热电制冷技术 ppt课件

I Q0 m ax

TC
R
Q0m ax
(TC )2
2R
KT
同时，性能系数对电流求导，则可得制冷系数取最大时的最佳电流：
IOP (
T
1 1 ZT
1) R
2
max

TC TH TC

1
1 2
Z
(TH
TC )
TH TC
1
1 2
Z
(TH
TC )
1
根据前面关于热点效应的讨论，显然对于热电材料的特性可得以下结论 （1）为了产生大的制冷效能，温差电动势要相当高，它是所选电偶材料的函数，该 电动势是随温度变化的塞贝克电压。 （2）电阻率要低，否则电阻产生的热可能超过制冷效能。 （3）要维持冷热节点之间有一个大的温差，导热系数要低。
QK KT
2、热电制冷的产冷量
在制冷热电偶中，一个结点上放热，而另一个结点上吸热，因此两个结点间有 温差。由于热传导，热从热结点流向冷结点。因热电偶内流动的电流产生焦耳热， 使局部温度升高，温度升高就使更多的热流向冷结点，起了增加从热结点至冷结点 总热量的作用。若热在电流为I的导体上达到平衡，则传导给冷结点的纯热流可用一 维傅里叶方程来表示：
式中 ab 称为帕尔贴系数
汤姆逊效应：若电流通过有温度梯度的导体，则在导体与周围环境之间将进行能量 交换，这种现象称为汤姆逊效应。实验得出单位长度吸收或放出的热与电流和温度 梯度的乘积成比例：
QT
I
dT dx
QT—每单位长度导体的吸（放热）率，也 称汤姆逊热 τ —比例常数，称为汤姆逊系数； I—通过导体的电流； dT/dx—温度梯度
Q0

N0

( P
N )ITH

1 2
I 2R KT
使制冷器获得最大的制冷量是设计追求的指标之一。从制冷量的计算式可知， 当工作温度、半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的大小只与电流有关。帕 耳帖热越大，焦耳热越大，则制冷量越大。帕耳帖热与电流成正比，焦耳热与电流 的平方成正比，故存在着使制冷量最大的电流，求导，得到最佳电流和最大制冷量：
一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热 分析计算中处于次要地位，其数值与帕耳帖效 应相比甚微，作为工程或设计计算，可以忽略 不计。
焦耳效应：单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积：
QJ

I 2R

I2
l
S
傅里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的 面积和该方向的温度梯度的乘积成正比:
4、热电制冷与机械压缩式制冷的比较
热电制冷是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷 压缩机的作用，冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器，而热端及其热 交换器相当于冷凝器。通电时，自由电子和空穴在外电场的作用下，离开热电堆 的冷端想热端运动，相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端， 通过热交换器吸热，同时产生电子-空穴对，这相当于制冷剂在蒸发器中吸热和蒸 发。在热电堆的热端，发生电子-空穴对的复合，同时通过热交换器散热，相当于 制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
Qhc

1 2
QJ
QK

1 2
I 2R

KT
由传导给冷结点的总热量影响了帕尔贴制冷，因此，把它减掉就得到了单个 热电偶的纯产冷量：
Q0

( P
N
)ITC

1 2
I
2R

KT
3、制冷原理
若我们把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当做电流来看，则每种材料载流子的势能不 同。因此，为满足能量守恒的要求，载流子通过结点时必然与其周围环境进行能量交换。这就是 帕尔贴效应。如右图，n型材料有多余的电子，有负温差电势。p型材料电子不足，有正温差电势。 当电子从p型穿过结点至n型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这 一点可用温度降低来证明。反之，当电子从n型流至p型材料时，结点的温度就升高。
Eab abT
式中α ab称为塞贝克系数，又称为材料对的 温差电动势率，
帕尔贴效应：当直流电通过两种不同导电材料构成的回路Leabharlann Baidu，结点上将产生吸热 或放热现象。帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程。直流电回路时，回路的一端吸 收热量，另一端则放出热量。吸热量称为帕耳帖热，它正比于电流 I:
Qp ab I ab abT
1、五种效应
塞贝克效应：塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温 度不同，其 周围就会出现磁场，进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存 在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。
如图所示,由a、b两种不同材料构成的电路, 若两个接点A、B之间存在温差△T，则在点 C、 D 之间会产电动势Eab.Eab的大小与接点间的 温度正比：
5、热电制冷的基本公式
一对电偶消耗的电功率为：
N0 UI I 2R I (P N )T
一对电偶的制冷系数定义为为：单位电功率所能吸收的热量：


Q0 N0

( P
N
)ITC

1 2
I
2R

KT
I 2R I (P N )T
一对热电偶在热端放出的热量：
QH

热电制冷技术的 发展与应用
BY：袁丽芬 能动B22
2120301172 西安交通大学
目录
制冷原理 应用方向 优势与劣势 发展
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一、制冷原理
热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是在1834年发现的帕尔 贴效应的热力学原理基础上发展起来的一门新型的制冷方式。总的 热电效应的包含五中不同的效应。其中塞贝克、帕尔贴和汤姆逊三种 效应表明热和电能相互转换开始直接可逆的。另外两种效应是热的不 可逆效应，即焦耳和傅里叶效应。
右图所示的连接方法在实际中无用，因此要用左图的连接方法代替。在上面的一个接头处， 电流方向是n到p,温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头，电流方向是p到n，温 度上升并且放热，因此是热端。
把若干对半导体热电偶在电路上串联起来。而在传热方面则是并联的，这就 构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下 面是热端。借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一 定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中取吸热降温，这就是热电制冷器的工 作原理。