修回日期:2006207206责任编辑:王士忠

作者简介:刘新赞(19712) , 女, 河北饶阳人, 讲师, 硕士研究生, 主要从事大学物理教学方面的工作。

杂质以改变半导体的温差电动势率、导电率和导热率) 。

热电致冷器的工作电流是直流电流, 改变直流电源的极性可以在同一致冷器上实现致冷或致热。图1是单片致冷器, 它由陶瓷基片、金属导流条和半导体元件组成。半导体元件(在电路上) 以串联形式连接, 从而组成一对热电偶。N 型和P 型2

片半导

　第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　刘新赞　

热电致冷原理与应用345

体材料, 当热电偶通入直流电流后, 因电流的方向不同, 使得其热电偶的接触点产生吸热和放热现象。半导体通过金属导流片连接构成回路(见图1) 。当电流由N 型半导体通过金属片流向P 型半导体时, 电场使N 型材料中的电子和P 型材料中的空穴反方向流动, 它们产生来自晶格热能的能量, 载流子在金属导体片上吸热, 显示为冷端; 若电流反方向(由P 型材料通过金属片流向N 型材料) 流动, 则金属导体片放热, 显示为热端。这样, 当电源极性变换时, 热电偶冷热也就随之互换了

。

图2　半导体致冷器的结构示意图

Fig. 2　Construction sketch figure of semiconductor

refrigerating machine

特点和优点:一、由于热电致冷器的致冷组件是P

型和N 型半导体材料(一种固态的热能泵) , 其尺寸小(且可根据需求调节) 、、反应快, 节省空间, , 可以只, 实现点致冷; , 、无磨损、无振动、运行可; 三、不用制冷剂, 不会因制冷剂泄漏而污染环境, 引起公害; 四、可使用常规电源, 致冷器对电源要求不高, 可使用一般直流开关电源, 通常以每对元件(热电偶) 0. 1V 计算, 工作电压和电流可在大范围内调整, 如12V 额定电压, 实际可使用到8～14V , 也可以使用交流整流稳压电源(波纹系数一般低于5%效果最好) ; 五、同一致冷器可通过改变电流方向(直流电源的极性) 做到具有致冷和致热2种功能, 功能转换简单方便, 很容易满足一定领域

图1　单片热电偶结构示意图

Fig. 1　Construction sketch figure of single

thermoelectric couple

由于单片热电偶的致冷功率很低, 实际应用时通常将同一类型的若干对热电偶串联使用, 如图2所示, 上面为冷端, 可以降低环境温度, 下面为热端, 向周围环境散热, 吸热和放热的大小由半导体材料性能、元件对数及电流强度的大小来决定; 在冷端和热端分别用绝缘而导热良好的陶瓷片进行储冷和散热, 以达到工作端实际的致冷需要。

简单地说, 热电致冷器的工作原理是通过电流

的作用将热能从电路中的冷端(工作端) 向热端(散热端) 转移, 借助各种散热方式在热端不断散热并保持一定的温度, 以使热电堆的冷端在工作环境中不断吸热致冷。根据能量守恒和电路理论, 输入的电功率恰好等于单位时间内热端散掉的热与冷端吸收的热之差, P =I R =Q h -Q c , 这就是“热泵”的一种。一个热电偶冷端的产冷量也就是冷端从环境中吸收的热Q c , 因而冷端产冷量Q c 等于热端放出的热量与输入电功率之差Q c =Q h -P 。

2

的需求, 而且致冷和致热的速度可通过调节工作电

流实现精确的温度控制。

3　温差电致冷的技术应用

温差电致冷器由于它与制冷压缩机相比有着自身的优势, 是一个纯固态冷源, 开辟了制冷技术的一个新分支, 解决了许多特殊场合的制冷难题, 通常作为常规致冷领域的补充, 符合人们在特种场合的需要, 因而有着十分广阔的发展前景, 其产品已广泛应用于各种民用(空调、冷暖保温箱、饮水机等) 、医疗(冷刀、冷台、白内障摘除器等) 、军事(导弹、雷达、潜

