熱電制冷的性能由工作參數(shù)和電偶本身的材料特性所決定，包括工作電流i、電偶的材料的物理性質(zhì)(溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻、熱導(dǎo)率)等。下面介紹熱電制冷特點(diǎn)及應(yīng)用 ：
一、熱電制冷的特點(diǎn)
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
整個(gè)制冷器由熱電堆和導(dǎo)線連接而成，沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因而無(wú)噪聲、無(wú)摩擦、可靠性高、壽命長(zhǎng)，而且維修方便。
2、體積小
特別在小體積、小負(fù)荷的用冷場(chǎng)合，使用熱電制冷有其獨(dú)到的好處。
3、啟動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)工作電流簡(jiǎn)單而方便池實(shí)現(xiàn)。
4、操作具有可逆性
既可以用來(lái)制冷，又可以改變電流方向用于制熱，因而可以用來(lái)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(diǎn)是效率低，耗電多
由于缺少更好的半導(dǎo)體材料.限制了它的發(fā)展。另外，半導(dǎo)體電堆的元件價(jià)格很高。綜合效率和價(jià)格比的因素：在大容量情況下，勢(shì)電制冷的效率不及蒸氣壓縮式制冷、價(jià)格昂貴。但是蒸氣壓縮式制冷機(jī)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(wú)關(guān)：且壓縮機(jī)也不可能做得過(guò)于小.而熱電制冷小到可以僅由一對(duì)基本電偶組成。產(chǎn)冷量在20w以下，溫差不超過(guò);50度時(shí)、熱電制冷的效車高于壓縮式制冷。
由于半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了它產(chǎn)半導(dǎo)體制冷是靠空穴和電子在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它與蒸汽壓縮式和吸收式制冷比較有如下特點(diǎn)：
(1)、半導(dǎo)體制冷不用制冷劑，故無(wú)泄漏、無(wú)污染，清潔衛(wèi)生。
(2)、半導(dǎo)體制冷無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因此工作無(wú)噪聲、無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維修方便。
(3)、冷卻速度和制冷溫度可通過(guò)改變工作電流的大小任意調(diào)節(jié)，靈活性很大。冷卻速度快。
(4)、可用改變電流極性來(lái)達(dá)到冷熱端互換的目的，故用于高溫恒溫器等場(chǎng)合有獨(dú)到之處。
(5)、體積可以做得很小。例如一個(gè)能達(dá)到一100℃低溫的四級(jí)半導(dǎo)體制冷器，其外形尺寸只有一個(gè)香煙盒大小。
(6)、制冷量可以很小。制冷量可小至1W或更小。
(7)、半導(dǎo)體制冷需要供給直流電源。
(8)、半導(dǎo)體制冷器價(jià)格較高。
半導(dǎo)體制冷的主要缺點(diǎn)是大容量(制冷量)時(shí)效率太低，耗電量大約比蒸汽壓縮式制冷大一倍。但是，蒸汽壓縮式等制冷方法的效率，與其制冷裝置本身的容量大小有關(guān)。容量越小，效率越低。而半導(dǎo)體制冷的效率與其容量大小無(wú)關(guān)，即在制冷量極小時(shí)，仍保持其效率不變。因此，對(duì)于制冷量?jī)H幾十瓦的場(chǎng)合，半導(dǎo)體制冷的效率高于其它制冷機(jī)。例如，當(dāng)溫差小于50℃，制冷量在20W以下時(shí)，半導(dǎo)體制冷裝置的效率比蒸汽壓縮式高。
由于半導(dǎo)體制冷具有上述特點(diǎn)，在小冷量，小體積等場(chǎng)合下，能夠起到其他制冷無(wú)法替
代的作用。目前半導(dǎo)體制冷在國(guó)防、電子、醫(yī)療等方面都已得到應(yīng)用。半導(dǎo)體冰箱、半導(dǎo)體空調(diào)器等已有產(chǎn)品。
綜上所述，當(dāng)制冷量很小時(shí)，就應(yīng)優(yōu)先考慮采用半導(dǎo)體制冷。我國(guó)已生產(chǎn)半導(dǎo)體電偶元件，可以根據(jù)要求的制冷量選用，組成半導(dǎo)體制冷裝置。
二、熱電制冷的應(yīng)用
需要微型制冷的場(chǎng)合，熱電制冷會(huì)發(fā)揮很好的作用。它在國(guó)防、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域廣泛地用作電子器件、儀表的冷卻器，或用在低溫測(cè)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(yīng)用
使用條件嚴(yán)格、對(duì)溫度反應(yīng)敏感的電子元器件，必須保證它們?cè)诘蜏鼗蚝愣ǖ臏囟葪l件下工作，才能發(fā)揮其性能。例如：紅外探測(cè)器需要在低溫下才能有高靈敏度和探測(cè)率。硫化鉛、硒化鉛紅外控測(cè)器在-10℃時(shí)的響應(yīng)比20℃時(shí)的響應(yīng)要高出幾倍;在-78℃時(shí)，其探測(cè)率可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。為此用途的熱電制冷器，一種是由4級(jí)電堆組成，在真空中輸入功率10w，達(dá)到-95℃的低溫，而制冷器本身僅有750g重，連散熱器、電風(fēng)扇加在一起的體積也只有。另一種是二級(jí)電堆組成，耗電6w，冷卻硫化鉛紅外探測(cè)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(jiǎn)單、精確。用熱敏電阻作感溫件，它們的溫控精度可達(dá)±0.05℃。
2、熱電制冷在工業(yè)上的應(yīng)用
