TEC是熱電冷卻器的縮寫。TEC 是一種半導(dǎo)體或固態(tài)器件，利用珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生加熱和冷卻。TEC 的其他名稱包括帕爾貼設(shè)備、固態(tài)冰箱和帕爾貼熱泵。TEC可用于在很寬的范圍內(nèi)散熱，從幾毫瓦一直到幾千瓦。

一、半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler)的工作原理

如果電源反轉(zhuǎn)，觸點(diǎn)處的溫度將發(fā)生相反的變化。這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)，也稱為熱電效應(yīng)。1821年，托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)不同材料的導(dǎo)體連接在一個(gè)回路中，并且兩個(gè)結(jié)之間存在溫差時(shí)，電流流過(guò)回路。十二年后，J. C. Peltier展示了相反的效果 - 通過(guò)切斷回路中的一根導(dǎo)體并迫使電流通過(guò)回路，觀察到兩個(gè)結(jié)之間的溫差。

由于當(dāng)時(shí)可用的材料，所涉及的大電流產(chǎn)生的電阻熱主導(dǎo)了珀?duì)柼?yīng)。如今，隨著材料的進(jìn)步，這些連接點(diǎn)已變得更加實(shí)用，可用作熱電熱泵，其功能與基于碳氟化合物的蒸汽壓縮制冷相同。雖然它們?nèi)匀徊蝗缯羝h(huán)裝置有效，但它們沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件或工作流體，并且尺寸可能非常小。純金屬的熱電效應(yīng)很小。如果使用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體來(lái)代替金屬，效果會(huì)大得多。通電后，在上部觸點(diǎn)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，因此內(nèi)部能量降低，溫度降低，熱量被外界吸收。在這種情況下，上部稱為冷端。由于下接觸的電子-空穴對(duì)的復(fù)合，內(nèi)部能量增加，溫度升高，熱量釋放到環(huán)境中。在這種情況下，下部稱為熱端。

一對(duì)半導(dǎo)體熱電元件產(chǎn)生的溫差和冷卻能力非常小。實(shí)用的熱電冷卻器由多對(duì)并聯(lián)和串聯(lián)的熱電元件組成，也稱為熱電樁。單級(jí)熱電樁可以獲得約60°C的溫差;C，即冷端的溫度可以達(dá)到-10到-20°C.增加熱電樁階段的數(shù)量可以增加兩端之間的溫差。但是，階段數(shù)不宜太多，一般為2至3個(gè)年級(jí)。當(dāng)這些復(fù)合熱電元件覆蓋瓷磚或其他導(dǎo)熱絕緣材料時(shí)，在帶電狀態(tài)下形成吸熱和放熱效應(yīng)。

二、熱電冷卻器的特點(diǎn)

熱電冷卻器具有無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)需制冷劑、體積小、重量輕等特點(diǎn)，工作可靠，操作方便，制冷量調(diào)節(jié)方便。但是，它的制冷系數(shù)相對(duì)較小，功耗相對(duì)較大，因此主要用于冷耗小，占地面積小的場(chǎng)合，例如電子設(shè)備和無(wú)線電通信設(shè)備中某些組件的冷卻;有些也用于家用冰箱，但不經(jīng)濟(jì)。熱電冷卻器也可以做成零點(diǎn)表，以保證熱電偶溫度測(cè)量中的零點(diǎn)溫度。

二、熱電冷卻器技術(shù)應(yīng)用

1950年代，隨著半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展，熱電冷卻器逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)踐，并應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和日常生活，從核潛艇空調(diào)到用于冷卻紅外探測(cè)器的探頭。作為一種特殊的冷源，熱電冷卻器在技術(shù)應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.不需要任何制冷劑，可以連續(xù)工作，并且沒(méi)有污染源，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。它沒(méi)有振動(dòng)，噪音，并且壽命長(zhǎng)，安裝方便。

2.熱電冷卻器有兩個(gè)功能：冷卻和加熱。冷卻效率一般不高，但加熱效率很高，總是大于1。因此，使用一個(gè)組件可以取代單獨(dú)的加熱和冷卻系統(tǒng)。

3.熱電冷卻器是一種電流交換部件。通過(guò)對(duì)輸入電流的控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。結(jié)合溫度檢測(cè)和控制手段，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、程序控制、計(jì)算機(jī)控制，便于形成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4.熱電冷卻器的熱慣性很小，冷卻和加熱時(shí)間非?？?。當(dāng)熱端散熱良好，冷端為空時(shí)，冷卻器可在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大溫差。

5.熱電冷卻器的反向使用是溫差發(fā)電。熱電冷卻器一般適用于中低溫地區(qū)的發(fā)電。

6.熱電冷卻器的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率非常小。但是，如果將它們組合成串聯(lián)并聯(lián)的堆棧以形成制冷系統(tǒng)，則可以使功率變得如此之大，以至于冷卻功率可以從幾磨瓦到數(shù)萬(wàn)瓦不等。

7.熱電冷卻器的溫差范圍可以從90°C的正溫度實(shí)現(xiàn);C至130°C的負(fù)溫度。

通過(guò)以上分析，熱電元件的應(yīng)用范圍包括冷卻、加熱、發(fā)電。冷卻和加熱應(yīng)用更為常見。有以下幾個(gè)方面：

(1)熱電空調(diào)

半導(dǎo)體空調(diào)的特點(diǎn)是無(wú)制冷劑，噪音低，改變直流方向。它可以從制冷轉(zhuǎn)移到加熱操作，因此適用于特殊環(huán)境中的空調(diào)，例如潛艇，電子通信車輛等，不允許制冷劑泄漏。

(2)熱電溫控器

半導(dǎo)體制冷溫控器的特點(diǎn)是容量小，控溫精度高，可用于要求高的儀器和實(shí)驗(yàn)儀器。例如，半導(dǎo)體零點(diǎn)計(jì)和半導(dǎo)體恒溫水浴作為半導(dǎo)體熱電樁的測(cè)量基準(zhǔn)，其控溫精度可以達(dá)到0.01K。

(3)半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)

帶半導(dǎo)體制冷的飲水機(jī)的特點(diǎn)是無(wú)制冷劑，制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，適用于要求冰箱輕巧小、禁止制冷劑泄漏的各種場(chǎng)合，如波音飛機(jī)上的半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)。

(4)醫(yī)用熱電冷卻器

采用半導(dǎo)體制冷的醫(yī)療器械具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等特點(diǎn)，如冷凍切片機(jī)、冷凍麻醉床墊、白內(nèi)障摘除裝置、皮膚病冷療儀等。

(5)熱電除濕機(jī)

采用半導(dǎo)體制冷的空氣除濕機(jī)的特點(diǎn)是無(wú)制冷劑，噪音低。適用于不允許制冷劑泄漏的軍用倉(cāng)庫(kù)、低噪音潛艇、水下高壓罐等特殊環(huán)境。

(6)熱電熱泵

采用半導(dǎo)體制冷的熱泵的特點(diǎn)是熱慣性低，工況轉(zhuǎn)換方便。一般半導(dǎo)體空調(diào)或半導(dǎo)體溫控器可根據(jù)熱泵條件運(yùn)行。

精密熱控制應(yīng)用將繼續(xù)使用TEC作為解決方案。TEC性能有望繼續(xù)提高，使其成為越來(lái)越多的溫度控制應(yīng)用的更具吸引力的解決方案。TEC甚至可以取代用于加熱和冷卻家庭的蒸汽循環(huán)制冷設(shè)備。TEC驅(qū)動(dòng)器和熱控制回路才剛剛開始找到實(shí)際應(yīng)用。

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審核編輯 黃宇