艇等) 、科研、专用装置(电脑、石油低温测试仪等) 等方面[3]。

车用电子空调和车载冰箱是半导体和电子技术的结合, 车用电子空调以其低能耗、无污染的绿色环保特点替代压缩机空调, 是空调制造业的一场革命。车载冰箱同样采用半导体致冷技术, 通过半导体温差电效应可制冷达-5℃和制热达60℃, 不用氟利昂, 不污染环境, 可以随车到处移动(由于使用直流电源) , 使用灵活方便。

2　温差电致冷的特点和优点[2]

热电致冷器与传统制冷压缩机相比,

具有以下

346河　北　工　业　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　第23卷

　

半导体制冷技术在计算机领域已被应用于

CPU 显卡散热, 如图3所示, 与普通风冷散热器相比有着独到的优势, 性能较强, 可以用于大多数高端显卡, 而且在噪音控制方面出色, 在显卡功耗以及周围环境较低的情况下, 即使在高端的X800XT 等显卡上同样可以很好地实现零噪音, 而不必担心显卡过热。如果再加装温度自动控制器[4,5], 可以自动控制显卡的致冷器工作与否, 只要热端温度(对于显卡而言便是核心温度) 高于某温度, 半导体致冷器工作, 起到制冷作用; 如果显卡的温度低, 可以使半导体的致冷工作停下来, 以使半导体的温度保持恒定避免结露问题

。

的电压电流外, 关键是保持冷热端的温差, 因而热端必须及时充分地散热。为此,1) 冷热中和要达到最小(即零) 值(冷热两面之间完全隔离, 散热器和储冷板之间加绝热隔层) ;2) 制冷空间要有良好的绝热封闭性;3) 使冷热2个空间温差达到致冷器件两面的温差(由于致冷器的热端面实际温度总要比散热器表面温度高, 冷端与被冷却的空间之间也存在温度梯度, 因而要设法减小各自的温度梯度, 使两面产生的热量要及时传递, 冷热两面分别与导热良好的储冷、散热板良好接触) ;4) 降低热空间散热器温度(要使冷空间温度低, 应尽量降低热空间的散热器温度, 使其具有良好的散热条件, 通常的散热方式有水冷、强迫风冷和自然风冷) , 。, (电流方向) 而, 因, 一般要留几分钟的时。

另外, 为了达到最佳的致冷效果, 安装致冷器时, 不论采用哪种安装方法(焊接、黏合或螺栓压缩固定) , 都要保证冷器件的两端表面与储冷板和散热板的安装表面干净、平整、接触良好。参考文献:

[1]　刘华军, 李来风. 半导体热电制冷材料的研究进展[J].低温工

程,2004, (1) :19221.

[2]　刘绍文. 探析热电制冷[J].制冷与空调,2003,3(3) :23225.

图3　半导体显卡散热器

Fig. 3　Construction sketch figure of semiconductor

radiator in display adapter

[3]　邹邦银. 温差电效应的理论研究及应用前景的分析[J].高等函

授学报(自然科学版) ,1999, (6) :20226.

[4]　朱金钧, 杨奎河, 宋　强, 等1一种新型的计算机温度检测系统

[J]1河北科技大学学报,2002,23(1) :542591

[5]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲1间歇式反应釜智能型温度控制器的

4　温差电致冷技术应用成功的关键

温差电致冷达到理想的制冷效果, 除选用合适

研制[J]1河北科技大学学报,2005,26(3) :23722401

(上接第327页)

[6]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲. 智能仪表的几种程序自检方法[J].河

[8]　赵新民. 智能仪器原理及设计[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出

北工业科技,2004,21(4) :37239.

[7]　沈英才, 刘朝英, 宋雪玲. 计算机测量控制系统的自诊断方法

[J].计算机测量与控制,2004,12(11) :104321045.

版社,1996.

[9]　王辛之. 单片机应用系统抗干扰技术[M ].北京:北京航空航天

大学出版社,1999.

以特色求发展, 以特色创品牌, 以特色与国际接轨。