�、�、高真空技術(shù)
為了提供極高的真空度，需要在擴(kuò)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(gè)數(shù)量級(jí)。
�、�、工業(yè)氣體含水量的測(cè)定與控制
冶金、化工、機(jī)械制造工業(yè)中，常常需要準(zhǔn)確地測(cè)定氣體的濕度。測(cè)定裝置中的露點(diǎn)濕度計(jì)是很關(guān)鍵的部件。用熱電制冷元件制作的露點(diǎn)濕度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。圖3是69式露點(diǎn)儀的示意圖。它可以測(cè)至-90℃的露點(diǎn)溫度。其工作過(guò)程如下：被測(cè)氣體內(nèi)入口流入零工作室，開動(dòng)儀器，使鏡面開始降溫，首先調(diào)節(jié)光柵 ,使硅光池 的光電壓差等于零，這時(shí)表示沒有信號(hào)輸出。在整個(gè)過(guò)程中鏡面溫度由露點(diǎn)溫度顯示器Ⅶ自動(dòng)追蹤顯示。當(dāng)溫度降以一定程度，鏡面出現(xiàn)露珠，此時(shí)硅光電池 的受光顯著減弱，A與通過(guò)I的比較，有信號(hào)輸出。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大及一系列過(guò)程去帶動(dòng)繼電器Ⅲ，使指示燈Ⅶ發(fā)出指示。同時(shí)，制冷電堆的電源停止供電，溫度跟蹤也隨之停止。這時(shí)露點(diǎn)溫度顯示器Ⅶ顯示出的值即為露點(diǎn)溫度。
3、熱電制冷在畜牧業(yè)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
在畜牧業(yè)中熱電制冷主要用于儲(chǔ)存良種畜的精液。動(dòng)物的精子在室溫下很快會(huì)死亡;在0℃時(shí)可存活幾天;在-78℃時(shí)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(dòng)物精液十分方便。
熱電制冷在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。例如：在外科小手術(shù)中，用熱電制冷器對(duì)淺表的腔壁很薄的小膿腫施行冷凍麻醉，然后可以簡(jiǎn)單、安全地施行切開排膿手術(shù)。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(shè)備簡(jiǎn)單、小巧、降溫快，大大縮短制片時(shí)間，并能提高制片質(zhì)量。熱電制冷器還是低溫手術(shù)的冷卻設(shè)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(shí)，經(jīng)濟(jì)性比機(jī)械式制冷好，用于保存血槳、疫苗、血清、藥品等。生物試驗(yàn)用的小型恒溫槽也是采用熱電制冷方式。
4、其它方面的應(yīng)用
在電源充足，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不作為首要考慮問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)合，取熱電制冷可靠、簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)工質(zhì)泄漏等長(zhǎng)處，用以作空調(diào)或冷卻裝置。如核潛艇、衛(wèi)星站、飛機(jī)、地下建筑的空調(diào)器。
在原理上，半導(dǎo)體的制冷片只能算是一個(gè)熱傳遞的工具，雖然制冷片會(huì)主動(dòng)為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發(fā)熱量散發(fā)掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現(xiàn)溫差，熱量便不斷地通過(guò)晶格的傳遞，將熱量移動(dòng)到熱端并通過(guò)散熱設(shè)備散發(fā)出去。因此，制冷片對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是主動(dòng)制冷的裝置，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只能算是主動(dòng)的導(dǎo)熱裝置，因此，采用半導(dǎo)體制冷裝置的ZENO96智冷版，依然要采取主動(dòng)散熱的方式對(duì)制冷片的熱端進(jìn)行降溫。
風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱，通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時(shí)候會(huì)達(dá)到100度左右，極易超過(guò)制冷片的承受極限，而且半導(dǎo)體制冷效率的關(guān)鍵就是要盡快降低熱端溫度以增大兩端溫差，提高制冷效果，因此在熱端采用大型的散熱片以及主動(dòng)的散熱風(fēng)扇將有助于散熱系統(tǒng)的優(yōu)良工作。在正常使用情況下，冷熱端的溫差將保持在40～65度之間。
中國(guó)在半導(dǎo)體制冷技術(shù)開始于50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)在國(guó)際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國(guó)際水平，60年代末至80年代初是我國(guó)半導(dǎo)體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺(tái)階。在此期間，一方面半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導(dǎo)體制冷片，因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。
