熱電制冷器，也被稱為帕爾貼制冷器，是一種以半導體材料為基礎，可以用作小型熱泵的電子元件。通過在熱電制冷器的兩端加載一個較低的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端，此時，制冷器一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個熱電制冷器上就可以同時實現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。因此，熱電制冷器還可以用于精確的溫度控制。

　　我們首先以一個典型的單級熱電制冷器為例。將這個單級熱電制冷器放置在散熱器上，使其保持在室溫。然后將其鏈接在一個適當?shù)碾娏魃匣蛘咧绷麟娫瓷�，制冷器的冷端溫度會降到大約-40℃。此時，制冷器上將達到相對熱平和狀態(tài)，而且制冷器兩端將達到最大的溫差(DTmax)。如果向冷端不斷輸入熱量，冷端溫度會逐漸增加，直到與熱端相同。這一時刻，制冷器會達到最大制冷量(Qmax)。

　　一、基本內(nèi)容

　　熱電制冷的機理完全不同于蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷。它是以溫差電現(xiàn)象為基礎的制冷方法。

　　用兩種不同的金屬絲相互連接在一起，形成一個閉合電路，把兩個連接點分別放在溫度不同的兩處，就會在兩個連接點之間產(chǎn)生一個電勢差——接觸電動勢。同時閉合電路中就有電流通過。

　　反過來，將兩種不同的金屬線相互連接形成的閉合線路已通直流電，會產(chǎn)生兩個不同溫度的連接點。

　　只要通以直流電，就會是其中一個連接點變熱，另一個連接點變冷。這就是帕爾帖效應，亦稱溫差電現(xiàn)象。生產(chǎn)冷端就是我們需要的制冷。

　　1834年法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個接頭變熱，另一個接頭變冷;這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。這就是熱電制冷的依據(jù)。

　　半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電制冷器。右圖示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線只起導電的作用。此時，一個接點變熱，另一個接點變冷;如果電流方向反向，那么結點處的冷熱作用互易。

　　熱電制冷器的產(chǎn)冷量一般很小，所以不宜大規(guī)模和大制冷量使用。但由于它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領域或有特殊要求的用冷場所。

　　熱電制冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應：傅立葉(Fourier)效應、焦耳(Joule)效應、塞貝克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。

　　二、熱電制冷特點

　　熱電制冷的特點

　　(1)結構簡單

　　整個制冷器由熱電堆和導線連接而成，沒有任何機械運動部件，因而無噪聲、無摩擦、可靠性高、壽命長，而且維修方便。

　　(2)體積小

　　特別在小體積、小負荷的用冷場合，使用熱電制冷有其獨到的好處。

　　(3)啟動快、控制靈活

　　只要接通電源，即可迅速制冷。冷卻速度和制冷溫度都可以通過調節(jié)工作電流簡單而方便池實現(xiàn)。

　　(4)操作具有可逆性

　　既可以用來制冷，又可以改變電流方向用于制熱，因而可以用來制做高于室溫到低于室溫范圍內(nèi)的和恒溫器。

　　(5)主要缺點是效率低，耗電多

　　由于缺少更好的半導體材料.限制了它的發(fā)展。另外，半導體電堆的元件價格很高。綜合效率和價格比的因素：在大容量情況下，勢電制冷的效率不及蒸氣壓縮式制冷、價格昂貴。但是蒸氣壓縮式制冷機的效率隨容量的減小而下降，而熱電制冷的效率與容量大小無關：且壓縮機也不可能做得過于小.而熱電制冷小到可以僅由一對基本電偶組成。產(chǎn)冷量在20w以下，溫差不超過;50度時、熱電制冷的效車高于壓縮式制冷。

　　三、熱電制冷的應用

　　需要微型制冷的場合，熱電制冷會發(fā)揮很好的作用。它在國防、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等領域廣泛地用作電子器件、儀表的冷卻器，或用在低溫測儀、器械中，或制作小型恒溫器等。

　　1.熱電制冷在電子元件上的應用

　　使用條件嚴格、對溫度反應敏感的電子元器件，必須保證它們在低溫或恒定的溫度條件下工作，才能發(fā)揮其性能。例如：紅外探測器需要在低溫下才能有高靈敏度和探測率。硫化鉛、硒化鉛紅外控測器在-10℃時的響應比20℃時的響應要高出幾倍;在-78℃時，其探測率可以提高一個數(shù)量級。為此用途的熱電制冷器，一種是由4級電堆組成，在真空中輸入功率10w，達到-95℃的低溫，而制冷器本身僅有750g重，連散熱器、電風扇加在一起的體積也只有。另一種是二級電堆組成，耗電6w，冷卻硫化鉛紅外探測器，使其訊噪比提高許多倍。

　　許多電子元件要求在恒溫條件下工作，例如電阻、電容、電感、晶體管、石英晶體管等。用熱電制冷方法制做恒溫器，為它們提供恒溫器的溫度控制簡單、精確。用熱敏電阻作感溫件，它們的溫控精度可達±0.05℃。

