溫差電致冷
正文
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。
溫差電致冷
時，致冷器兩端的溫度差達到最大值，式中R為N型和P型半導體電阻之和,T1為冷端溫度。如果熱負載Q0=0，致冷器兩端溫差最大可達： 
② 最大致冷效率狀態：當電流為
由(T0-T1)max和ε0的表達式可知,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參數，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/厘米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 在實際套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。
溫差電致冷套用 與通常使用的壓縮機製冷相比，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，無製冷劑的腐蝕和污染，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污染的特殊場合。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雷射器等用的致冷器，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醫學上的套用有病理切片用的顯微切片冷凍台、白內障摘除器、皮膚病冷凍治療器、致冷帽等。③其他還有攜帶式冷熱箱、半導體冰櫃、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製冷器。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℃。
溫差電致冷