熱電制冷器，也被稱(chēng)為帕爾貼制冷器，是一種以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，可以用作小型熱泵的電子元件。通過(guò)在熱電制冷器的兩端加載一個(gè)較低的直流電壓，熱量就會(huì)從元件的一端流到另一端，此時(shí)，制冷器一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度就會(huì)同時(shí)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(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)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(gè)典型的單級(jí)熱電制冷器為例。將這個(gè)單級(jí)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(gè)適當(dāng)?shù)碾娏魃匣蛘咧绷麟娫瓷希评淦鞯睦涠藴囟葧?huì)降到大約-40℃。此時(shí)，制冷器上將達(dá)到相對(duì)熱平和狀態(tài)，而且制冷器兩端將達(dá)到最大的溫差(DTmax)。如果向冷端不斷輸入熱量，冷端溫度會(huì)逐漸增加，直到與熱端相同。這一時(shí)刻，制冷器會(huì)達(dá)到最大制冷量(Qmax)。
一、基本內(nèi)容
熱電制冷的機(jī)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(chǔ)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(gè)閉合電路，把兩個(gè)連接點(diǎn)分別放在溫度不同的兩處，就會(huì)在兩個(gè)連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差——接觸電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)閉合電路中就有電流通過(guò)。
反過(guò)來(lái)，將兩種不同的金屬線(xiàn)相互連接形成的閉合線(xiàn)路已通直流電，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同溫度的連接點(diǎn)。
只要通以直流電，就會(huì)是其中一個(gè)連接點(diǎn)變熱，另一個(gè)連接點(diǎn)變冷。這就是帕爾帖效應(yīng)，亦稱(chēng)溫差電現(xiàn)象。生產(chǎn)冷端就是我們需要的制冷。
1834年法國(guó)物理學(xué)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(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，另一個(gè)接頭變冷;這說(shuō)明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過(guò)時(shí)，兩個(gè)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(dǎo)體材料具有較高的熱電勢(shì)可以成功地用來(lái)做成小型熱電制冷器。右圖示出N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導(dǎo)線(xiàn)將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接成一個(gè)回路，銅板和銅導(dǎo)線(xiàn)只起導(dǎo)電的作用。此時(shí)，一個(gè)接點(diǎn)變熱，另一個(gè)接點(diǎn)變冷;如果電流方向反向，那么結(jié)點(diǎn)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(qiáng)，簡(jiǎn)單方便冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的用冷場(chǎng)所。
熱電制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，在無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)，它包括五個(gè)效應(yīng)：傅立葉(Fourier)效應(yīng)、焦耳(Joule)效應(yīng)、塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。
二、熱電制冷特點(diǎn)
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(xiàn)連接而成，沒(méi)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?xún)H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(chē)高于壓縮式制冷。
三、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℃。
在標(biāo)準(zhǔn)電器(電池、電容)標(biāo)定測(cè)量中，需要超級(jí)恒溫槽。采用熱電制冷制作，其恒溫控制精度可達(dá)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(shí)，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(gè)外形尺寸為：144×56×56(mm)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
多路通訊機(jī)用的恒溫器結(jié)構(gòu)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(shí)際效率為36%。采用空氣自然對(duì)流的散熱方式，散熱片面。當(dāng)外界環(huán)境溫度在-5~45℃之間變化時(shí)，恒溫室內(nèi)溫度可以穩(wěn)定在25±1℃。
圖2 多路通訊機(jī)用恒溫器
原子物理、天文學(xué)等科技領(lǐng)域中所廣泛使用的光學(xué)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(jí)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(guó)的MI4010型4級(jí)微型并導(dǎo)體制冷器，用在手提式熱觀(guān)察儀上。熱端溫度300K時(shí)，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(yīng)用
�、俑哒婵占夹g(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)。
�、诠I(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(kāi)動(dòng)儀器，使鏡面開(kāi)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(méi)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。
�、蹨y(cè)量?jī)x和分析儀
熱電偶溫度測(cè)量裝置中必須使用零點(diǎn)儀。一般多用冰水混合物作零點(diǎn)，使用起來(lái)不夠方便。可以用熱電制冷器做成人工零點(diǎn)儀，使測(cè)量方便可靠。圖4示出半導(dǎo)體零電儀的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 半導(dǎo)體零點(diǎn)儀
又譬如，在石油、化工工業(yè)中需要測(cè)量各種冷凝液、油品的物理性質(zhì)，比如石油傾點(diǎn)、石油凝點(diǎn)、柴油的冷、濾點(diǎn)等，在這些測(cè)量?jī)x和分析儀中也用到熱電制冷。
精密機(jī)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(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(kāi)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。