　　在標準電器(電池、電容)標定測量中，需要超級恒溫槽。采用熱電制冷制作，其恒溫控制精度可達0.005℃。

　     圖1 石英晶體振蕩器恒溫器

　　石英晶體振蕩器用的熱電恒溫器在外界溫度變化幅度為45~-15℃時，工作室內(nèi)溫度可以穩(wěn)定在10±0.5℃。所配備的熱電堆功率30w;電流3A。恒溫工作室容積為450×138(mm)，整個外形尺寸為：144×56×56(mm)。其結構如圖1所示。

　　多路通訊機用的恒溫器結構示意圖如圖2所示。它使用的熱電制冷器工作電流為3A;功率為5w;實際效率為36%。采用空氣自然對流的散熱方式，散熱片面。當外界環(huán)境溫度在-5~45℃之間變化時，恒溫室內(nèi)溫度可以穩(wěn)定在25±1℃。

　    圖2 多路通訊機用恒溫器

　　原子物理、天文學等科技領域中所廣泛使用的光學倍增管，其暗電流、噪聲、靈敏度等參數(shù)主要取決于光電陰極的溫度。用二級熱電制冷器為它提供低溫，可以有效地降低其噪聲和暗電流，提高靈敏度。

　　又如，美國的MI4010型4級微型并導體制冷器，用在手提式熱觀察儀上。熱端溫度300K時，冷端溫度195K，制冷量50mw　，消耗電功率7.2w。

　　2.熱電制冷在工業(yè)上的應用

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　　為了提供極高的真空度，需要在擴散泵上加冷阱。用熱電制冷的冷阱與用液態(tài)氣體(如液態(tài)空氣、液氮、……)制冷的冷阱相比，前者可以將真空度提高約1個數(shù)量級。

　　②工業(yè)氣體含水量的測定與控制

　　冶金、化工、機械制造工業(yè)中，常常需要準確地測定氣體的濕度。測定裝置中的露點濕度計是很關鍵的部件。用熱電制冷元件制作的露點濕度計具有結構簡單、精度高的優(yōu)點。圖3是69式露點儀的示意圖。它可以測至-90℃的露點溫度。其工作過程如下：被測氣體內(nèi)入口流入零工作室，開動儀器，使鏡面開始降溫，首先調節(jié)光柵 ,使硅光池 的光電壓差等于零，這時表示沒有信號輸出。在整個過程中鏡面溫度由露點溫度顯示器Ⅶ自動追蹤顯示。當溫度降以一定程度，鏡面出現(xiàn)露珠，此時硅光電池 的受光顯著減弱，A與通過I的比較，有信號輸出。這個信號經(jīng)過放大及一系列過程去帶動繼電器Ⅲ，使指示燈Ⅶ發(fā)出指示。同時，制冷電堆的電源停止供電，溫度跟蹤也隨之停止。這時露點溫度顯示器Ⅶ顯示出的值即為露點溫度。

　�、蹨y量儀和分析儀

　　熱電偶溫度測量裝置中必須使用零點儀。一般多用冰水混合物作零點，使用起來不夠方便。可以用熱電制冷器做成人工零點儀，使測量方便可靠。圖4示出半導體零電儀的一種結構示意圖。

　　 圖4 半導體零點儀

　　又譬如，在石油、化工工業(yè)中需要測量各種冷凝液、油品的物理性質，比如石油傾點、石油凝點、柴油的冷、濾點等，在這些測量儀和分析儀中也用到熱電制冷。

　　精密機床的油箱冷卻也可以用熱電制冷提供冷源。

　　3.熱電制冷在畜牧業(yè)和醫(yī)學上的應用

　　在畜牧業(yè)中熱電制冷主要用于儲存良種畜的精液。動物的精子在室溫下很快會死亡;在0℃時可存活幾天;在-78℃時則可存活幾年。因而用熱電制冷的冷藏瓶在低溫下保存和輸送動物精液十分方便。

　　熱電制冷在醫(yī)學上的應用更為廣泛。例如：在外科小手術中，用熱電制冷器對淺表的腔壁很薄的小膿腫施行冷凍麻醉，然后可以簡單、安全地施行切開排膿手術。又如冷凍止血、冷凍切除白內(nèi)障等。組織切片中用熱電制冷器，設備簡單、小巧、降溫快，大大縮短制片時間，并能提高制片質量。熱電制冷器還是低溫手術的冷卻設備。用熱電制冷器做成降溫帽用于為患者頭部降溫。藥用熱電冷藏箱，容積在10~20L時，經(jīng)濟性比機械式制冷好，用于保存血槳、疫苗、血清、藥品等。生物試驗用的小型恒溫槽也是采用熱電制冷方式。

　　4.其它方面的應用

　　在電源充足，運行經(jīng)濟性不作為首要考慮問題的應用場合，取熱電制冷可靠、簡單、無噪聲、無振動、無工質泄漏等長處，用以作空調或冷卻裝置。如核潛艇、衛(wèi)星站、飛機、地下建筑的空調器。